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    多厚度组合铝合金研究及裂纹产生原因及防治
    在焊接时高温下产生的,故称热裂纹,它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同(低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等),产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。目前,把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹等三大类。结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中(含S,P,C,Si缝偏高)和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊缝中。这种裂纹是在焊缝结晶过程中,在固相线附近,由于凝固金属的收缩,残余液体金属不足,不能及时添充,在应力作用下发生沿晶开裂。防治措施:在冶金因素方面,适当调整焊缝金属成分,缩短脆性温度区的范围控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量;细化焊缝金属一次晶粒,即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素;在工艺方面,可以通过焊前预热、控制线能量、减小接头拘束度等方面来防治。在电池盒里面焊接到底有多难。其实铝合金电池盒焊接非常难,其难点在于用型材去做,而且型材厚度断面都不一样,每个地方厚度都有很多组合,有薄板和厚板,有薄板+薄板,还有底板和横梁,水冷板跟横梁的厚度差异其实也非常大。当厚度差异很大的时候,焊接上非常难控制热输入。然后是电池盒产品大、焊道多、焊道长,还要求焊道要小,基于这样的工艺原因我们提出来研发铝合金工法,怎么很好地去解决这个问题,我们做了焊接前端的研究。还有高速的往复摆动,我们做铝合金的时候发现10毫米,最大的电流打进去也没有熔深,那怎么办?同一个焊道里面前后反复去焊。气孔少,第一个条件就是焊接速度要快,趁零件不知道就焊好了。第二是焊道充分的搅拌,把气孔搅出来。所以我们通过不同搅拌方式让铝合金气孔减少。我们直接走高速焊接和反复搅拌的研究方向。有别于其他的焊接工艺。

    近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹,它的尺寸很小,发生于HAZ近缝区或层间。它的成因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属,在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成物被重新熔化,在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。这一种裂纹的防治措施与结晶裂纹基本上是一致的。特别是在冶金方面,尽可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的;在工艺方面,可以减小线能量,减小熔池熔合线的凹度。多边化裂纹是在形成多边化的过程中,由于高温时的塑性很低造成的。这种裂纹并不常见,其防治措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素如Mo、W、Ti等。为了做这个部分,我们跟很多供应商建立了良好的互动和合作,我们跟唐山松下建立了联合实验室。各位听起来可能有点懵,铝合金焊接我们用直流焊,但是我们研究有的是研究交流焊接方法,还有工法上有P-MIX焊接方法,直流脉冲往复摆动工法,还有焊接热输入精准控制、焊缝自适应技术。我们针对电池盒焊接也开发了一个焊接软件包来适应不同的焊接要求,针对5系铝合金和6系铝合金做了大量的研究,最后我们做了一个软件包。我们对应的工艺范围蛮广的,从0.6毫米的厚度做到10毫米,各式各样的组合都可以呈现完美的解决方案,这是我们的联合实验室做出来的一个成就。

    通常发生于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金(包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金,以及某些奥氏体不锈钢),他们焊后并未发现裂纹,而是在热处理过程中产生了裂纹。热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位,其走向是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。防治再热裂纹从选材方面,可以选用细晶粒钢。在工艺方面,选用较小的线能量,选用较高的预热温度并配合以后热措施,选用低匹配的焊接材料,避免应力集中。主要发生在高、中碳钢、低、中合金钢的焊接热影响区,但有些金属,如某些超高强钢、钛及钛合金等有时冷裂纹也发生在焊缝中。钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及分布,以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。焊后形成的马氏体组织在氢元素的作用下,配合以拉应力,便形成了冷裂纹。如果说没有AC很容易产生背透裂纹,我们用交流的时候背焊接透少了,也就是熔深小了,但是焊接熔深是稳定的。以往我们的AC技术用在哪里呢?用在不锈钢焊接里面,其实铝AC焊接工法是从那个理论上面演化出来,用这种方案很多的好处。当然我们在这里还有其他的应用,因为这里面其他的应用很广,今天只是讲了一个很窄的话题,就是我们为了解决某一个特定环节的时候想到这样一个工法。当然针对焊接部分要求有熔深的时候,可以使用该工法,完全可以做到整个焊道都有熔深。

    它的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹一般分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹。防治冷裂纹可以从工件的化学成分、焊接材料的选择和工艺措施三方面入手。应尽量选用碳当量较低的材料;焊材应选用低氢焊条,焊缝应用低强度匹配,对于高冷裂倾向的材料也可选用奥氏体焊材;合理控制线能量、预热和后热处理是防治冷裂的工艺措施。在焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同,结构的类型、钢度,以及施工的具体条件不同,可能出现各种形态的冷裂纹。然而在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹。焊接规范同步摆动技术。我们会碰到薄板和厚板焊接,后来我们发明了同步摆动,通过大电流小电流不同切换,我们兼顾了不同的方法,实现了两个板都不会出现大的质量问题。

    焊趾裂纹——这种裂纹起源于母材与焊缝交界处,并有明显应力集中部位。裂纹的走向经常与焊道平行,一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展。焊道下裂纹——这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行。根部裂纹——这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态,主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。这种裂纹与焊趾裂纹相似,起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段,也可能出现在焊缝金属中。钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布,以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。厚板我们加200安,薄板加100安,就是这个焊道以前怎么焊都要破,焊道不好控制,今天用这种方案去做就解决了不同薄厚组合,而且它的咬边和焊破会变得比较少,这是我们这个技术的优点,这块技术我们需要跟机器人同步去做运动。机器人做圆弧摆动的时候,焊机根据位置发焊接指令,这样达到动作和指令有比较好的匹配。AC交流脉冲工法。我们用交流焊接方法去焊铝材,因为我们焊铝合金都是直流焊,你今天突然跑出来说用交流焊接,没人能相信。当然它有好处,只是应用范围很窄,但是焊接效果很明显。我们这样的技术来源于大概五年前,我们做铝合金焊接的时候就是用交流焊。在直流脉冲反面有小的脉冲是做交流的,它的好处是什么呢?交流的时候正极正接的时候焊接的能量是最大的,通过控制最大能量输入让熔池瞬间破开。我们铝合金经常碰到熔深问题就是焊道起弧15毫米也不要切,收弧15毫米你也不要切,但是有了交流以后,发现起弧5毫米它也有熔深。焊接中用交流方式破开熔池,当破开的时候就可以快速焊接,起到的效果是焊接熔深大,不需要太大热输入,焊接速度更快,而且没有背透。
    钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时,钢种的淬硬倾向越大,越易产生裂纹。为什么钢淬硬之后会引起开裂呢?可归纳为以下两方面。形成脆硬的马氏体组织——马氏体是碳在ɑ铁中的过饱和固溶体,碳原子以间隙原子存在于晶格之中,使铁原子偏离平衡位置,晶格发生较大的畸变,致使组织处于硬化状态。特别是在焊接条件下,近缝区的加热温度很高,使奥氏体晶粒发生严重长大,当快速冷却时,粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属的强度理论可以知道,马氏体是一种脆硬的组织,发生断裂时将消耗较低的能量,因此,焊接接头有马氏体存在时,裂纹易于形成和扩展。淬硬会形成更多的晶格缺陷——金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷主要是空位和位错。随焊接热影响区的热应变量增加,在应力和热力不平衡的条件下,空位和位错都会发生移动和聚集,当它们的浓度达到一定的临界值后,就会形成裂纹源。

    在应力的继续作用下,就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一,并且有延迟的特征,因此,在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”。试验研究证明,高强钢焊接接头的含氢量越高,则裂纹的敏感性越大,当局部地区的含氢量达到某一临界值时,便开始出现裂纹,此值称为产生裂纹的临界含氢量[H]cr。各种钢产生冷裂的[H]cr值是不同的,它与钢的化学成分、钢度、预热温度,以及冷却条件等有关。焊接时,焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污,以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。一般情况下母材和焊丝中的氢量很少,而焊条药皮的水分和空气中的湿气却不能忽视,成为增氢的主要来源。氢在不同金属组织中的溶解和扩散能力是不同的,氢在奥氏体中的溶解度远比铁素体中的溶解度大。因此,在焊接时由奥氏体向铁素体转变时,氢的溶解度发生突然下降。氢的扩散速度恰好相反,由奥氏体向铁素体转变时突然增大。焊接时在高温作用下,将有大量的氢溶解在熔池中,在随后的冷却和凝固过程中,由于溶解度的急剧降低,氢极力逸出,但因冷却很快,使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中形成扩散氢。SAWP低热输入技术。大家知道铝合金焊接既要保证熔深又要有小的变形,我们要求技术焊接中保证熔深,也有热量大输入,也有小输入。这里面我们跟供应商和实验室提出这么一个要求,就是说在厚板的时候能不能用大的脉冲把熔丝打开,产生熔池,焊接后让焊道有一个很好的休息,让焊缝稳定起来,熔池凝固。因此根据这个理论,我们开发出新的工艺,叫做SAWP工艺,前面是用短路焊接,接下来是双脉冲:AB电流,通过这样的焊接工法带来好处是热输入更加精准,在焊接中破似破非破时候,给它一个冷却的过程,让它焊道瞬间得到支撑,这个薄板的地方焊接成功率会比较高。因为热输入很大的时候,也保证了高速焊接和熔深,就是焊接速度并没有降下来,热输入解决了起到了台阶式输入控制的问题。图上可以看到它的熔深变得比较好。

    一种内部的低温开裂。仅限于厚板的母材金属或焊缝热影响区,多发生于“L”、“T”、“+”型接头中。其定义为轧制的厚钢板沿厚度方向塑性不足以承受该方向上的焊接收缩应变而发生于母材的一种阶梯状冷裂纹。一般是由于厚钢板在轧制过程中,把钢内的一些非金属夹杂物轧成平行于轧制方向的带状夹杂物,这些夹杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。防治层状撕裂在选材上可以选用精练钢,即选用z向性能高的钢板,也可以改善接头设计形式,避免单侧焊缝、或在承受z向应力的一侧开出坡口。层状撕裂与冷裂不同,它的产生与钢种强度级别无关,主要与钢中的夹杂量和分布形态有关。厚板高速焊接无飞溅技术。我们把手工焊的方法移植到铝合金焊接,做厚板焊接的时候,经常有很多会有焊接飞溅,厚板焊接过程,速度很慢,效率很低,焊道宽度很大,很多气孔,焊接后会造成开裂。我们碰到厚板的时候会用摆动的方案去做,让鱼鳞纹一屡一屡的展现出来,而且外观飞溅气孔相对较小。因为熔池小了,熔池搅拌效果可能没那么大了,但是整个氢气沉在里面的可能性也变小了。所以我们着重是做飞溅没有的焊接方案,这是跟机器人相互融合的部分。虽然取名是无飞溅焊接,实际上就是直流焊接加机器人摆动的方案。1.6mm焊丝高效焊接应用。我们跟工程师为这个课题大概吵了一年,我坚持要做1.6mm,工程师坚持用1.2mm,因为1.2mm焊接很成熟,1.6mm业界都不用。今天我们说用1.6mm焊丝焊丝,我们做出来的效果很明显,焊接1.6mm的时候产品的变形会特别小,比焊1.2mm的时候会减少2/3。1.2mm焊的时候板就拱起来了,1.6mm焊起来就平平的。现在它的焊接速度会提升50%,刚才说快速焊的时候可以减少气孔,也该工艺也暗合了这样一个效果,气孔更少。更重要的是熔深更优异,在这里面可以看到1.2mm焊丝焊接电流基本上在180-250是比较稳定的,但是如果我们1.6mm的时候焊到350还是很稳定,我们用都是高端的设备,所以焊丝控制起来还是非常优异的。

    一般轧制的厚钢板,如低碳钢、低合金高强钢,甚至铝合金的板材中也会出现层状撕裂。根据层状撕裂产生的位置大体可以分为三类:第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。第二类是焊接热影响区沿夹杂开裂,是工程上最常见的层状撕裂。第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂,一般多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。层状撕裂的形态与夹杂的种类、形状、分布,以及所处的位置有密切关系。当沿轧制方向上以片状的MnS夹杂为主时,层状撕裂具有清晰的阶梯状,当以硅酸盐夹杂为主时呈直线状,如以Al 夹杂为主时呈不规则的阶梯状。厚板结构焊接时,特别是T型和角接接头,在刚性拘束的条件下,焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变,当应变超过母材金属的塑性变形能力时,夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生微裂,在应力的继续作用下裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展,就形成了所谓“平台”。P-Stitch鱼鳞纹焊接技术。我们发现该工法焊接中会出现没有熔深,焊道没有强度,但是电池包要求整个焊道有熔深的,基于这个要求,我们把原来鱼鳞纹焊接方法摒弃掉了,选择了新的工艺焊接脉冲,加大热输入。这里展示的鱼鳞纹工法,可以应用4毫米板厚的焊接。一个焊接脉冲后焊完以后会停弧,再焊接再冷却,这样的好处是瞬间大电流冲开熔池,但又使熔池瞬间冷却。我们研究的部分会有跟别人不一样的地方,就是我们用鱼鳞纹焊接的工法可以焊3毫米以下板厚实现有熔深,这在以往是做不到的。该工法带来的作用也很明显,鱼鳞纹焊接的时候焊道气孔非常少,因为跟铝合金焊接过程中温度很低,里面的氢气孔很难溶化在里面,所以它的适用性会变得更加广泛。还有一个作用,它的焊接黑灰很少,因为焊接电流非常大。基于这两个部分它在电池盒的应用价值就上来了,不像以前焊自行车的时候感觉很鸡肋,外观很好,但又没熔深,我们把该工法做到了极限控制热输入。

    影响层状撕裂的因素很多,主要有以下几方面:1:非金属夹杂物的种类、数量和分布形态是产生层状撕裂的本质原因,它是造成钢的各向异性、机械性能差异的根本所在。2:Z向拘束应力 厚壁焊接结构在焊接过程中承受不同的Z向拘束应力、焊后的残余应力及载荷,它们是造成层状撕裂的力学条件。3:氢的影响 一般认为,在热影响区附近,由冷裂诱发成为层状撕裂,氢是一个重要的影响因素。P-MIX焊接技术。它的方案基于前面的方案有两个不同的地方,前面讲鱼鳞纹焊接是焊道有一个休息过程,这里工法不让它休息,就是短路脉冲。我们跟以往工法不一样的地方是,我们焊接脉冲的宽度会很窄,脉冲的电压很高,可以瞬间打进板材的时候,得到很大熔深。就是电弧挺度非常高,通过搅拌熔池让熔深变得很稳定。还有一个不同的地方,以前普通的焊道是歪歪扭扭的,但是我们用P-MIX做的焊道是平的,而且有些材料中间是有筋的,铝合金碰到筋部会收缩,碰到薄板的的地方会焊塌了,为了应对这样一个问题,我们提出P-MIX解决方案。它的优点是外观会很好看,而且电弧控制力会好一些。当然这个工艺应用会比较广,更多是用在铸件焊接上,其实铸件焊接非常难的部分是铸件焊接的时候铸件很容易熔化,所以这里要求控制它的精准度,这里用的脉冲是按照个数来计算的,可以给它1个到20个部不等的脉冲,控制热输入的精准度,这个焊接过程温度控制会比较合理。这里看到熔深不太好的部分,指状熔深,但对强度有不好的状态。这里指状熔深过大,导致燃烧会不充分,烟尘也比较大,所以我们在做烟尘这部分的课题,就是要去修正脉冲形状的过程,我们把脉冲的宽度比例修正掉了,让燃弧的过程变得稳定一些。稳定燃弧部分我们单独做了一个曲线库。我们可以看到两个不同的焊接曲线出来的,一个它有电弧矮电弧的特性。电弧一般都做柔和一点。第二种方案,如果我们用标准脉冲的时候,我们希望是又高又瘦的,相对于焊接的声音会比较尖,它的脉冲值会加大。所以在1.6mm焊接我们也是没有烟尘可以的。我们看到这两个不同的指状,左边是1.2mm,右边是1.6mm,其实熔深不太大,但是气孔会变得少一些。最后看烟尘,焊接铝合金最大的问题就是烟尘,我们尽量让脉冲数量减少,然后让溢出来的飞溅少,最后让镁元素尽量的减少,这里我们做到比较柔和的曲线,整个焊接过程就是电弧压缩在焊接保护气体范围里面,这样可以看到焊接过程比较亮,而且焊接过程也是比较稳定的。

    由于层状撕裂的影响很大,危害也甚为严重,因此需要在施工之前,对钢材层状撕裂的敏感性作出判断。常用的评定方法有Z向拉伸断面收缩率和插销Z向临界应力法。为防止层状撕裂,断面收缩率 应不小于15%,一般希望 =15~20%为宜,当25%时,认为抗层状撕裂优异。防止层状撕裂应主要从以下方面采取措施:第一,精练钢 广泛采用铁水先期脱硫的办法,并用真空脱气,可以冶炼出含硫只有0.003~0.005%的超低硫钢,它的断面收缩率(Z向)可达23~25%。第二,控制硫化物夹杂的形态 是把MnS变成其他元素的硫化物,使在热轧时难以伸长,从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经过上述处理的钢,可制造出Z向断面收缩率达50~70%的抗层状撕裂钢板。第三,从防止层状撕裂的角度出发,在设计和施工工艺上主要是避免Z向应力和应力集中,具体措施按下例参考:1)应尽量避免单侧焊缝,改用双侧焊缝可缓和焊缝根部区的应力状态,为防止应力集中。2)采用焊接量少的对称角焊缝代替焊接量大的全焊透焊缝,以免产生过大的应力。3)应在承受Z向应力的一侧开坡口。4)对于T型接头,可在横板上预先堆焊一层低强的焊接材料,以防止焊根裂纹,同时亦可缓和焊接应变。5)为防止由冷裂引起的层状撕裂,应尽量采用一些防止冷裂的措施,如减少氢量、适当提高预热、控制层间温度等。具体看一下,脉冲部分波形会比较细,而且比较高,筋条的部分瞬间就打到熔池部分,短路部分反倒是填充铝合金,提升焊接熔复效率问题。在焊接过程当中,焊接标准里面经常会写,如果有筋的部分你不要去切,因为它没有熔深,在这里也可以切,而且可以保证焊接有熔深。
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