六、如何进行LC9CS超硬铝合金的焊接？

LC9CS超硬铝合金因其具有高强度、高断裂韧性和良好的热加工性能，在各个领域应用相当广泛。例如，在航空航天领域用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭锻环、宇宙飞船壁板等；在交通运输领域用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材等。但超硬铝合金LC9CS在理论上焊接性较差，焊接时容易出现气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷，抗拉强度往往也达不到设计要求。针对LC9CS超硬铝合金的焊接难点，目前有关研究人员经过相关试验和研究，解决了在现有设备条件下LC9CS超硬铝合金焊接工作出现的难题。

LC9CS超硬铝合金的化学成分与美国7075合金基本相同，属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，LC9CS技术条件规定的最低性能（例如厚度为0.5～2.5mm的板材）：σb=490MPa，σ0.2=420MPa，δ=7％。LC9CS超硬铝合金是在Al-Zn-Mg系合金的基础上添加了Cu、Cr、Mn、Zr等元素，所以进一步提高了力学性能。

LC9CS超硬铝合金的焊接特点表现为：

（1）铝合金表面易形成氧化膜，形成的氧化膜阻碍其基体金属的熔合，致使焊接中焊缝极易产生夹渣，导致焊后焊缝的机械性能明显下降。

（2）铝在高温时吸氢严重，焊接过程中加热后熔化的焊缝金属吸收大量的氢气，焊缝冷却时氢气的逸出速度却很慢，而焊接过程中是小熔池，冷却速度相当快。这样，氢气在焊缝快速冷却与凝固时来不及逸出，易在焊缝中聚集，从而形成气孔。

（3）LC9CS超硬铝合金的热胀冷缩现象比较严重，焊接的构件易产生较大的焊接变形和内应力，尤其是刚性较大的结构在焊接应力与外力作用下将导致裂纹的产生。

（4）焊接中，LC9CS超硬铝合金中的合金元素易挥发、烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。

有研究者在试验中发现，经过堆焊的LC9CS超硬铝合金零件采用纯铝焊丝S301焊接，焊接后发现其抗拉强度试验结果不能满足堆焊层及热影响区与基体等强度这一要求。后来选用含少量Ti的铝镁合金焊丝S331，耐蚀性及抗热裂性能均较好，且强度高。选用的铝镁合金焊丝S331，其化学成分为：5.8％～6.8％Mg，0.5％～0.8％Mn，0.02％～0.10％Ti，余量为Al，杂质含量小于1.2％。试焊后接头抗拉强度为550MPa，大于设计要求的强度（490MPa）。

为保证LC9CS超硬铝合金焊接质量稳定可靠，可以采用目前应用较为普遍的钨极氩弧焊（TIG焊）进行焊接。但焊前必须采取特殊工艺措施清除工件及焊丝表面的氧化膜，调整合理的焊接工艺参数，避免LC9CS焊后工件上的堆焊层出现气孔、裂纹、夹渣、未熔合等缺陷。

为防止LC9CS焊接过程中产生各种缺陷，进行TIG焊接或补焊过程中，应针对可能出现的缺陷，对其产生原因进行分析，并采取有效的预防措施。

例如，LC9CS焊接过程中产生气孔的原因主要是氢气的作用。焊接过程中，由于高温时Al可强烈地吸收与溶解氢，冷却时铝对氢的溶解度急剧下降，因而氢容易在焊缝中聚集而形成气孔。另外，Al合金表面的氧化膜也可吸收较多的水分，焊接过程中分解放出氢气，这也是产生焊缝气孔的主要原因之一。

对于多层焊接，由于多层堆焊，焊层金属在多次熔化结晶过程中溶入大量气体而来不及逸出，极易形成气孔。因此，对于气孔的预防，一是严格清除工件待焊处及焊丝表面的氧化膜（氧化膜吸有水分）；二是采用纯度高的氩气进行保护，例如采用纯度为99.9％以上的氩气作保护气体，使金属熔池和填充金属不被氧化；三是有条件时可将工件放入烘箱进行预热，这样一方面可清除构件上的水分，另一方面也使焊接的温度梯度降低，防止焊接过程中产生过烧现象；四是构件焊接完成后应对焊件采用保温缓冷措施，降低熔化金属的冷却速度，有利于气泡的逸出。

LC9CS铝合金焊接过程中如果应力控制不好还会产生裂纹。产生焊接裂纹的主要因素一般与母材及焊丝的化学成分、焊接工艺参数选择有关。

为预防LC9CS铝合金焊接过程中产生裂纹，焊接中主要注意以下几个问题：

一是，尽量选用出现裂纹几率小的S331防锈铝合金填充焊丝进行堆焊。这种焊条焊接后，一方面可以满足焊缝的“等强度”要求，另一方面也可防止产生裂纹。

二是，焊接时尽量采用较小的焊接规范，以焊接电流50～75A、喷嘴直径5mm、钨丝直径1.5mm、氩气流量15～20mL/min为宜。

三是，焊前最好将焊件与焊丝进行预热，预热可显著降低焊接应力，防止裂纹产生。

为防止在焊接LC9CS铝合金时产生夹渣、未熔合等较严重的焊接缺陷，焊接过程中焊件的氧化膜清理非常重要。夹渣、未熔合的产生一般是由于铝件表面的氧化膜（Al2O3）未清除干净，在操作过程中基体金属未熔化就填加焊丝，焊枪偏摆过大，造成熔池氩气保护不好等原因形成的。焊接时，只要对以上不利因素进行排除或改善，便可防止LC9CS铝合金焊接过程中的夹渣、未熔合等缺陷的产生。

为使焊接后的LC9CS铝合金焊缝达到等强度要求，有研究者采用脉冲氩弧焊方法对LC9CS超硬铝试样进行了对接焊接，其焊接的试样尺寸为120mm×60mm×2.5mm，选用手工氩弧焊机WP300（PANA-TIG）。焊接工艺参数为：脉冲电流Im=100A，基值电流IJ=50A，占空比k=40％，频率f=2Hz。选用焊丝的主要化学成分为：Mg=6.28％，Zn=1.2％，Mn=0.52％，Ti=0.12％，Zr=0.15％，Re=0.65％，Fe=0.23％，其余为Al。焊丝直径不大于2.0mm。为提高焊后焊接接头强度，对焊接试样进行了热处理。热处理参照超硬铝合金常规热处理工艺并经试验确定，其工艺路线为：加热至475℃保温30min，快速水淬，再将焊件放置在135℃的温度下时效12～16h。按照GB/T 2651—2008焊接接头拉伸试验法测试接头的抗拉强度，焊接接头在焊接状态和淬火加人工时效状态的抗拉强度测试结果见表1-1。可见，焊接接头经淬火加人工时效处理后，其抗拉强度达480MPa，接近母材，比原始焊态约提高80％。

在实际焊接结构中，如结构较大不能采用整体热处理，可考虑采用局部热处理方法（如履带式电热板加热器等）。

按照以上方法，有关企业对已经焊接的几千件LC9CS零件的堆焊性能进行了分析。分析结果表明，对于焊接性差的超硬铝，只要选择与基体材料匹配的焊丝，在焊接过程中调整合理的焊接工艺参数，采取有效的预防气孔、裂纹、夹渣、未熔合等措施，便可防止焊接缺陷的产生并得到质量良好的焊接零件。