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“津门第一焊枪”获得焊接材料方面国际大奖的始末

   日期:2019-05-22     来源:焊接之家    作者:服务焊接人    浏览:16    
核心提示:国家科委的奔驰轿车,停在了天津焊接研究所的中间实验室的门口。

国家科委的奔驰轿车,停在了天津焊接研究所的中间实验室的门口。中国发明协会的负责人和科委成果处的处长找我谈话,希望把我发明的建筑铝型材构件的焊接方法和新型焊接材料送到比利时布鲁塞尔参加第47界世界发明展览会进行科技成果评比。但是,积极参加可以,能否获奖我的心里确实没有底。

众所周知,建筑铝型材构件在熔化焊时会遇到以下的困难:


1.金属外表面有一层氧化膜,阻碍着金属之间的良好结合;它的密度为(3.85g/㎝3)比铝及铝合金的密度(2.6~2.8 g/㎝3)要大的多,焊接时很容易产生夹渣。

2.该铝合金的导热性较大,要求焊接时用大功率或能量集中的热源,有时还要求对工件进行预热。

3.该铝合金的线膨胀系数较大,焊接变形量也较大。若工艺措施采用不当,容易产生焊接裂纹。

4.焊接时焊缝容易出现气孔

5.焊接时金属的固态和液态的色泽不易区别,焊接操作掌握温度困难;高温时铝及其合金的支撑力差,易引起熔池金属塌陷或下漏。

6.焊后表面进行氧化处理时,颜色与光泽很难完全一致。

特别是热处理强化铝合金,其中包括硬铝(LY××)、超硬铝(LC××)、锻铝(LD××)。经过固溶、淬火、时效等工艺后,虽然可以提高其力学性能,经过热处理后其抗拉强度也会显著提高。但往往使焊接性变差。特别是在熔化焊(TIG、MIG)时,产生焊接热裂纹的倾向性较大,使焊接接头的力学性能严重下降,难以满足使用需要。尤其是在焊接建筑铝型材构件时,往往由于过大的内应力,从而在结晶温度区间内产生热裂纹,这也是最常见的严重缺陷之一。

所以,为了解决和防止焊接过程中的开裂问题,必需对其合理的焊接方法和工艺进行开发研究。

由于建筑铝型材强度高,不易变形,使铝型材构件在焊接过程中产生较大的拘束应力和焊接应力。

通过变质处理或异质处理能够起到避免或消除脆性相的作用,改善焊接性能。

即根据设计和使用要求,调整焊缝组织结构,使之获得最佳性能,与母材性能匹配。

所以,我们采用了调整焊丝成分和改变焊缝组织的方法防止裂纹的产生。同时,还采用合理的焊接工艺方法防止热裂纹的产生;这些都是有利的和有必要的。

如果按照:“同材质、等强度”的选择焊材的原则,进行熔化焊接就不可避免的出现树枝状的SiMg脆化相的脆性组织。使建筑铝型材构件得不到可靠的质量保证,我们通过在生产实践中、历经反复实验,得出以下结论:


1.选用与母材合金成分不完全相同,但与母材有较好相容性的焊丝,可以使之焊缝接头既具有较好的抗裂性,焊缝接头还能有较高的力学性能。

2.在焊丝中增加一些微量元素调整及其含量,能够使其在焊丝与母材的匹配中起着重要的、意想不到的特殊作用。

3.通过调整焊缝组织结构,可以改善焊接工艺性能。

在研究试制铝合金焊丝的时候,由于焊接填充材料中加入变质剂,可根据设计和使用要求,调整降低焊接内应力,提高铝型材的接头强度、韧性,消除开裂倾向,同时也在一定程度上改善了接头的导电性和导热性等使用要求。

往焊丝材料成分中添加B、Si……等非金属微量元素。通过焊接时产生的异质处理和变质处理,使原来焊缝中的树枝状SiMg脆化相在熔化焊过程中,改变成为细小的等轴晶和细小的柱状晶的混合晶态组织。

这种铝合金的混合晶态组织,历经反复实验:其抗裂性能非常好,能够有效地解决建筑铝型材构件焊接时容易出现焊接裂纹的难题。

例如:在焊接建筑铝型材构件时,如果使用AlSi5铝合金焊丝,焊缝强度虽然较高,但容易出现裂纹。若采用AlSi10铝合金焊丝,虽然焊缝塑性较好,但焊缝的力学强度又较低。

如何解决这项世界焊接难题,

现实摆在了我们的面前。

我们发明配制了AlSi7TiB焊丝,它的化学成分介于AlSi5和AlSi10之间。它综合了三者的优点,避免了二者的缺点。有效地解决了SiMg脆化相铝合金在熔化焊时,易产生裂纹的难题。

因为AlSi10铝合金焊丝适用于建筑铝型材的钎焊方法,AlSi5铝合金焊丝适用于建筑铝型材的熔化焊方法。AlSi7TiB铝合金焊丝则使焊缝处于半熔化焊半钎焊状态,加之B(硼)在焊接过程中起到了细化晶粒作用,Ti(钛)在焊接过程中不但起到细化晶粒作用,还能进一步提高焊缝的强度。

采用AlSi7TiB焊丝焊接的建筑铝型材构件的焊缝,其组织状态呈现为细小的等轴晶加细小的柱状晶的混合晶态。

这种金属的金相组织,经大量实践证明:具有良好的抗裂性。所以,特别适用于焊接建筑铝型材构件。

新型铝合金焊丝的开发:

在此前论述的含5%Si的Al—Si焊丝焊接铝合金的“愈合”作用和添加Ti、B、Zr、V变质剂细化晶粒的作用。

根据上述原理,我们研制开发了AlSi7TiB焊丝,焊丝中的Si含量达7%,同时又加入了0、3%的Ti和0、2%的B,不仅提高了抗裂性,还细化了晶粒。

新型AlSi7TiB铝合金焊丝的工程应用:

用AlSi7TiB铝合金焊丝在新型潜艇部件、海洋资料浮标等多项铝合金结构中获得了应用,并取得了成功;下面介绍新型潜艇部件焊接的应用实例。

新型潜艇部件的结构

部件结构如图所示。底板的材质为6005,前后墙板的材质为6063(LD31),侧板的材质为2024(LY12),是由三种不同型号的铝合金构成。

潜艇部件结构(示意)

A.底板DCGH的材质为6005

B.前后墙板EFGH与ABCD的材质为6063(LD31)

C.侧板AEHD与FBCG的材质为2024(LY12)

(1) 焊接材料和焊接方法

2024与6063、2024与6005、6063与6005三间的角焊缝均采用TIG方法和新研制开发的AlSi7TiB合金焊丝。

(2) 金相组织

用AlSi7TiB铝合金焊丝和TIG方法,焊接6063(LD31)铝合金的焊接接头金相组织

如照片3所示。

(a)  200×    

        (b)  200×             

(c)  200×

铝合金焊接接头金相组织

(a)母材         (b)溶合区          (c)焊缝

从金相照片中可以看出:

1)母材的组织是细小的化合物弥散分布在α固溶体中;

2)熔合区熔合良好,HAZ不明显;

3)焊缝组织基本为等轴晶,有少量的柱状态。

4)效果:潜艇部件焊接后,外观检验合格,经使用效果良好。

通过本项目的开发研究表明:

1) 高强度的铝型材构件的焊接,必须选择具有一定变形能力又具有较高焊缝强度的匹配材料进行焊接,可克服铝型材构件的开裂倾向。

2) 针对建筑铝型材构件的焊接,本项目研究采用具有消除脆性化合物作用的填充焊丝,能过保证焊缝的强度和韧性要求,克服了常见的建筑铝型材构件的焊接开裂问题,采用一般焊接工艺参数即可保证其焊接质量要求。

3) 根据铝型材构件焊接接头表面要求,可采用内层为抗裂性好的匹配材料,表层为同材质或有特定要求的焊接材料以保证使用要求。

此项目经鉴定,认为达到国际领先水平。

两位领导听完汇报后,将本人所写的介绍材料、试制的焊丝和焊接的试件,都带到了比利时的首都布鲁塞尔,代表中国参加了1998年世界发明展览会。

在欧洲比利时的首都布鲁塞尔世界发明展览会上,来自世界各国的焊接评审专家们都对此项发明非常感兴趣,尤其对它的新颖性,实用性及经济性,都给予了极高的评价。

一致认为该项发明创造,推动扩大了建筑铝型材构件的应用范围与焊接技术的发展。在理论上首次提出了调整焊缝组织结构、改善焊接工艺性能”的分析见解,AlSi7TiB焊丝属于国际首创,达到世界领先水平;一致审议通过并授予了第47届布鲁塞尔尤里卡奖。

这是我首次在焊接材料方面获得国际大奖。

在比利时首都布鲁塞尔

布鲁塞尔尤里卡奖证书

现在此焊接方法及其焊丝已经得到了普遍和广泛地运用,随处可见的铝合金散热器,铝型材建筑结构,铝合金车辆和舰船,送变电铝合金管母线等等都是运用该焊接方法的代表作。

SiMg脆化相铝合金焊接金相检测报告

1998年获得了布鲁塞尔尤里卡奖后,2000年经过天津市焊接研究所杨振林副所长提议,并加以改进,以“改善建筑铝型材构件焊接性工艺技术研究”为科研课题,申报了天津市科学技术进步奖。

该项目再审核鉴定时,被科技成果评审专家们称之为:“从天津市焊接研究所建所至今,有史以来,这是天津市焊接研究所的科研成果中最亮的一个亮点”。

“改善建筑铝型材构件焊接性工艺技术研究”的科研课题,被天津市政府授予了天津市科学技术进步二等奖。

本人还获得天津市政府颁发的奖金人民币壹万元整。

为了表示对同志们帮助的感谢,我拿出伍仟元作为奖金发给大家。

为了表示对党培养的报答,我拿出剩余的伍仟元作为党费全部上缴给党。

《醉垂鞭 ·EUREKA》(注)


脆断原因寻,

等轴晶粒出现。

混合晶态匀,

脆裂已不存。


获得EUREKA,

硅镁脆?

能改善!

熔焊铝合金,

建筑构件群。

 注:1998年,ALSi7TiB焊丝焊接SiMg脆化相铝合金取得成功,并获得布鲁塞尔尤里卡奖。

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