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表面处理件的焊接工艺研究

作者: 湖南固特瑞  浏览量:312  发布时间:2021-01-04

近年来,由于我国轨道交通设备的突飞猛进,金属焊接件焊后表面处理在轨道车辆方面的应用越来越广泛。
碳钢件的防腐能力很差,需要通过表面处理提高防腐能力。碳钢件镀锌成为防腐的主要处理方式之一。但碳钢件的表面处理,特别是焊接件的表面处理,通常会出现吐酸、镀锌层残缺等缺陷。在实际解决问题中,由于焊接和表面处理两道工序上下相互连接、相互影响,往往出现镀锌不合格时,焊接工序和表面处理工序互相推诿扯皮的现象,使问题更扑朔迷离,难以解决。
铝合金材料的产品经表面处理后,既可以防腐蚀又有装饰的作用。例如轨道车辆的侧窗窗框,通常采用阳极氧化的表面处理方式。在铝合金母材材质合格的情况下,表面氧化的铝合金很少出现外观质量问题。但因为铝合金的焊接气孔问题,焊接窗框的焊缝和热影响区域位置却经常导致外观质量的不合格现象。实际问题解决中,问题往往受多种因素影响,难以找到准确原因从根本上解决。
综合以上两种材料,研究如何避免这些缺陷成为焊接工艺必须考虑的问题。
1 钢焊接件镀锌缺陷
1.1 缺陷现象
1)焊缝表面镀锌层残缺
2)未焊接的缝隙吐酸,造成镀锌层腐蚀
1.2 缺陷形成原因分析
1)焊缝表面镀锌层残缺
碳钢焊接件由于使用手工电弧焊(E 111)、CO2气体保护焊、金属熔化极活性气体保护焊(MAG 135)等焊接方法,焊后焊缝表面形成焊渣、氧化皮等类硅酸盐化合物。焊接后虽然大部分氧化皮都可以清理掉,但通常有些夹渣会嵌入焊缝,机械方法很难清理干净。由于硅酸盐基本不溶于普通酸碱,即使镀锌前化学预处理也很难去除。电镀工艺依靠离子在金属表面放电达到堆积沉淀作用,镀锌时,因夹渣基本不导电,表面就无法镀锌,最终形成局部镀锌层残缺。
2)镀锌层腐蚀
碳钢焊接件,由于非封闭焊缝设计、零件存在制造公差和装配时存在间隙等原因,焊后常常存在很多缝隙。当进行镀锌前处理工序时,镀锌各工序槽液分别进入缝隙内,由于缝隙能够含藏槽液,使各工序之间清洗不彻底,污染槽液的同时,还不利于最终的烘干工序。镀锌后缝隙中钝化液没有清洗干净,烘干不彻底,残留液体水分减少,浓度上升,腐蚀周边镀锌层;彻底风干后,当遇到潮湿环境时,经过一段时间后,烘干的钝化液成分在空气中吸收水分,逐渐从缝隙中膨胀出来,形成吐酸。
1.3 解决措施
1. 焊接工艺中控制焊接方法的使用
避免使用手工电弧焊、药芯焊丝气体保护焊、埋弧焊等有药皮的焊接方法,推荐使用钨极氩弧焊(TIG 141), 合格的焊工可以达到焊缝表面成型美观,表面成型后基本无焊渣和氧化皮,即使有少量,也易于机械清理。
2. 做好焊接前表面清理工作
焊接件表面的氧化皮、油污、尘土等杂质都有可能在焊接时形成夹渣,导致镀锌前处理不干净,形成镀锌缺陷。从源头上铲除污染源,可以有效杜绝焊渣的产生。实际生产中,建议彻底完全的去除碳钢件所有表面氧化皮露出金属光泽,清理方法除了机械打磨外,推荐使用整体喷砂或抛丸工艺。注意只清理焊缝周围的氧化皮只能满足焊接要求,而且会造成镀锌后表面差异。
3. 优化焊接结构,封堵吐酸缝隙。
焊接结构的设计中,通常采用间断焊接方式来控制焊接变形,但在镀锌件上,间断焊接往往让表面前处理工序一筹莫展,叫苦不迭!在焊接变形可以接受的条件下,尽量将间断焊改为封闭连续焊接,使酸碱液体无处躲藏,彻底根除吐酸。不但能增加强度,还能使焊缝连续美观。
2 铝焊接件喷塑和氧化缺陷
2.1 缺陷现象
铝合金表面处理缺陷由于采用TIG焊接方法,不存在夹渣现象,一般都是表面和内部气孔缺陷。
2.2 缺陷形成原因分析
喷塑表面拱出的气孔和氧化表面气孔主要成因是焊接气孔。
铝合金的焊接在环境湿度大(相对湿度>60%)的时候,特别在夏天多雨季节,焊缝内部气孔是无法完全避免的。焊接过程中,水在电弧作用下分解为氢气和氧气,其中氢气在液态铝合金熔池中的溶解度远大于在固态铝合金中的溶解度,导致在熔池冷却过程中,多余的氢气溢出,形成氢气孔。在湿度高的环境中,母材表面、保护气体中、焊丝表面都有水份的存在,即使湿度控制在60%以下,通过工艺评定认可的焊缝,焊缝中也不可能完全没有气孔。
这些气孔离散分布在焊缝内部,当焊缝打磨面恰好穿过气孔,化学抛光前处理就可以看到“明气孔”;当打磨面在临近气孔上方时,前处理环节看不到气孔,但在喷塑加温过程中这种“暗气孔”会因孔内气压升高而爆裂,在喷塑表面形成拱出型气孔;在氧化过程中会因为氧化工艺的前处理,化学抛光腐蝕致使气孔直径变大,从微观气孔变为可视气孔,从而影响外观。
2.3 解决措施
1.严格控制焊接环境湿度
经过大量生产经验数据的积累,证实只有当环境相对湿度<30%时,焊缝内部气孔的数量和大小才会大幅减少,才不会对表面处理件的外观产生显著影响。
2. 提前预热烘干去除水分
因条件限制,湿度无法更好的控制时,可以采用烘箱预热焊接件、焊接材料,烘干表面水汽,预热温度在60-80℃,15-20min。但当大气环境相对湿度很高时(>80%),预热方法也很难奏效。
3.电火花修补技术
以上两种方法都无效的情况下,还可以采用事后修补措施,以达到表面处理的完美。
当出现气孔后,再用弧焊方法修补,很容易造成焊缝中其它气孔溢出到熔池中,产生新的表面气孔。修补效果很差,往往需要重复多遍也不一定能消除气孔。电火花堆焊修复设备(铸造缺陷修复机),该设备原理类似低温堆焊技术,母材基本不熔化的基础上可以修复气孔缺陷,完全满足喷塑处理要求;但因堆焊金属与焊缝金属组织差异较大,存在色差,难以应用在基材金属组织可见的氧化处理修复中。
3 结  论
1.钢焊接件的表面缺陷控制措施:
通过控制焊接方法来减少焊缝表面夹渣生成;
同时严格进行焊前清理;
优化焊接结构,封堵缝隙;
2.铝焊接件的表面气孔缺陷控制措施:
控制焊接环境湿度<30%;
整体预热烘干焊接件及焊接材料;
电火花堆焊修复。