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1、金属型铝铸件渗漏修补工艺尝试铸造工程(造型材料)金属型铝铸件渗漏修补工艺尝试杨晓忠林少培(上海交通大学机械动力学院200030)施正庆(I-海皮尔博格有色零部件有限公司200062)摘要介绍了一种利用等离子气瞬时产生高温,使焊材与其周围母材瞬时熔化进行修补铝铸件缺陷的方法,并对修补后零件的密封性及材料的金相组织,抗拉强度及硬度等性能进行了试验.关键词铝铸件缺陷修补TechologicalTestofLeakageMendaboutMetalMoldAIcastingsYangXiaozhongLinShaopei(ShanghaiJiaotongUniversity)ShiZhengqing(
2、ShanghaiPierburgNonferrousComponentCo.Ltd)AbstractByusingplasmatoproduceinstantaneoushightemperature,whichmeltstheweldingmaterialandthesurroundingbasemetalSOastomendaluminumcastingdefects,therepairedpartsaretestedinantileakage,microstructure,tensilestrengthandhardness.KeywordsAluminumcastingDefectMe
3、nd1前言我公司批量生产发动机汽缸盖,进气歧管等铝合金铸件,零件大部分采用金属型重力铸造工艺,材料为A319铸造用铝合金.由于铸件结构复杂,铸件浇冒口系统的设计往往会影响凝固过程中的补缩,造成局部形成疏松甚至微小气孔.有些零件经过气密封测试能够检验出来,有些零件常常在机加工之后才发现.这严重影响到产品质量和生产进度,并增加了生产成本,造成经济损失.常用的善后挽救工艺是采用浸渗方式,但是仍有一部分零件由于缩孔较大而无法修复.用亚弧焊进行修补可以修复局部缩孔,但有时部分薄壁结构受热后变形较大,不能满足零件尺寸精度要求.我们采用了一种新型金属缺陷修补技术为该类铝铸件缺陷修复提供了又一种途径.为了验证
4、该工艺对铝合金汽缸盖密封性和外观缺陷修复的有效性,我们进行了工艺试验和必要的检测.2缺陷修复机理铝及其合金的化学特性活泼,表面极易形成氧化膜,且多属于难熔性质.而且铝及其合金导热性较强,焊接时容易造成不熔合现象.由于氧化膜的密度和铝接近,也容易成为焊缝金属的夹杂物.同时铝的线膨胀系数大,导热性强,焊接时容易产生翘曲变形.目前熔化焊中最常用的亚弧焊是靠”阴极雾化”作用,将氧36化膜破碎,在氩气的保护下使氧化膜无法重生.但是有时在近焊缝区域材料强度大大削弱,同时会产生翘曲变形.该金属缺陷修补技术利用高频+脉冲电压将气体击穿形成等离子气,从而产生温度高达6000C以上的电火花,电火花将可熔性旋转电极
5、(即焊丝)在瞬间和与其接触的母材同时熔化,依靠瞬间高温和旋转焊丝与母材的机械摩擦及旋转电场力的综合作用,使氧化膜破碎,在氩气的保护下,使氧化膜不能重新生成,从而完成焊丝和母材的冶金结合.由于电火花作用时间短,与焊丝直接接触的母材局部熔化,铝的导热性很好,瞬间将输入的热量扩散并散失到空气中,机体几乎不产生温度升高,不会变形.修补后表面经过修挫打磨或机械加工,外观可以和机体保持一致.3A319铸造铝合金修补后的金相组织试验材料:美国标准A319铸造铝合金.热处理状态:淬火+不完全人工时效.焊丝:$311标准铝硅焊丝.试样形式:试样开槽修补,修复后制取金相试样.A319铸造铝合金和$311焊丝化学成
6、分如表1所示.A319是高强度铸造铝合金,属于A1-SiZnMg系合金,具有较高的硬度和强度.由于Mg2Si和MgZn2在Al中的溶解度随温度而改变,因此可用热2005年第4期(总第103期)处理强化.较高的含Si量会使合金存在更多的共晶体,使其具有高的流动性和致密性,从而改善其铸造性能.表1焊材和母材的化学成分/代号SiCuMgZnMnSbFeTjAIA3195.56.534Eo.51.04o.54o.11.040.25余量$3114.56.OO.3O.05O.1O.05O.80.2余量$311焊丝是一种通用的标准焊丝,它的化学成分与A319接近.这种焊丝的的抗裂性非常好.用亚弧焊焊接经热处
7、理强化铝合金时,焊接热影响区大致可分为:1)半熔化区:2)不均匀固熔体区;3)软化退火区.合金在半熔化区中的状况对焊补区的性能影响最大.焊接区的强度基本上取决于半熔化区的组织变化.半熔化区如果产生过烧现象,不仅更加促使在此部位形成热裂缝,而且大大降低焊补区的硬度和塑性.铝合金焊补区在静拉力实验时,往往是沿着半熔化区发生断裂.合金在半熔化区中的强度一般小于母材强度的70.不均匀固熔体区的特征是合金元素在晶粒周围不均匀集中,晶粒比较粗大.软化退火区容易产生粗的晶粒和较厚的网状第二相夹杂物.在进行铝合金修复时,由于加在焊丝和母材之间的是瞬时脉冲电流,超高温使焊丝和母材瞬时熔化瞬时结晶,母材几乎不产生
8、温升,从而不存在热影响区.它的近缝区仅仅存在一个半熔化区,母材的金相组织没有明显变化.从A319半熔化区的显微组织图上可以看出,半熔化区的宽度十分微小,晶粒的大小和母材没有异样,没有出现粗大现象.该工艺在修补时不像一般的熔焊形成熔池,它是靠电火花将旋转电极熔化,同时母材与焊丝接触部分产生局部熔化形成熔融金属的冶金结合.焊缝是非常细小的树枝晶铸造组织,基体也是铸造组织,两者的差别在于结晶方向不一样,因此不存在热影响区对母材强度的削弱.4焊补对抗拉强度的影响为了进行比较,选用LYI2铝板退火组织状态和A319T6状态两种材料做试验.试样分原样,开槽和开孔三种形式.原样试验中LY12铝板试样编号为Y
9、11,Y12,A319铸铝试验编号为Y21,Y22.开槽试验中LYI2铝板试样编号为S111,S112,A319铸铝试样编号为S121,S122,S123.开孔试验中LY12铝板试样编号为S211,S212,A319铸铝试样编号为S221,S222,S223.焊接采用标准焊丝SAISi一1($311),直径3mm.采用多层焊,对开槽试样和开孔试样上的槽和孔进行修补.对修复后的试样和没有进行修补的原样进行拉伸试验,结果如表2所示.从表中可以看出开孔试样比开槽试样抗拉强度削弱要少得多.拉伸试验结果与对近缝区金相组织分析所揭示的结果基本一致.5硬度试验采用和拉伸试验同样的焊接规范焊补开孔试样,焊后测
10、熔敷金属和母材的硬度如表3所示.表2焊补对抗拉强度的影响编号抗拉强度/MPa平均值/MPa与母材比较/编号试值熔敷金属HRB削弱程度/试验值平均值A319T6试样1A319T6试样2硬度试验结果和拉伸试验结果基本对应.处于热处理强化状态比退火状态的试样熔敷金属HRB的削弱程度大,同一材质的试样热处理强化后母材HRB越高,其熔敷金属HRB削弱程度越大.6试验结果分析该工艺方法熔融的金属瞬间熔化瞬间结晶,时间3786834798755O.385455555.O.O.8.738315746552345332.37l57O4285913O333555777铸造工程(造型材料)非常短促,尽管瞬间高温的作
11、用有利于减轻输入热量对近缝区的影响,不会对母材强度造成削弱,也不会引起母材尺寸精度变化,但是由于焊补是一层一层地进行,层与层之间能否致密结合与操作者的作业技巧有一定的关系.致密度会影响焊补区拉伸强度和导致熔敷金属硬度降低.试验结果表明开孔试样比开槽试样焊补后拉伸强度高,所以焊补铸造缺陷时,优先考虑开孔焊补.一般任何熔焊方法都不能使焊补区的强度达到母材强度,尽管这种新方法可能会影响焊缝力学性能,但不会影响焊缝的致密性,焊缝和母材宏观上是一致的.因此,这种新型的熔焊修补方法是可行的.(上接第21页)化如表1所示;实验室模拟生产试验检验结果如表2所示.1.2对硅砂的要求硅砂作为生产激冷覆膜砂的主要材
12、料之一,对覆膜的性能指标(质量强度)的影响是不可忽视的因素.采用经焙烧过的大林或围场硅砂,灼减量可由0.4下降到0.159/6以下,相变膨胀和高温膨胀经试验可以降低5O%左右,以防止砂芯的膨胀变形而减少铸件的变形量.同时严格控制140目筛和200目筛的砂含量,增加型芯的透气性和防止粉尘堵塞射砂嘴.1.3树脂的选择目前国内生产的树脂性能各有特点,而要同时满足多种功能的树脂几乎还没有,因此树脂的产地和特性的选用对激冷砂的生产至关重要.在制定生产工艺时我们采取互补不足的方法,以两种或两种以上的树脂复合使用,使树脂的综合性能得到充分地发挥,尽量降低由树脂引起的如制芯过程和浇注过程中的其它问题.1.4辅
13、料的确定经焙烧的原砂和激冷材料对预防砂芯变形有一定的作用.为了更有效地降低砂芯的膨胀率,提高激冷覆膜砂的高温性能,在激冷覆膜砂里添加高温下具有提高砂芯耐高温时间的复合型添加剂ABL粉,加入量占树脂的8.5%.1.5激冷覆膜砂各项技术性能检测指标CFS-JL激冷覆膜砂的技术性能检测指标如表3所示.表3CFSJL激冷覆膜砂的技术性能检测指标2激冷覆膜砂的特点关于铸件的渗漏性缺陷问题,传统的解决方法是从工艺上设计冷铁对局部进行激冷,以提高浇注时金属液的过冷度增设冒口,对铸件采取相应的凝固顺38序或改变合金某些化学成分来消除或减少渗漏量.但是,由于产生和影响渗漏性缺陷的因素很多,机理也很复杂,往往控制
14、起来也存在一定的难度.而激冷覆膜砂兼有金属型或冷铁的激冷作用,且不受设备,工艺,工装的影响,尤其是不受铸件的结构和复杂程度的限制.由于激冷砂导热率高,制芯速度快,最大限度地避免激冷砂浇注时因产生二次固化而增大的发气量,同时制芯废品率也会降低.另外激冷砂对铸造中的气孔,粘砂,裂纹也有一定的抑制作用,大大提高铸件的综合合格率.激冷砂不仅适用于合金铸铁,也适用于有色金属类铸件生产.3激冷覆膜砂的生产应用根据某铸造厂生产康明斯36B缸体所提供的信息和数据表明,使用耐高温,高强度,低发气CFSJL激冷覆膜砂后,效果非常明显,解决了检验缸体渗漏量指标,从300mi下降到18mi的要求,水道芯相关部位的缸体
15、渗漏废品率得到了有效的控制,从以前的9.57%下降到1.5%左右.最终使CFSJL激冷覆膜砂在康明斯6B缸体水套芯上得到大批量使用.另外,采用激冷覆膜砂生产的缸体铸件材质,力学性能,与之相关部位的表面质量全部达到康明斯公司技术标准要求,更重要的是东风气车公司,由于产品质量提高,供应给康明斯公司的6B缸体数量增加数倍.首次供应某厂的CFSJL激冷覆膜砂(试生产用)各项技术参数如表4所示.经试用效果很好,目前已大批量供货.表4试生产用激冷砂的各项性能指标热拉冷拉热弯冷弯灼减发气量粒度集中平均熔点膨胀MPaMPaMPaMPaml/g一率细度率4结束语1)激冷覆膜砂对解决铸件的渗漏性缺陷有独特的优势.2)对铸造工艺和工装无特殊要求,适应性强.3)提高生产率,降低综合废品率,效益明显.4)在铸造领域中,激冷砂对推动造型材料的发展将产生积极影响.