7A10鋁合金焊接裂紋的成因及預(yù)防對(duì)策探討

聶洪剛，王 鑫，孫東東

（中國(guó)中車長(zhǎng)春軌道客車股份公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

作為當(dāng)前工業(yè)制造領(lǐng)域中常見的材料，鋁材應(yīng)用中需配合金屬焊接技術(shù)，通過焊接使材料在結(jié)構(gòu)上改變，提高鋁材的綜合性能。盡管焊接處理方式下在提高鋁合金質(zhì)量方面效果明顯，保證鋁合金在其應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，但如何使鋁合綜合性能提高，需在焊接各方面有效控制。因此，本文對(duì)7A10鋁合金焊接裂紋的成因及預(yù)防對(duì)策相關(guān)研究，有十分重要的意義。

1 鋁與鋁合金焊接相關(guān)概述

1.1 鋁與鋁合金焊接基本特征

相比碳素鋼、低合金鋼，鋁合金在比熱容與熱導(dǎo)率上更高。焊接中，許多熱量從看鋁合金傳導(dǎo)，所以焊接過程中有較多能量在熔化金屬熔池中消化，且金屬其他部位也有大量熱量消耗。對(duì)此情況，焊接過程中應(yīng)考慮能量消耗控制問題，可采取預(yù)熱工藝措施等[1]。

1.2 鋁合金焊接常見問題

盡管鋁合金在各方面性能上有較多優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際做焊接處理中，可能出現(xiàn)的問題較多，具體表現(xiàn)為：第一，裂紋形成。裂紋問題在鋁合金焊接中發(fā)生可能性較高如凝固狀態(tài)下，體積收縮，焊接變形可能性較高，加之焊接中近縫區(qū)內(nèi)焊接金屬影響，有熱裂紋或液化裂紋情況，若易熔共晶體較多，也將導(dǎo)致凝固裂紋出現(xiàn)。第二，易氧化。鋁合金焊接中，與空氣接觸后可能有氧化情況，氧化后的鋁在熔點(diǎn)上較高，一旦出現(xiàn)氧化情況，將有較多缺陷出現(xiàn)，如未熔合、未焊透或夾渣生成，一旦鋁表面有過多水分附著，或出現(xiàn)氧化膜，將導(dǎo)致焊縫有氣孔出現(xiàn)。第三，焊接過程中產(chǎn)生氣泡。由于高溫下的的鋁合金在向由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中易產(chǎn)生氫氣，而由于鋁合金物態(tài)中幻化的這一過程發(fā)生的時(shí)間較快，分解出來的氫氣在鋁合金固化時(shí)不能及時(shí)的排放就被凝固在固體中，因此在焊接過程中就極易產(chǎn)生因氫氣而形成的氣泡孔。此外，焊接頭抗腐蝕性降低，焊接過程中，由于各種外界因素的干擾以及實(shí)際操作過程中的消耗，會(huì)導(dǎo)致焊接頭的抗腐蝕性低于原材料。產(chǎn)生這種情況的原因首先歸因于焊接過程中的消耗和磨損，打亂了焊接頭部的物質(zhì)分布，因此會(huì)出現(xiàn)電位的不穩(wěn)定現(xiàn)象?；蛞蚝附宇^的純度不高，其中含有大顆粒的雜質(zhì)，出現(xiàn)腐蝕問題。這些問題的存在，均可能導(dǎo)致氯化金綜合性能降低[2]。

2 7A10鋁合金焊接裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 7A10鋁合金焊接裂紋類型與原因

7A10鋁合金在當(dāng)前許多制造領(lǐng)域中應(yīng)用極為常見，焊接中出現(xiàn)裂紋的可能性也較高。從這種裂紋類型看，主要以熱裂紋為主，為鋁合金焊接接頭焊接裂紋，產(chǎn)生原因歸結(jié)于低熔點(diǎn)物質(zhì)合金元素偏析。

對(duì)于這種熱裂紋，有液化裂紋、結(jié)晶裂紋之分，其中液化裂紋的產(chǎn)生，多表現(xiàn)在熱影環(huán)境下收縮力對(duì)結(jié)晶產(chǎn)生作用，而結(jié)晶裂紋通常為低溫區(qū)下產(chǎn)生的結(jié)晶。對(duì)于7A10鋁合金，以結(jié)晶裂紋最為常見，該類型的裂紋以不同方式呈現(xiàn)，如顯微裂紋、焊根裂紋、坑裂紋以及橫向裂紋等。該類型鋁合金，本身有塑性差、高溫強(qiáng)度低、體積收縮率與膨脹系數(shù)高，受冷熱影響變化均較為明顯，若焊接過程中未能做好溫度控制，將增加裂紋發(fā)生可能性[3]。

2.2 7A10鋁合金焊接裂紋出現(xiàn)影響因素

裂紋在7A10鋁合金焊接中的出現(xiàn)，有多方面原因，具體表現(xiàn)為：①焊合合金中，有不合理的化學(xué)成分；②不當(dāng)?shù)臋C(jī)加工裝配配合方法，增大焊接應(yīng)力，如裝配時(shí)較大的剛性，焊縫根部有較大間距等；③焊接過程中選擇的工藝參數(shù)不合理，如焊接線速度、焊接電流等；④焊接操作不規(guī)范，如冷卻操作不當(dāng)或預(yù)熱操作不當(dāng)，致使焊接應(yīng)力增加。針對(duì)焊接裂紋問題，實(shí)際處理中需考慮結(jié)合這些因素，采取有針對(duì)性的控制措施，保證焊接質(zhì)量[4]。

3 7A10鋁合金焊接裂紋有效控制策略

3.1 焊接方式合理選擇

針對(duì)當(dāng)前7A10鋁合金焊接裂紋問題，首先考慮在焊接方式上合理選擇。從近年來大多研究與實(shí)踐看，在焊接方式選擇上以熔極氬弧焊方法效果最佳。該方法應(yīng)用下，強(qiáng)調(diào)通過射流過渡，獲取較大的電弧功率，且焊接過程中，焊接時(shí)間較短，熔透性好，集中輸入熱量，取得較高的生產(chǎn)效率。另外，在熱影響區(qū)中焊接接頭所受影響較小。因此，在焊接方式選擇中，取熔極氬弧焊方法，對(duì)幫助控制焊接變形，降低焊接熱裂紋傾向可發(fā)揮重要作用。

3.2 焊接工藝規(guī)范的明確

焊接工藝規(guī)范是焊接過程的主要參考指導(dǎo)。焊接工藝參數(shù)確定中，應(yīng)綜合考慮各類工藝參數(shù)，如焊接電流、坡口尺寸、焊絲直徑等，這些參數(shù)指標(biāo)均需納入規(guī)范中。以壁厚較大管形件為例，焊接中應(yīng)在焊接速度上控制，使焊接電流增大，必要在電弧電壓上加大，使焊道加寬，降低裂紋發(fā)生可能性。同時(shí)，焊接過程中，若能保證電弧焊接熱能集中，對(duì)幫助解決過熱情況效果理想，降低裂紋發(fā)生可能性。另外，焊接裝配時(shí)，需保持適當(dāng)?shù)暮缚p根部間距，其目的在于使焊縫剛度降低，焊接應(yīng)力控制，降低裂紋發(fā)生幾率[5]。

3.3 焊接材料的選用

焊絲化學(xué)成分不當(dāng)，對(duì)焊接質(zhì)量有較大影響，若其成分合理，可保證焊接過程中在預(yù)防結(jié)晶裂紋產(chǎn)生方面發(fā)揮重要作用，且提高焊接接頭的抗腐蝕破裂以及力學(xué)性能。以7A10鋁合金材料為例，為保證其焊接特性，如5A33鋁合金焊絲，其含量適當(dāng)，有較好的金屬流動(dòng)性，且凝固狀態(tài)下收縮率低，抗裂性能優(yōu)良。另外，在焊接材料選用中，應(yīng)注意焊絲在低熔點(diǎn)共晶上數(shù)量足夠，確保液態(tài)金屬收縮所產(chǎn)生的空隙得以填充，裂紋發(fā)生率降低。有研究實(shí)踐中提出，若取微量Zr加入到焊絲中，發(fā)揮其變質(zhì)劑作用，確保焊縫處金屬晶粒被細(xì)化，以此使焊縫金屬韌性、塑形得以改善，接頭抗裂性能也因此得到提高[6]。

3.4 焊接操作規(guī)范性提高

鋁合金焊接中，在操作規(guī)范性要求上較高。如焊接前需采取有效的預(yù)熱措施，對(duì)焊件預(yù)熱處理，使焊接中熱導(dǎo)出量較低，特別氣溫較低如冬季環(huán)境下，預(yù)熱處理更加重要，可在溫度為100-150℃的加熱爐中預(yù)熱，避免溫度過高，致使金屬晶粒增大或增寬熱影響區(qū)。經(jīng)過預(yù)熱處理后，需及時(shí)焊接，在焊接溫度呈梯度降低情況下，減緩熔池金屬凝固速度，其對(duì)幫助控制焊接件變形、焊接應(yīng)力方面作用明顯。另外，焊接結(jié)束后，對(duì)焊接件需采取有效的處理措施，一般直接置于爐中，伴隨爐內(nèi)溫度降低而使其自身溫度緩慢下降，保證冷卻速度合理，且降低熔池金屬凝固速度，焊接變形、焊接應(yīng)力等下降，焊接裂紋的產(chǎn)生也將得到控制[7]。

3.5 強(qiáng)化焊接人員綜合素質(zhì)

在焊接鋁合金的作業(yè)過程中，要保持周圍環(huán)境的整潔以及相對(duì)干燥的氣體環(huán)境下，同時(shí)要避免因外界因素的影響。焊接作業(yè)過程中對(duì)環(huán)境要求較大，要求其周圍氣溫控制在30℃以內(nèi)，同時(shí)氣體環(huán)境濕度也要保持在75%范圍內(nèi)，在保護(hù)氣體選擇上，一般以純度較高的惰性氣體氬氣為主。此外，焊接過程中，鋁合金的物態(tài)發(fā)生變化時(shí)，從表面上很難做分辨處理，這也對(duì)工作人員的能力有很高的要求。所以在實(shí)際操作前，要提前對(duì)工作者的的技能能力做培訓(xùn)和考核，以符合實(shí)際工作要求[8]。

4 結(jié)論

7A10鋁合金焊接是鋁合金材料處理的主要方式。從鋁合金材料應(yīng)用的特征看，有較多明顯優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際焊接中，受多種因素影響，出現(xiàn)焊接裂紋的可能性較高，極大程度上制約材料綜合性能的提高。而解決該問題的關(guān)鍵在于選擇有效的控制措施，如焊接方式的合理選擇、焊接工藝規(guī)范明確、焊接材料選用、焊接操作規(guī)范提高以及強(qiáng)化焊接人員綜合素質(zhì)。這樣才能使7A10鋁合金焊接質(zhì)量提高，保證材料的綜合性能。