關(guān)于高強(qiáng)鋁合金焊接的研究

但 龍，馬 君，楊 釗

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著高強(qiáng)鋁合金在各行各業(yè)中應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，焊接質(zhì)量的高低成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)，對此，需要結(jié)合高強(qiáng)鋁合金的特殊性能，探索提升焊接質(zhì)量的方法，以為高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)用提供可靠性支撐。

1 焊接特點(diǎn)

1.1 熱裂紋

對于高強(qiáng)鋁合金而言，熱裂紋的控制既是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。熱裂紋的形成基于高強(qiáng)鋁合金的特性，因?yàn)楦邚?qiáng)鋁合金具有較大的線膨脹系數(shù)和較寬的脆性溫度區(qū)間（BTR），在凝固的時候往往收縮率比較高，所以在焊縫凝固時，也像的存在會讓晶界的結(jié)合力逐漸變?nèi)?，進(jìn)而會在拉壓力的關(guān)系下形成熱裂紋。

1.2 接頭“軟化”

所謂“軟化”，主要是指在進(jìn)行焊接行為后，焊接接頭處的強(qiáng)度低于母材的一種加工行為。此種“軟化”現(xiàn)象也是一類關(guān)鍵技術(shù)，并且此種問題和其導(dǎo)致的使用壽命大幅度縮短現(xiàn)在已經(jīng)成為了制約高強(qiáng)鋁合金發(fā)展與使用的重要瓶頸。

1.3 焊接變形

焊接時發(fā)生變形問題會影響接頭的最終尺寸與精度。在實(shí)際生活中，焊接變形主要有以下幾種分類，即：縱橫向收縮變形、角變形、錯邊變形、撓曲變形、波浪變形以及螺旋變形[1]，之所以會有諸多的變形問題，主要源于焊接熱循環(huán)和焊縫收縮，尤其是在對薄板鋁合金進(jìn)行焊接時，因?yàn)殇X合金的線膨脹系數(shù)比較大，所以很容易產(chǎn)生波浪變形。另外，受焊接熱源的外部作用，焊接區(qū)域的在高溫下快速熔化，被焊接材料急速膨脹，但又因周邊冷區(qū)域的限制，就會出現(xiàn)熱應(yīng)力。與此同時，伴隨著溫度的升高，材料所具有的屈服極限會有所下降，接受焊接的區(qū)域便會受到塑性壓縮。在冷卻時則正好相反，高溫區(qū)域在冷卻的時候，受周邊冷金屬的約束，不會產(chǎn)生同步收縮，也就不會受到塑性拉伸，此時拉伸塑性應(yīng)變難以抵消擠壓塑性應(yīng)變，導(dǎo)致的后果便是構(gòu)件中會留存有殘余變形與殘余應(yīng)力。

1.4 氣孔

根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，高強(qiáng)鋁合金之所以會產(chǎn)生微小空洞，主要是因?yàn)闅?。在鋁合金的溶解度中，氫的凝固點(diǎn)會發(fā)生變化，從69mL/100g轉(zhuǎn)變至0.036mL/100g[2]，幾乎相差20倍，所以在熔池發(fā)生凝固的時候，之前溶入的大部分氫都會析出，進(jìn)而形成氣泡。加之鋁合金的比重較輕，熔池中的氣泡上升速度緩慢，在鋁合金導(dǎo)熱能力之下，氣泡難以在短時間內(nèi)溢出，滯留在內(nèi)的氣泡便會成為氣孔。

（5）導(dǎo)熱性強(qiáng)

高強(qiáng)鋁合金的另一個特點(diǎn)是熱導(dǎo)率大，所以在同樣的焊接速度之下，這種材料所需的焊接熱輸入要比普通鋼材的熱輸入大2-4倍，但也不能因此就注入過量的熱輸入，過量的熱輸入會出現(xiàn)波浪變形和“軟化”，因此使用非發(fā)散性質(zhì)的高能量熱源進(jìn)行焊接，方能保證焊接的質(zhì)量。

2 焊接方法

基于高強(qiáng)鋁合金這種材質(zhì)所具有的應(yīng)用前景與綜合性能，人們一直在尋求高效且新型的焊接技術(shù)，以期能用低成本投入獲得高性能的接頭，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.1 TIG焊

這種焊接方法相對比較傳統(tǒng)，其應(yīng)用優(yōu)勢是：第一，不論是熔池還是電弧，都有操作方便以及可見性好的優(yōu)點(diǎn)；第二，焊接過程中留下的熔渣很少，甚至沒有，所以就無需進(jìn)行焊后清渣工作；第三，能夠完成小電流焊接，所以這種方法常用來焊接薄板；第四，這種方法在使用時會有陰極霧化效果，所以能夠有效破碎高強(qiáng)鋁合金外層的氧化膜，為焊接工作的進(jìn)行提供便利。應(yīng)用劣勢是：較之高能束焊，TIG焊所需的熱輸入量比較大，焊縫的深寬也很小，所以接頭軟化問題比較突出。

2.2 MIG焊

使用MIG焊接方法時，需要使用氬氣（Ar）或是氦氣（He）兩種惰性氣體。因?yàn)槎栊詺怏w會產(chǎn)生保護(hù)作用，并且氬氣的收縮效應(yīng)較低，所以電弧的燃燒較為穩(wěn)定，而熔滴在想熔池過渡的時候也比較平穩(wěn)，不會有激烈的飛濺，由此這種方法很適合用于高強(qiáng)鋁合金的焊接。較之TIG焊接方法，MIG焊接方法一方面具有焊接熱輸入少，能夠緩解接頭軟化問題的優(yōu)勢，另一方也具有提升生產(chǎn)效率的優(yōu)勢，但是該種焊接方法的劣勢也很明顯，即不是很穩(wěn)定。

2.3 等離子弧焊

實(shí)驗(yàn)表明，借助電磁、機(jī)械以及熱這三者的作用進(jìn)行壓縮后，會使電弧的能量變得更加集中。所以隨后人們就將這種原理應(yīng)用于焊接，并稱做“等離子弧焊”。這種焊接方法的不足之處在于：焊接的穩(wěn)定性不強(qiáng)，表現(xiàn)在電弧以及焊縫質(zhì)量兩個方面都不是很穩(wěn)定。

2.4 真空電子束焊

這種焊接方法是一種較為先進(jìn)的焊接方法，其優(yōu)勢是：第一，對于焊縫的定位較為精確，在重復(fù)性與精度方面的誤差可以達(dá)到0%；第二，穿透深度達(dá)，深寬比也較高，一般來講，深寬比最高可以大于10:1[3]；第三，焊縫非常純凈，呈現(xiàn)鏡面狀，不會出現(xiàn)氧化的缺陷，所以比較適宜于焊接活潑金屬；第四，這種焊接方法是電子束具有的能量密度比較高，可以把焊接的金屬快速加熱到較高溫度，所以能夠用以熔化難熔金屬，并且還具有焊速快、變形小、熔深大的優(yōu)勢。

劣勢是：第一，焊接對于環(huán)境的要求較高，需要在真空室進(jìn)行，所以工件的形狀和尺寸會受此因素的影響；第二，對于焊接之前的裝配精度以及加工技藝的要求高；第三，焊接易受散雜磁場干擾而具有不穩(wěn)定性；第四，在焊接時會產(chǎn)生X射線，容易損害人體健康；第五，所需的焊接設(shè)備價(jià)格昂貴。

2.5 激光焊

激光焊使用的熱源是激光束。激光焊有兩種類型，其一是熱導(dǎo)焊，這種類型的焊接方法使用的激光功率較小，焊接材料在吸收激光后，表面會逐漸熔化，通過熱傳導(dǎo)會形成熔池，使用此種焊接方法，熔深淺且深寬小；其二是深熔焊，這種類型的焊接方法使用的激光功率較大，一般來講，工件在吸收了激光后，會產(chǎn)生熔化甚至汽化的現(xiàn)象[4]，然后被熔化的金屬會形成小孔，也即激光通道。

3 質(zhì)量控制

3.1 針對熱裂紋

熱裂紋的控制有以下方法：第一，冶金處理法。從冶金的角度對熱裂紋進(jìn)行控制，控制的原理是通過添加與母材不同的焊絲，對焊縫處的成分進(jìn)行改變，達(dá)到調(diào)整BTR寬度和延性的目的，但是這種方法存在的問題就是焊縫處的強(qiáng)度不高；第二，預(yù)壓應(yīng)力法。這種方法實(shí)則是通過施加外部壓力來抵消裂性拉伸應(yīng)力，并降低熱裂傾向，具有設(shè)備簡單易操作的優(yōu)勢，能夠很好的防止熱裂紋；第三，隨焊激冷法。這種焊接方法的原理是：利用冷卻收縮的作用，對BTR金屬進(jìn)行橫向擠壓，使得塑性拉伸應(yīng)變得以推遲，能夠有效降低熱裂紋出現(xiàn)的傾向，另外，隨焊激冷會讓冷卻速度大幅度增大，但較之橫向壓縮，造成的影響則比較小，所以也能有效防止熱裂紋的出現(xiàn)；第四，隨焊碾壓法。這種方法的工作原理與隨焊錘擊法的工作原理比較相似，一般適用于薄板結(jié)構(gòu)類型的焊接，在焊接時，受橫向溫度梯度的影響，對焊縫兩側(cè)的金屬進(jìn)行碾壓，使得焊縫以及熱影響區(qū)的金屬發(fā)生橫向壓縮應(yīng)變，以此來防治熱裂紋的出現(xiàn)。

3.2 針對焊接變形

焊接變形的控制措施有三種：其一是焊前措施。焊前可以采取的措施有：選擇焊縫形狀與尺寸，避免多個焊縫重疊交叉；焊趾尺寸要??；板厚要??；最適宜的是角焊縫或是斷續(xù)焊縫；復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能的用組合焊接；肋板位置與形狀要進(jìn)行選擇；要采取預(yù)變形措施[5]；其二是隨焊調(diào)控。隨焊調(diào)控的具體方法有剛性固定法、減少熱輸入法、焊接順序優(yōu)化、預(yù)拉伸法、溫差拉伸法、隨焊激冷法、隨焊錘擊法和錘擊碾壓法；其三是焊后調(diào)控。常用的方法有機(jī)械方法和加熱法兩種，機(jī)械法是主要應(yīng)用在大型工件的加工，而加熱法主要是用于消除殘余應(yīng)力。

4 結(jié)束語

目前高強(qiáng)鋁合金焊接技術(shù)正在高速發(fā)展著，且應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。面對高強(qiáng)鋁合金所具備的多項(xiàng)優(yōu)勢，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)對高強(qiáng)鋁合金焊接技術(shù)的研究，使其能夠助力高速列車、航天軍工以及新能源汽車等領(lǐng)域的發(fā)展。