鋁合金構(gòu)件焊接變形研究及焊接工藝優(yōu)化

倪海海

（南京航海航標(biāo)裝備總廠 江蘇省南京市 210000）

0 引言

現(xiàn)階段，隨著我國機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，鋁合金構(gòu)件在機械生產(chǎn)制造過程中所發(fā)揮的價值越來越明顯。尤其在一些現(xiàn)代化高端機械設(shè)備當(dāng)中，通過鋁合金構(gòu)件的應(yīng)用可以使機械性能得到進一步的完善。但是從特性來看，鋁合金構(gòu)件傳熱性能較強，膨脹系數(shù)比較大，散熱速度非常快，在實際焊接的過程中非常容易出現(xiàn)變形量過大的問題。因此工作人員在焊接過程中要重點考量焊接變形問題，通過恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，全面提升焊接的質(zhì)量和效率。下文中筆者將對此展開進行論述。

1 鋁合金構(gòu)件焊接變形的原因和種類

1.1 焊接變形原因

鋁合金構(gòu)件焊接變形的原因主要有四種：①由于焊弧熱導(dǎo)致母材融化成池狀，也就是我們常說的“熔池”。熔池的大小和具體形態(tài)對于鋁合金構(gòu)件焊接效果的影響是非常明顯的。如果熔池尺寸比較大的話，會有大量的參與熱量導(dǎo)出，這種熱量一旦作用于構(gòu)件焊接部位，就會導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)嚴(yán)重的變形問題；②鋁合金構(gòu)件焊接過程中熱加工與冷加工的交替使用。熱加工主要的工作目的是將焊接部位進行軟化處理，使鋁合金構(gòu)件能夠與焊接部位進行充分融合。冷加工主要目的是讓焊接部位以最快的速度凝固[1]，避免焊接部位出現(xiàn)變形問題。冷加工與熱加工結(jié)合焊接方式具有非常高的實踐價值，但是在實際使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)由于操作不當(dāng)而產(chǎn)生的不良影響，不僅對冷、熱加工實際效果造成影響，同時還會直接引發(fā)焊接變形問題；③焊接過程中焊接構(gòu)件在單位時間當(dāng)中所傳遞的熱量，這也是引發(fā)焊接變形的重要原因之一。如果熱量的傳導(dǎo)效率過大，就會使焊接部位母材熔化速度加快，進而導(dǎo)致焊接成功率大大下降，在后期更是容易出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接問題；④焊接過程中熱量均勻性把握狀況，如果構(gòu)件的各個部位受熱不均勻，就會與其感受到的熱量產(chǎn)生多種不同的反應(yīng)，從而引發(fā)變形問題。

1.2 焊接變形的具體種類

焊接變形通常劃分為兩種：①瞬間變形；②殘余變形。瞬間變形指的是焊接過程中構(gòu)件瞬間感受到的大量熱傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致鋁合金構(gòu)件以及母材在短時間內(nèi)發(fā)生大量的變形。從細(xì)化角度來看，瞬間變形又可以分為面內(nèi)位變形、面外移位變形和相變組織變形三種。殘余變形指的是焊接過程中引起的焊接尺寸改變。殘余變形是一種緩慢產(chǎn)生的焊接變形，對于鋁合金構(gòu)件的影響是永久性的。焊接殘余變形的具體種類如下：

（1）縱向收縮變形。指的是鋁合金構(gòu)件在焊縫方向發(fā)生的收縮現(xiàn)象。

（2）橫向收縮變形。指的是鋁合金構(gòu)件在垂直焊縫方向發(fā)生的收縮現(xiàn)象。

（3）饒區(qū)變形。指的是鋁合金構(gòu)件在焊接之后在縱向收縮和橫向收縮共同作用下所引起的變形現(xiàn)象[2]。

（4）角變形。指的是焊接之后鋁合金構(gòu)件平面圍繞焊縫所產(chǎn)生的角拉移現(xiàn)象。

（5）波浪變形。指的是鋁合金構(gòu)件在焊接之后呈現(xiàn)波浪狀態(tài)，這種變形在厚度不足的鋁合金構(gòu)件當(dāng)中尤為常見。

（6）錯邊變形。指的是焊接過程中焊接件之間的膨脹系數(shù)存在差異，從而引發(fā)的長度方向與厚度方向之間的錯邊和錯位。

2 鋁合金構(gòu)件焊接工藝優(yōu)化的具體措施

2.1 對焊接設(shè)計方案進行全面優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)階段，焊接工程技術(shù)的種類呈現(xiàn)多樣化趨勢，工作人員在生產(chǎn)過程中可選取的焊接技術(shù)越來越多，因此工作人員可以充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合鋁合金構(gòu)件焊縫實際狀況選擇合適的焊接技術(shù)。技術(shù)方案確定之后，工作人員需要對鋁合金構(gòu)件的尺寸、規(guī)格以及形狀等基礎(chǔ)性參數(shù)進行全面而細(xì)致的規(guī)劃，將構(gòu)件與母材之間的縫隙控制在最小范圍之內(nèi)。這樣一來就能夠?qū)⑺矔r變形和殘余變形對焊接工作的影響降至最低。焊接技術(shù)的不合理使用不僅會導(dǎo)致焊接效率下降，同時還會對鋁合金構(gòu)件本身造成破壞，進而引發(fā)焊接成本的上升[3]。在這種情況下工作人員可以借助信息技術(shù)，通過模擬焊接的方式明確技術(shù)的可操作性，這樣一來可以全面提升焊接工作的精確性，信息模擬焊接技術(shù)在現(xiàn)階段焊接工作中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，并在機械裝備生產(chǎn)領(lǐng)域得到全面推廣。

2.2 對焊接過程進行全面控制

工作人員在焊接工作中要始終遵循焊接工藝的相關(guān)設(shè)計要求，全面發(fā)揮自身焊接工作經(jīng)驗，從細(xì)節(jié)角度出發(fā)對焊接變形現(xiàn)象進行全面控制。例如在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，工作人員可以通過應(yīng)力形變實驗的方式，全面分析應(yīng)力出現(xiàn)的大小，并結(jié)合設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對焊縫尺寸進行現(xiàn)場調(diào)節(jié)。在焊接過程中結(jié)合實際情況使用反變形以及剛性固定組裝的方式實現(xiàn)焊接全面預(yù)防。在焊接工作結(jié)束之后，為防止出現(xiàn)殘余變形的現(xiàn)象，工作人員可以使用加熱矯正的方式，也可以利用機械外力對其進行矯正。如果具備一定生產(chǎn)條件的話，建議現(xiàn)場工作人員開展焊接實體試驗，準(zhǔn)確把握焊接工作中需要優(yōu)化的細(xì)節(jié)，并結(jié)合鋁合金構(gòu)件的具體參數(shù)進行下一步優(yōu)化，最終使鋁合金構(gòu)件的性能達到最佳。

如果焊接試驗存在問題的話，工作人員要在第一時間對出現(xiàn)變形現(xiàn)象的構(gòu)件進行返修處理，在處理過程中要盡量使用能量密度比較高的熱源，全面控制焊接的受熱面積。

2.3 對焊接電源和焊接電流進行全面控制

焊接電源是鋁合金構(gòu)件焊接過程中最為重要的能量來源，為使焊接質(zhì)量達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，工作人員在電源種類和極性的選擇上需要選擇既能滿足焊接相關(guān)工藝，又能夠滿足物質(zhì)、經(jīng)濟以及技術(shù)特性的電源。一般情況下，工作人員使用的焊接電源為直流電源，由于直流電源的電弧具有極高的穩(wěn)定性，焊接質(zhì)量非常高，同時在焊接過程中不易出現(xiàn)火星飛濺的情況。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，一些焊接現(xiàn)場開始使用直流反接電源進行焊接，在焊接過程中可以通過焊接金屬為負(fù)極的電弧產(chǎn)生一種陰極霧化效果，使鋁合金構(gòu)件表面致密的氧化鋁薄膜以最快的速度融化，還可以有效防止焊渣和污染性氣體的產(chǎn)生[4]。這樣一來，工作人員對反應(yīng)熔池觀察會更加細(xì)致，第一時間對焊接的速度和角度進行調(diào)整，并且還可以切實減少焊接對工作人員身體健康的危害程度。

焊接電流是焊接工作形變控制的又一重要因素，構(gòu)件焊接電流指的是經(jīng)過焊接回路的電流，這個電流與構(gòu)件的焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量有著直接的關(guān)系，在一些焊接工作量較大的情況下，為了進一步提升焊接效率，工作人員會在保證質(zhì)量的前提下將焊接電流盡可能地調(diào)大。但是如果焊接電流過大的話，大量熱能輸入以及電弧力將會導(dǎo)致焊縫熔深和余高增大，并且還會導(dǎo)致熱影響區(qū)的晶粒變得更加粗大，進而導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)。如果電流較小的話，電弧燃燒的穩(wěn)定性就會下降，進而不導(dǎo)致氣孔和夾渣等焊接問題的出現(xiàn)。因此在焊接電流的選擇上要通過實踐選取最為合適的電流。

3 總結(jié)

綜上所述，隨著鋁合金構(gòu)件的應(yīng)用價值越來越明顯，其焊接工作重要性也隨之凸顯出來。因此相關(guān)工作人員要結(jié)合鋁合金構(gòu)件的特性，從整體和細(xì)節(jié)角度同時出發(fā)，全面優(yōu)化焊接工藝，抑制其中明的負(fù)面干擾因素，使鋁合金構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮其最大的價值。