鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

李琪?黃成成

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的各行各業(yè)的發(fā)展也有了進(jìn)步。鋁合金產(chǎn)品是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中比較常用的一種合金材料，該材料不僅僅具有較高的熱電導(dǎo)率和抗腐蝕能力，還具備較強(qiáng)的物理力學(xué)性能，在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但是在運(yùn)用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，尤其是在焊接環(huán)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)裂縫。之所以出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，一方面是因?yàn)殇X合金自身的化學(xué)活性比較強(qiáng)，容易形成氧化膜，具有難溶的特點(diǎn)，增加了焊接的難度，另一方面則是因?yàn)楣ぷ魅藛T在施工過(guò)程中焊接方法以及工藝不達(dá)標(biāo)，沒(méi)有按照正確的施工順序開(kāi)展焊接工作。

關(guān)鍵詞：鋁合金焊接;加工工藝;焊接裂紋;防治措施

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬分析技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用和發(fā)展，人們相應(yīng)提出了數(shù)字化精鍛成形的概念。數(shù)字化精鍛的內(nèi)涵主要包括精密塑性加工工藝、數(shù)值模擬仿真（CAE）技術(shù)，精密塑性加工模具CAD/CAM技術(shù)和精密測(cè)量技術(shù)。

一、重要性

鋁合金具有材質(zhì)輕、耐腐蝕、耐低溫、力學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車(chē)、船舶、化工等眾多工業(yè)制造領(lǐng)域。近幾年，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保、節(jié)能、減排的宏觀經(jīng)濟(jì)體制改革，對(duì)鋁合金材料有了很大的需求量，尤其是高強(qiáng)度的鋁合金材料有著高剛度、高耐蝕性、優(yōu)良加工性、高力學(xué)性等，逐漸成為各領(lǐng)域制造業(yè)輕量化應(yīng)用不可缺少的重要材料。目前，鋁合金的焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊、激光焊等。激光焊接具有能量高、熱源集中、熱損小、變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點(diǎn)，并且在焊接過(guò)程中便于形成集成化、自動(dòng)化、柔性化的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，滿足高速、高精度的焊接，焊接時(shí)無(wú)需真空作業(yè)環(huán)境，非常適合在惡劣的環(huán)境下對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件實(shí)施高精度的焊接。因此，研究鋁合金激光焊接工藝及其應(yīng)用具有非常重要的意義。

二、鋁合金材料焊接時(shí)的難點(diǎn)

（一）氧化時(shí)金屬融合質(zhì)量低

在焊接的時(shí)候，鋁會(huì)和空氣中的氧氣直接接觸，會(huì)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，在表面形成0.1um～0.2um的三氧化二鋁薄膜，并且此時(shí)的熔點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2050℃，這嚴(yán)重違背了鋁合金熔點(diǎn)的規(guī)律，一般而言鋁合金的熔點(diǎn)是600℃左右的。并且此時(shí)氧化鋁的密度也比較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通鋁材料的密度值，因此鋁薄膜會(huì)快速吸收表面的水分，從而在焊接環(huán)節(jié)造成金屬融合困難的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致焊接出現(xiàn)氣孔，或者是殘?jiān)葐?wèn)題。

（二）焊接環(huán)節(jié)氣孔現(xiàn)象嚴(yán)重

在鋁合金焊接工作中還容易產(chǎn)生氣孔，而之所以會(huì)產(chǎn)生氣孔時(shí)因?yàn)殇X在液態(tài)的時(shí)候可以溶解氫，但是如果鋁處于固態(tài)，就不具備這種性能。因此，如果熔池的溫度比較低，甚至呈現(xiàn)出凝固狀態(tài)的時(shí)候，熔池中的氫無(wú)法快速發(fā)散到空氣中，從而導(dǎo)致鋁合金焊接的時(shí)候出現(xiàn)氣孔。由于氫氣孔的特殊性，因此，在焊接活動(dòng)中是無(wú)法完全避免的，這和氫氣的來(lái)源分不開(kāi)，因?yàn)樵诤附踊顒?dòng)中不管是鋁合板還是焊絲表面都會(huì)將空氣中所含有的水分進(jìn)行吸收。就算氫氣的程度非常高，甚至接近100%，如果無(wú)法完全剔除空氣中的水分，那么焊接時(shí)也會(huì)出現(xiàn)氣孔。

（三）其他焊接難點(diǎn)

鋁合金材料在焊接的時(shí)候所產(chǎn)生的裂縫會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步變形，裂縫的縫隙甚至還會(huì)增大，這主要是由鋁自身的特點(diǎn)所決定，因?yàn)殇X的導(dǎo)熱性能比較強(qiáng)，線性膨脹系數(shù)或者是結(jié)晶收縮率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼材料，所以焊接的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫并發(fā)生相關(guān)的變化。另外在焊接活動(dòng)中，鋁合金中的元素也會(huì)出現(xiàn)流失的情況，這是因?yàn)殇X合金是一種合金金屬，因此里面除了鋁元素以外，還有低沸點(diǎn)的鎂元素、鋅元素、錳元素等，而這些元素并不耐高溫，因此在焊接的時(shí)候會(huì)蒸發(fā)，影響焊接的質(zhì)量。另外，在焊接過(guò)程中無(wú)法產(chǎn)生任何的色彩變化，因?yàn)殇X合金在焊接的時(shí)候會(huì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，如果在這個(gè)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生顏色變化，那么焊接工作者無(wú)法科學(xué)把控加熱的溫度。

三、鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

（一）石油管道

1）鋁合金石油管道能夠有效增加管道的直徑及管壁的厚度，使管道在額定的時(shí)間里輸送更多的油量。管道輸送石油非常危險(xiǎn)，容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象，一旦發(fā)生泄露可能會(huì)造成不可估量的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、環(huán)境污染、水源污染等重大危害。2）鋁合金管道焊接時(shí)，提升焊接質(zhì)量、避免焊接缺陷是關(guān)鍵。3）激光焊接鋁合金管道可以產(chǎn)生非常大的效益，同時(shí)可以有效地控制焊接質(zhì)量。焊接時(shí)可以保證焊縫一次成形且焊接質(zhì)量比較高，這樣可以避免由于焊縫缺陷導(dǎo)致石油泄漏危害

（二）航空航天

1）航空航天產(chǎn)品對(duì)材料的使用更是嚴(yán)格要求，需要保證材料的高精度、耐熱性、穩(wěn)定性、持久性。鋁合金的產(chǎn)品可以有效地降低制造成本、減輕自身重量。2）激光焊接鋁合金材料技術(shù)的大力應(yīng)用，為提高航空航天事業(yè)的制造水平提供了先進(jìn)工藝。

（三）調(diào)整焊接工藝參數(shù)

在焊接的過(guò)程中，焊接工藝參數(shù)也是影響焊接效果的重要參數(shù)。如果焊接工藝參數(shù)處于不平衡狀態(tài)，數(shù)值增長(zhǎng)過(guò)快都會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。采用熱量集中的焊接方式，可以加速焊接速度，同時(shí)還可以預(yù)防形成粗大的柱狀晶體，有效改善了裂紋問(wèn)題。而采用比較小的電流焊接的方式，其焊接速度會(huì)相對(duì)比較慢，但是也能減少熔池過(guò)熱的現(xiàn)象，可以大大減少裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于這一類(lèi)焊接情況，就必須根據(jù)鋁合金的形狀以及焊接工藝來(lái)調(diào)整其焊接參數(shù)以及焊接方式，保證焊品的美觀性和完整性。其次，其實(shí)焊接工藝對(duì)于材料的要求也比較高，比如鋁合金材料，在焊接之前首先要對(duì)表面進(jìn)行處理，保證其焊接表面的平整性，因?yàn)槿绻须s物也會(huì)使材料產(chǎn)生裂縫，降低焊接質(zhì)量。另外，鋁合金材料在焊接時(shí)，為了不使材料形成比較大的剛性合力，可以采用分段焊接，或者是預(yù)熱，以此來(lái)控制焊接速度，減少焊接裂紋的產(chǎn)生。預(yù)熱處理可以使焊接材料的膨脹性相對(duì)較小，那么焊接應(yīng)力也就比較低，鋁合金焊接起來(lái)也很美觀，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

（四）提高焊接工作的質(zhì)量和效率

在工藝環(huán)節(jié)，要防止裂縫就必須規(guī)劃施工流程，要求工作人員按照焊接的工作要求有序開(kāi)展施工活動(dòng)，依次做好預(yù)熱、接頭形式以及焊接方面的工作。焊接工藝的參數(shù)將會(huì)直接影響到鋁合金凝固時(shí)的組織形式，以及內(nèi)部應(yīng)變的增長(zhǎng)速度，是裂紋產(chǎn)生與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)采取熱能集中這種焊接方法，可以提高焊接的效率，從而有效防止在焊接活動(dòng)中出現(xiàn)方向性比較強(qiáng)的粗大壯晶體，從而提高鋁合金材料的韌性。另外還可以通過(guò)減小焊接的電流，對(duì)焊接的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)減緩速度來(lái)降低熔池的溫度，減少焊接過(guò)程中合金材料的內(nèi)外溫差，防止裂縫的產(chǎn)生。因?yàn)樵诤附拥臅r(shí)候，如果焊接的速度過(guò)快，那么焊接接頭的應(yīng)變速度也會(huì)呈現(xiàn)同方向發(fā)展，從而產(chǎn)生熱裂傾向。另外，在焊接的時(shí)候，還可以采取分段焊接的手段，或者是通過(guò)焊接前的預(yù)熱工作，最大限度地降低試件的相對(duì)膨脹系數(shù)，降低脆性溫度區(qū)間的應(yīng)力。如果在焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊接中斷，那么工作人員需要及時(shí)做好弧坑的填滿工作，同時(shí)去除相關(guān)的熱源，防止弧坑產(chǎn)生裂縫。

結(jié)語(yǔ)

1）鋁合金是發(fā)展過(guò)程中應(yīng)用范圍越來(lái)越廣的材料，如何不斷提高鋁合金材料的應(yīng)用范圍及利用率，是目前各行各業(yè)研究的重心。2）激光焊接作為一種新興的焊接技術(shù)，能夠有效地解決焊接氣孔的缺陷，通過(guò)不斷拓寬激光焊接在鋁合金材料中的應(yīng)用，會(huì)發(fā)揮更大的作用。3）隨著激光焊接技術(shù)和鋁合金材料技術(shù)的發(fā)展，需進(jìn)一步對(duì)激光焊接鋁合金技術(shù)的研究及開(kāi)發(fā)新的工藝，有效地挖掘激光焊接鋁合金材料的潛能。4）由于鋁合金材料的特性，大功率激光焊接時(shí)還有很多課題需要研究，其中控制焊縫成形后的氣孔缺陷就是不斷提升鋁合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪健坤，李強(qiáng)，黃磊，等.激光焊接技術(shù)最新研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].金屬加工（熱加工），2020（3）：4-10.

作者單位：中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司