鋁合金焊接接頭的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

呂同輝

摘要：相對(duì)于鋼制結(jié)構(gòu)，鋁及其合金具有材質(zhì)輕、無低溫脆性、耐腐蝕和易于壓力加工的優(yōu)勢(shì)。雖然與成熟的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造相比，鋁合金的結(jié)構(gòu)和焊接制造原則沒有變化，但與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金在強(qiáng)度、彈性模量、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等方面都有顯著的不同，所以在焊接接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和接頭細(xì)節(jié)部分都與鋼接頭有較大不同。本文主要關(guān)注焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度減弱、焊接接頭細(xì)節(jié)包括坡口形式、背面保護(hù)等問題。前者結(jié)合EN1999-1-1進(jìn)行分析，后者結(jié)合ISO9692-3和EN1011-4進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);鋁合金焊接接頭;焊接熱影響區(qū);強(qiáng)度下降

中圖分類號(hào)：TG457.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0085-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.14

0 前言

相對(duì)于鋼制結(jié)構(gòu)，鋁及其合金具有材質(zhì)輕、無低溫脆性、耐腐蝕和易于壓力加工的優(yōu)勢(shì)，鋁被應(yīng)用在航空航天、交通車輛、化工行業(yè)等生產(chǎn)制造領(lǐng)域。由于其防腐性能優(yōu)良、低溫韌性好的特點(diǎn)，在石油、化工、深冷行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在建筑行業(yè)，由于鋁的質(zhì)量輕、防腐性能好，因此鋁結(jié)構(gòu)代替鋼結(jié)構(gòu)也有大量應(yīng)用。特別是在交通車輛制造領(lǐng)域，鋁合金這種輕型材料的應(yīng)用能提高運(yùn)行速度和降低能源消耗，在現(xiàn)在的能源形勢(shì)下具有特別的意義。

歐美國家早在20世紀(jì)中葉就建造了許多鋁合金結(jié)構(gòu)，而我國對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚，應(yīng)用研究較少，早期也無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可循，這直接影響了國產(chǎn)鋁合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2007年，我國第一部鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50429）經(jīng)建設(shè)部正式頒布，自2008年3月1日起實(shí)施，這對(duì)于我國鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。

焊接在鋁合金結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造過程中具有非常重要的作用，鋁合金焊接技術(shù)的不斷發(fā)展也保證了鋁結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。與成熟的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造相比，鋁合金的結(jié)構(gòu)和焊接制造原則沒有變化，都需要通過合理的力學(xué)設(shè)計(jì)和焊接制造來保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度。與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金在強(qiáng)度、彈性模量、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等方面都有顯著不同，所以在焊接接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和接頭細(xì)節(jié)部分與鋼結(jié)構(gòu)有較大不同。本文基于歐洲規(guī)范，從接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面介紹鋁合金焊接接頭的特點(diǎn)[1-10]。

1 焊接接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

鋁合金結(jié)構(gòu)中最常用的母材為5系列、6系列、7系列，這些鋁合金經(jīng)過形變強(qiáng)化或者是熱處理強(qiáng)化獲得了一定的強(qiáng)度。但焊接熱循環(huán)過程必然會(huì)造成對(duì)強(qiáng)化組織的改變，造成焊接熱影響區(qū)軟化，比如6系列時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，由于強(qiáng)化相粒子在焊接熱影響區(qū)發(fā)生過時(shí)效而粗化，造成該區(qū)域軟化，所以焊接接頭設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮焊接熱影響區(qū)軟化造成的強(qiáng)度下降問題。正是因?yàn)橐陨显颍瑲W洲規(guī)范（EN1999-1-1）中規(guī)定，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用形變強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的鋁合金時(shí)，焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度下降是允許的。但在供貨狀態(tài)為O（退火）或F（制造）狀態(tài)下，其臨近焊縫熱影響區(qū)無強(qiáng)度下降現(xiàn)象，這是因?yàn)镺或F狀態(tài)意味著材料并沒有經(jīng)過形變強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的工藝過程，材料強(qiáng)度僅通過固溶強(qiáng)化獲得，焊接熱循環(huán)不會(huì)破壞固溶強(qiáng)化組織，也就不存在熱影響區(qū)強(qiáng)度下降的問題。

那么在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如果使用了經(jīng)過形變強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的鋁合金，我們必須知道焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降有多少，區(qū)域有多大，并采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造措施，才能保證結(jié)構(gòu)的安全性。

1.1 焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度下降

1.1.1 強(qiáng)度校核

根據(jù)歐洲規(guī)范（EN1999-1-1），除了要校核焊縫的強(qiáng)度之外，還必須計(jì)算焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度。正應(yīng)力校核公式為

σHAZ，Ed≤fu，HAZ/γMw

式中 σhaz，Ed為焊接熱影響區(qū)所受的正應(yīng)力。fu，HAZ為焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因材料種類的不同，焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度下降的幅度也不盡相同（見表1），整體上，形變強(qiáng)化鋁合金的下降幅度低于熱處理強(qiáng)化的鋁合金。γMw為焊接接頭的分項(xiàng)安全系數(shù)，根據(jù)EN1999-1-1，取值為1.25。

國標(biāo)GB50429鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的關(guān)于焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度校核計(jì)算公式也是引用上述歐洲規(guī)范。

1.1.2 強(qiáng)度下降的范圍

根據(jù)EN1999-1-1，焊接接頭的熱影響區(qū)寬度是從焊縫中點(diǎn)及根部算起向各個(gè)方向延伸（見圖1）。不同接頭和工藝條件下，熱影響區(qū)寬度不同，具體如下：

（1）MIG焊焊接形變強(qiáng)化鋁合金，道間溫度低于60 ℃時(shí)，bhaz（熱影響區(qū)寬度）應(yīng)遵循：

0<t≤6 mm：bhaz=20 mm

6<t≤12 mm：bhaz=30 mm

12<t≤25 mm：bhaz=35 mm

t>25 mm：bhaz=40 mm

（2）當(dāng)厚度大于12 mm時(shí)，熱影響區(qū)的寬度可能會(huì)增加。因?yàn)槌菄?yán)格的質(zhì)量控制，否則道間溫度會(huì)超過60 ℃。

（3）以上的描述將應(yīng)用于6xxx或7xxx或5xxx系列合金的對(duì)接焊縫（兩維傳熱）或角焊縫連接的T型接頭中（三維傳熱）。

（4）TIG焊熱影響區(qū)的寬度會(huì)更大，是因?yàn)門IG焊的熱輸入比MIG焊大。TIG焊對(duì)于6xxx、7xxx或5xxx系列合金的對(duì)接焊縫或角焊縫，bhaz給定為：

0<t≤6mm：bhaz=30 mm

（5）如果兩個(gè)或更多的焊縫彼此相鄰近，熱影響區(qū)的邊界將疊加，這時(shí)可以將其看成一個(gè)熱影響區(qū)。如果焊縫接近于自由邊，則熱量的散失將有效減少。如果焊縫到自由邊的距離小于3bhaz，在這種條件下，可假設(shè)整個(gè)寬度都受到影響。

（6）影響bhaz值的其他系數(shù)遵循：

a. 溫度高于60 ℃的影響。當(dāng)采用多道焊時(shí)，道間溫度將造成整體溫度的增加，這就導(dǎo)致了熱影響區(qū)寬度的增加。如果道間溫度T1在60 ℃～120 ℃，對(duì)于6xxx、7xxx或5xxx系列合金，假定bhaz將乘以一個(gè)系數(shù)α2，如下：

6xxx和形變硬化的5xxx系列合金

α2=1+（T1-60）/120

7xxx系列合金

α2=1+1.5（T1-60）/120

如果想要得到較小的α2值，可以通過試驗(yàn)確定真正的熱影響區(qū)寬度。對(duì)于鋁合金焊接來說，120 ℃是推薦使用的最高溫度。

b. 厚度不同。如果焊接連接的母材厚度不同，在上面的表達(dá)式中假設(shè)t為所有構(gòu)件的平均厚度。只要平均厚度不超過1.5倍最小厚度時(shí)，都可采用。對(duì)于厚度變化更大的構(gòu)件，熱影響區(qū)的寬度將取決于試件的試驗(yàn)。

c. 傳熱途徑不同。如果擠壓型材件用角焊縫連接，實(shí)際傳熱途徑（n）多于三維傳熱，則bhaz應(yīng)乘以3/n。

鑒于篇幅的原因，并沒有將所有的數(shù)據(jù)全都列出，其他材料的數(shù)據(jù)可以在EN1999-1-1中找到。

1.3 設(shè)計(jì)方法

由于結(jié)構(gòu)形式和尺寸問題，通常無法使用后續(xù)熱處理的方式解決熱影響區(qū)強(qiáng)度下降的問題，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)通過強(qiáng)度計(jì)算確定熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降將對(duì)結(jié)構(gòu)使用產(chǎn)生的影響，并采取相應(yīng)的措施，比如通過增加材料尺寸的方式解決。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，整體增加板厚是不可取的。通?？梢酝ㄟ^增加局部板厚的方式解決（見圖2），通過擠壓成型技術(shù)，鋁合金較容易實(shí)現(xiàn)板材局部加厚。

另外，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意，如果設(shè)計(jì)是基于本文1.2的某些特定要求（例如強(qiáng)度下降區(qū)域?qū)挾仁腔诘篱g溫度60 ℃條件下），必須在圖紙中或相應(yīng)的技術(shù)文件中給予規(guī)定。

2 焊接接頭設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的幾個(gè)問題

由于鋼和鋁有較大的物理性能差異，所以在鋼和鋁焊接接頭細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制造也會(huì)有差異：由于鋁的熱傳導(dǎo)較快（是結(jié)構(gòu)鋼的3倍以上），相同情況下焊接鋁時(shí)用于熔化金屬的熱量低于焊接鋼，所以在坡口設(shè)計(jì)時(shí)，相對(duì)于鋼應(yīng)有較大的坡口角度，這樣可以減少需要熔化的母材金屬，以避免可能產(chǎn)生的未熔合，特別在MIG焊時(shí)尤其要注意這一點(diǎn)。另外在多層焊操作時(shí)必須注意前一焊道表面不能突度過大，否則容易產(chǎn)生層間未熔合。

例如在ISO9692-1（焊接及相關(guān)工藝—接頭準(zhǔn)備—鋼的焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、氣焊、TIG焊和能量束焊）中推薦的對(duì)接接頭V型坡口的角度為40°～60°（針對(duì)MAG焊，見表1），通常以60°居多。而在ISO9692-2（焊接及相關(guān)工藝—接頭準(zhǔn)備—鋁的熔化極惰性氣體保護(hù)焊和TIG焊）推薦為60°～90°（針對(duì)MIG焊，見表2），通常以70°居多。

焊接全熔透對(duì)接接頭時(shí)，應(yīng)盡量使用背面熔池保護(hù)，可采用的背面熔池保護(hù)形式如圖3所示，使用的背面保護(hù)材料可以為奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅或陶瓷。鋁合金可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，但由于鋁合金高溫下強(qiáng)度低，焊接接頭在無背面保護(hù)時(shí)容易過度下榻，所以其背面成型效果不好（特別是薄板焊接時(shí)），背面余高通常較大。

例如同為板厚3 mm的全熔透對(duì)接接頭，在相同的焊接質(zhì)量要求條件下，鋼的背面余高限值為小于1+0.1b左右，通常在1.2 mm以下，而鋁及其合金為固定值3 mm，實(shí)際會(huì)接近3 mm（見表3），所以焊縫金屬和母材過渡處的應(yīng)力集中非常大。

當(dāng)時(shí)使用MIG焊且要求背面熔透時(shí)，為了使根部更好地熔合，可在根部一側(cè)開斜邊（見圖4），否則容易出現(xiàn)圖4a所示的背面成型，背面焊縫中間有明顯的尖銳凹陷，建議使用熔池保護(hù)裝置。

3 結(jié)論

雖然與成熟的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造相比，鋁合金結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造原則沒有變化。但還是要在設(shè)計(jì)和制造中，針對(duì)焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度減弱、接頭細(xì)節(jié)等設(shè)計(jì)問題，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，才能保證結(jié)構(gòu)的使用安全及其制造的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] EN1090-3：2008，Execution of steel structures and aluminums structures—Part 2：Technical requirements for aluminums structures[S].

[2] EN1999-1-1：2005，aluminums structures：General rules and rules for buildings[S].

[3] Aluminum Association Aluminum Design Manual：2015[S].

[4] ISO9692-1：2013 Welding and allied processes—Types of joint preparation—Part 1：Manual metal arc welding，gasshielded metal arc welding，gas welding，TIG welding and beam welding of steels[S].

[5] ISO9692-3：2016，Execution of steel structures and aluminums structures—Part 2：Technical requirements for aluminums structures[S].

[6] ISO5017：2014，Welding—Fusion-welded joints in steel，nickel，titanium and their alloys （beam welding excluded）—Quality levels for imperfections[S].

[7] ISO5817：2018，Welding—Arc-welded joints in aluminums and its alloys—Quality levels for imperfections[S].

[8] GB 50429：2007，鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] 朱繼華，蘇玫妮，楊立偉. 鋁合金結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)方法研究[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2017.

[10] 姜瀾，王炎金，王宇新. 高速列車用6005A合金焊接接頭組織與性能研究[J]. 材料與冶金學(xué)報(bào)，2002，1（4）：302-306.