鋁合金焊接性能及焊接接頭性能

李肇亮?富鵬

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的快速發(fā)展，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。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)。

關(guān)鍵詞：鋁合金構(gòu)件;焊接變形;焊接工藝;優(yōu)化方式

引言

隨著近些年來我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)公民的物質(zhì)生活水平不斷提高，對(duì)各項(xiàng)社會(huì)基礎(chǔ)工程的要求也越來越嚴(yán)格，交通運(yùn)輸作為保障各行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，但是從特性來看，鋁合金構(gòu)件傳熱性能較強(qiáng)，膨脹系數(shù)比較大，散熱速度非?？?，在實(shí)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(diǎn)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(duì)此展開進(jìn)行論述。

一、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(duì)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(huì)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(huì)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(jìn)行軟化處理，使鋁合金構(gòu)件能夠與焊接部位進(jìn)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，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(shí)踐價(jià)值，但是在實(shí)際使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于操作不當(dāng)而產(chǎn)生的不良影響，不僅對(duì)冷、熱加工實(shí)際效果造成影響，同時(shí)還會(huì)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(shí)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(huì)使焊接部位母材熔化速度加快，進(jìn)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(gè)部位受熱不均勻，就會(huì)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。

二、鋁合金構(gòu)件焊接工藝優(yōu)化的具體措施

（一）對(duì)焊接設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，焊接工程技術(shù)的種類呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，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(shì)，結(jié)合鋁合金構(gòu)件焊縫實(shí)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(duì)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(jìn)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(shí)變形和殘余變形對(duì)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(huì)導(dǎo)致焊接效率下降，同時(shí)還會(huì)對(duì)鋁合金構(gòu)件本身造成破壞，進(jìn)而引發(fā)焊接成本的上升。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(jī)械裝備生產(chǎn)領(lǐng)域得到全面推廣。

（二）鋁合金的結(jié)構(gòu)體系

目前，工程實(shí)用的鋁合金的結(jié)構(gòu)體系，主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)和拱架結(jié)構(gòu)體系?？臻g網(wǎng)架主要有單層球面網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼和螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架三種類型，其中，網(wǎng)殼桿件主要采用圓管截面和H型截面，桿件之間多采用螺栓連接，連接節(jié)點(diǎn)主要采用螺栓球節(jié)點(diǎn)、圓盤蓋板節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)。

（三）鋁合金材料設(shè)計(jì)要求

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼材需要有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量等力學(xué)性能及化學(xué)成分的合格保證。鋁合金結(jié)構(gòu)要求根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、受力狀態(tài)、連接方式等條件，選用合適的鋁合金牌號(hào)，對(duì)于材料性能方面尚未要求，凡鋁合金材料標(biāo)準(zhǔn)中能保證的項(xiàng)目可不要求提供。

（四）對(duì)焊接過程進(jìn)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(jì)要求，全面發(fā)揮自身焊接工作經(jīng)驗(yàn)，從細(xì)節(jié)角度出發(fā)對(duì)焊接變形現(xiàn)象進(jìn)行全面控制。例如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，工作人員可以通過應(yīng)力形變實(shí)驗(yàn)的方式，全面分析應(yīng)力出現(xiàn)的大小，并結(jié)合設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。在焊接過程中結(jié)合實(shí)際情況使用反變形以及剛性固定組裝的方式實(shí)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(jī)械外力對(duì)其進(jìn)行矯正。如果具備一定生產(chǎn)條件的話，建議現(xiàn)場(chǎng)工作人員開展焊接實(shí)體試驗(yàn)，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(jìn)行下一步優(yōu)化，最終使鋁合金構(gòu)件的性能達(dá)到最佳。如果焊接試驗(yàn)存在問題的話，工作人員要在第一時(shí)間對(duì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象的構(gòu)件進(jìn)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。

三、結(jié)語

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。

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