鋁合金焊接接頭的設計特點

王新維?孫成剛?王超

摘要：目前，我國的鋁合金行業(yè)的發(fā)展迅速，相對于鋼制結構，鋁及其合金具有材質輕、無低溫脆性、耐腐蝕和易于壓力加工的優(yōu)勢，鋁被應用在航空航天、交通車輛、化工行業(yè)等生產制造領域。由于其防腐性能優(yōu)良、低溫韌性好的特點，在石油、化工、深冷行業(yè)得到廣泛應用。在建筑行業(yè)，由于鋁的質量輕、防腐性能好，因此鋁結構代替鋼結構也有大量應用。特別是在交通車輛制造領域，鋁合金這種輕型材料的應用能提高運行速度和降低能源消耗，在現在的能源形勢下具有特別的意義。歐美國家早在20世紀中葉就建造了許多鋁合金結構，而我國對鋁合金結構的研究和應用起步較晚，應用研究較少，早期也無標準規(guī)范可循，這直接影響了國產鋁合金結構的應用。2007年，我國第一部鋁合金結構設計規(guī)范（GB50429）經建設部正式頒布，自2008年3月1日起實施，這對于我國鋁合金結構設計的研究和發(fā)展起到了很大的推動作用。焊接在鋁合金結構的設計和制造過程中具有非常重要的作用，鋁合金焊接技術的不斷發(fā)展也保證了鋁結構的制造質量和生產效率。與成熟的鋼結構的設計和焊接制造相比，鋁合金的結構和焊接制造原則沒有變化，都需要通過合理的力學設計和焊接制造來保證產品結構的強度、穩(wěn)定性和剛度。與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金在強度、彈性模量、密度、導熱系數、熱膨脹系數等方面都有顯著不同，所以在焊接接頭的強度設計和接頭細節(jié)部分與鋼結構有較大不同。本文基于歐洲規(guī)范，從接頭的強度設計和細節(jié)設計方面介紹鋁合金焊接接頭的特點。

關鍵詞：鋁合金;焊接接頭;設計特點

引言

隨著先進制造業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經不能滿足制造業(yè)的需求。對于高強度、剛性好、耐腐蝕、可焊接的材料受到制造業(yè)的追捧，尤其在航空、航天飛行器、汽車車身、軌道交通等行業(yè)對于輕量化材料的應用非常廣泛，鋁合金材料將其自身優(yōu)勢獲得各行業(yè)領域的研發(fā)應用。因此，對鋁合金材料的結構、性能和使用壽命要求越來越高，鋁合金焊接質量的優(yōu)劣直接影響鋁合金材料的結構組織和性能的優(yōu)良。

一、焊接接頭的強度設計

鋁合金結構中最常用的母材為5系列、6系列、7系列，這些鋁合金經過形變強化或者是熱處理強化獲得了一定的強度。但焊接熱循環(huán)過程必然會造成對強化組織的改變，造成焊接熱影響區(qū)軟化，比如6系列時效強化鋁合金，由于強化相粒子在焊接熱影響區(qū)發(fā)生過時效而粗化，造成該區(qū)域軟化，所以焊接接頭設計時必須考慮焊接熱影響區(qū)軟化造成的強度下降問題。正是因為以上原因，歐洲規(guī)范（EN1999-1-1）中規(guī)定，在焊接結構設計中使用形變強化或熱處理強化的鋁合金時，焊接熱影響區(qū)強度下降是允許的。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)無強度下降現象，這是因為O或F狀態(tài)意味著材料并沒有經過形變強化或熱處理強化的工藝過程，材料強度僅通過固溶強化獲得，焊接熱循環(huán)不會破壞固溶強化組織，也就不存在熱影響區(qū)強度下降的問題。

二、鋁合金焊接性能及焊接接頭性能分析

（1）高溫強度低。由于金屬材料焊接通常都是在高溫條件下進行，因此材料熔點對于焊接質量有著直接的影響，鋁合金材料的熔點會因合金中純鋁含量不同而存在一定的差異，但通常都在600℃左右，這一熔點與銅等其他材料相對較高，但在進行高溫焊接時，其強度與塑性卻會迅速降低，這意味著焊接過程中鋁合金材料很難支撐住液體金屬，而焊縫也會因此而出現塌陷、燒穿等問題。（2）膨脹系數高。鋁合金材料的膨脹系數普遍較高，大多都能達到銅、鋼的兩倍或以上，而收縮性最高則在75%左右，這意味著在焊接過程中，高溫的影響很容易使鋁材料因熱脹冷縮而出現變形，并發(fā)生結晶裂紋、液化裂紋等現象。另外，鋁合金的導熱性雖然比較高，但在高溫影響下其內外部溫度仍然會出現差異，溫差的變化會使其內外部出現不同的膨脹，并產生較大的內應力，這同樣是鋁合金焊接容易出現愛你熱裂紋的主要原因。同樣，焊接完成后，隨著焊接接頭處溫度的不斷降低，如果收縮量較大且冷卻速度較快，那么其收縮變速率就會隨之提高，并使鋁合金焊接接頭處出現應力-應變狀態(tài)，而這同樣是焊接處產生裂紋的主要原因之一。（3）氧化能力強。鋁材料的氧親和力非常強，長期暴露在空氣中很容易形成氧化鋁薄膜，這種薄膜雖然厚度較低，且具有著較高的密度與結實度，但熔點卻高達2050℃，如果在未經處理的情況下直接進行焊接，鋁材料就很難與其他金屬材料有效結合起來，焊接接頭出也會因氧化鋁殘渣的存在而出現氣孔。此外，氧化膜薄膜本身具有著吸附水分的特點，在焊接時氧化薄膜表面的水分會迅速汽化并分解為氫氣，而在焊接結束后，由于鋁合金材料溫度迅速降低，氫氣的溶解度也隨之下降，并最終上浮造成氣孔，直接影響焊接質量。（4）接頭易軟化。鋁合金材料焊接通常以熱處理焊接為主，這種焊接方式雖然能夠在現階段應用十分廣泛，但由于鋁合金的高溫塑性與強度均較低，因此焊接接頭的熱影響區(qū)通常都會出現軟化現象，即便在處理得當的情況下不會導致裂縫、變形等缺陷，但強度的降低仍然會影響到焊縫附近區(qū)域的力學性能，且焊接線能量越大，性能降低的程度也會愈加嚴重。（5）接頭耐腐蝕性差。鋁合金本身的耐腐蝕性并不差，但在經過熱處理后，由于焊縫處與鋁合金本身相比致密性、純度均明顯不足，同時還會存在大量的雜質與粗大晶粒，因此其耐腐蝕性會迅速下降，而在耐腐蝕性不足的情況下，鋁合金焊縫處就很容易因表面腐蝕而出現晶間腐蝕、裂縫等問題。

三、鋁合金焊接工藝優(yōu)化

（一）焊接工藝優(yōu)化對晶粒度的影響

不同的焊接工藝對焊接接頭金相組織晶粒度的影響不同，現有的焊接工藝大功率激光焊的焊縫中心區(qū)組織晶粒最細小，但力學性能較差，在激光焊中增加TIG輔助、高頻TIG復合焊等技術引進使晶界共晶相的寬度較小、焊縫組織細化、力學性能增加。但從組織的均勻性考量，晶粒仍比較粗大，從焊接工藝對焊接接頭的性能角度，為降低熔合區(qū)的晶粒粗大、晶界析出量等接頭缺陷，焊接接頭的工藝參數需要優(yōu)化，對打底層采用快速焊、焊絲填充量背面成型寬度控制在≥5mm，正面焊縫平面控制在≤1mm。經驗證此時的接頭晶粒組織細而均勻，對填充層采用低速焊，焊縫平面控制在≤1mm，給予接頭足夠的熱循環(huán)時間，獲得較為細化的晶粒組織。

（二）焊接工藝優(yōu)化對氣孔率的影響

現行鋁合金材料焊接工藝的填充層采用焊槍擺動所產生的接頭質量，熔寬范圍、接頭的軟化區(qū)相應的加大，與不擺動焊槍相比，雖然在一定程度上改善了焊縫內氣孔率，但通過焊槍擺動改變仍未有效克服熔合線附近局部氣孔率高的常見問題，鋁合金材料散熱和熱傳導條件的不一致對焊接接頭性能的改變效果甚微，抑制焊縫中氣孔的產生關乎焊縫質量的好壞，①從根源控制母材、填充物和保護氣體中氫含量，需要精細的生產工藝，焊前需對母材表面去除0.15mm的厚度，表面粗糙度盡量控制在5μm。②優(yōu)化單面兩層焊的焊接工藝，快速打底低速填充的方法，并采用高頻耦合脈沖TIG焊技術，使電弧的能力密度、剛度和沖擊力增強，熔池內液態(tài)金屬材料有規(guī)則地流動，與母材有效結合，抑制氣孔的產生，焊接接頭的拉伸強度系數、延伸率等力學性能增強。

結語

雖然與成熟的鋼結構的設計和焊接制造相比，鋁合金結構的設計和焊接制造原則沒有變化。但還是要在設計和制造中，針對焊接熱影響區(qū)強度減弱、接頭細節(jié)等設計問題，進行合理的設計，才能保證結構的使用安全及其制造的經濟性。

參考文獻：

[1]周濱濤.鋁合金前處理狀態(tài)對焊接接頭性能的影響[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（08）：124-125.