鋁合金焊接質(zhì)量的評(píng)定及工藝優(yōu)化分析

張祖濤 高健 李大鵬

中車四方車輛有限公司 山東青島 266000

隨著先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)不能滿足制造業(yè)的需求。對(duì)于高強(qiáng)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(duì)于輕量化材料的應(yīng)用非常廣泛，鋁合金材料將其自身優(yōu)勢獲得各行業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用。

1 鋁合金焊接過程中的注意事項(xiàng)

鋁合金材料在熔焊接頭的過程中由于需要經(jīng)歷冶金反應(yīng)、熱循環(huán)以及應(yīng)力應(yīng)變等過程，其接頭組織會(huì)表現(xiàn)出明顯的不均勻性，而這種不均勻性直接導(dǎo)致接頭力學(xué)性能存在較大的差異，再加上殘余應(yīng)力和焊接缺陷等因素，導(dǎo)致焊接接頭成為了整個(gè)鋁合金結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位。因此，在鋁合金焊接生產(chǎn)的過程中必須要注意一下幾個(gè)問題：第一，在鋁合金焊接的過程中由于氫在固-液狀態(tài)的鋁合金或者鋁中的溶解度相差近20倍，所以，在焊縫當(dāng)中非常容易產(chǎn)生很多宏觀或微觀的氣孔，這也使得在焊接制造修補(bǔ)缺陷的過程中，氣孔缺陷就占了80%左右；第二，由于鋁合金材料的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)較大，這使得其在較大焊接電流或者較低焊接速度的工況下，線能量會(huì)不斷的增大，最終導(dǎo)致焊接接頭組織粗化，進(jìn)而使得熱影響區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變變得更加的復(fù)雜[1]。

2 鋁合金焊接質(zhì)量的評(píng)定及工藝優(yōu)化分析

2.1 晶粒度測量

晶粒度是金屬材料重要的組織參量。晶粒度越小、組織越均勻，金屬材料的強(qiáng)度、塑性和韌性越高，材料力學(xué)性能、耐腐蝕性越好，焊接過程中材料局部受熱，熔池的凝固與材料的散熱條件不一致，致使焊接接頭的溫場、熱循環(huán)與材料本身的組織存在差異，影響焊縫接頭晶粒組織的均勻性、質(zhì)量和性能。①可采集局部區(qū)域截面進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)接頭組織的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，數(shù)據(jù)說明晶粒尺寸對(duì)焊接接頭的影響，差異越大，組織越不均勻，接頭質(zhì)量越差。②采用金相圖像分析焊縫區(qū)的組織狀態(tài)，直觀的觀測晶粒的分散情況，通過量化分析進(jìn)行評(píng)定。

2.2 鋁合金焊接中氣孔率的定量檢測

通常情況下會(huì)采用X射線探傷的分辨率對(duì)焊接中的氣孔進(jìn)行檢測，即氣孔的直接大于等于0.2mm。通過對(duì)鋁合金的微觀檢測之后發(fā)現(xiàn)，在軋制和鑄鍛的過程中，會(huì)存在一定數(shù)量直徑小于等于0.02mm的參與孔洞或者空隙，所以，我們一般會(huì)將微觀氣孔用直徑小于0.02mm的氣孔進(jìn)行定義，并以此來對(duì)焊接中的氣孔率、尺度提及分布等進(jìn)行觀測和評(píng)估，然后獲得焊接中氣孔的數(shù)量、狀態(tài)以及位置等信息，從而提升對(duì)接頭綜合性能影響的認(rèn)識(shí)。在鋁合金焊接過程中，焊縫中比較容易出現(xiàn)氣孔的位置以及所在位置氣孔的密度具有以下特點(diǎn)：能夠?qū)宇^綜合力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響的氣孔位置分別為：熔合線附近、焊縫根部以及焊縫蓋面層的焊趾處。這是因?yàn)檫@些位置都具有”固-液”相交界，冷卻的速度相比較于熔池的其它部位要快很多，從而導(dǎo)致氣體難以快速的溢出，然后這些氣體會(huì)在冷卻和散熱比較快的位置進(jìn)行聚集，然后產(chǎn)生氣孔。我們在通過對(duì)容易產(chǎn)生氣孔的位置進(jìn)行觀測后得出，氣孔具有沿?cái)嗔丫€分布的特征[2]。

2.3 焊縫熱裂紋處理

鋁合金材料焊接過程中的熱裂紋缺陷十分常見，而針對(duì)這一缺陷的處理措施也十分多樣。首先，鋁合金材料雖然會(huì)在高溫及快速冷卻條件下出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變，但只要能夠提前通過焊接實(shí)驗(yàn)確定焊接溫度等方面的合理參數(shù)，并對(duì)焊接順序進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范，焊縫出現(xiàn)熱裂紋的幾率仍然是比較低的。其次，針對(duì)鋁合金材料焊縫結(jié)晶裂紋與熱影響區(qū)液化裂紋，焊接人員可以根據(jù)實(shí)際焊接情況對(duì)鋁合金材料的焊接接頭進(jìn)行改進(jìn)，以降低應(yīng)力應(yīng)變對(duì)焊接接頭的影響。最后，還可以在焊接時(shí)向添加金屬中添加Ti、Zr、V和B等微量元素作為變質(zhì)劑，這些變質(zhì)劑能夠形成高塑性的細(xì)化晶粒，能夠在很大程度上改善鋁合金焊縫處的力學(xué)性能，使其抗裂性得到提升，從而避免熱裂紋的出現(xiàn)。

2.4 鋁合金焊接質(zhì)量優(yōu)化方法

導(dǎo)致鋁合金熔焊接頭出現(xiàn)冶金缺陷的影響因素有很多，但是目前鋁合金制造方式和質(zhì)量檢測方法對(duì)其其危害性的監(jiān)控能力還是比較弱的，這就需要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)來解決鋁合金焊接制造的質(zhì)量問題。而高頻耦合脈沖TIG焊電弧能夠通過提高電弧能量的密度，來減少和消除焊縫中的氣孔，同時(shí)還能夠有效的細(xì)化精力組織。特別是在22-30kHZ脈沖頻率下，基本上能夠使得焊縫中心和熔合區(qū)內(nèi)的微氣孔完全消失，并且還能夠使得焊縫和接頭組織晶粒得到細(xì)化。采用VPTIG焊焊縫的平均晶粒尺寸為30μm左右，而采用高頻耦合脈沖TIG焊能夠?qū)⒑缚p的平均晶粒尺寸減少到20μm左右，同時(shí)還能夠有效的提升接頭的強(qiáng)度和伸長率。高頻耦合脈沖TIG焊工藝一般以常規(guī)的TIG焊電源作為主要的電源，然后并聯(lián)上一個(gè)高頻電源，通過高頻振動(dòng)和電磁攪拌能量將EN時(shí)段傳遞到熔池。在該工藝當(dāng)中只需要將一個(gè)高頻電源和目前常用的VPTIG進(jìn)行并聯(lián)耦合即可，因此，其具有非常強(qiáng)的生產(chǎn)實(shí)用性，能夠應(yīng)用于各類鋁合金焊接的制造質(zhì)量當(dāng)中，同時(shí)還能夠有效的控制氣孔和均勻化組織[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，對(duì)鋁合金焊接頭組織進(jìn)行定量分析，不僅可以有效的調(diào)整和優(yōu)化鋁合金焊接的工藝，同時(shí)還能夠?qū)附宇^熱循環(huán)的優(yōu)化效果以及實(shí)現(xiàn)接頭性能調(diào)控的途徑等進(jìn)行驗(yàn)證。我們通過對(duì)鋁合金焊接試件的接頭和斷口進(jìn)行觀察和分析可以得知焊接縫當(dāng)中的氣孔位置以及分布的狀態(tài)，利用定量來對(duì)焊接縫氣孔率、分布以及尺度進(jìn)行表達(dá)，是對(duì)焊縫氣孔分辨和定量的必要補(bǔ)充。在鋁合金焊接中采用高配耦合脈沖TIG焊接技術(shù)能夠有效的減少和消除焊接縫當(dāng)中的氣孔，同時(shí)還能夠?qū)宇^組織進(jìn)行細(xì)化，從而有效的提升焊接接頭的綜合力學(xué)性能。