關于高強鋁合金焊接的研究

但 龍，馬 君，楊 釗

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著高強鋁合金在各行各業中應用范圍的擴展，焊接質量的高低成為了人們關注的重點，對此，需要結合高強鋁合金的特殊性能，探索提升焊接質量的方法，以為高強鋁合金的應用提供可靠性支撐。

1 焊接特點

1.1 熱裂紋

對于高強鋁合金而言，熱裂紋的控制既是一項關鍵技術，也是一項技術難點。熱裂紋的形成基于高強鋁合金的特性，因為高強鋁合金具有較大的線膨脹系數和較寬的脆性溫度區間（BTR），在凝固的時候往往收縮率比較高，所以在焊縫凝固時，也像的存在會讓晶界的結合力逐漸變弱，進而會在拉壓力的關系下形成熱裂紋。

1.2 接頭“軟化”

所謂“軟化”，主要是指在進行焊接行為后，焊接接頭處的強度低于母材的一種加工行為。此種“軟化”現象也是一類關鍵技術，并且此種問題和其導致的使用壽命大幅度縮短現在已經成為了制約高強鋁合金發展與使用的重要瓶頸。

1.3 焊接變形

焊接時發生變形問題會影響接頭的最終尺寸與精度。在實際生活中，焊接變形主要有以下幾種分類，即：縱橫向收縮變形、角變形、錯邊變形、撓曲變形、波浪變形以及螺旋變形[1]，之所以會有諸多的變形問題，主要源于焊接熱循環和焊縫收縮，尤其是在對薄板鋁合金進行焊接時，因為鋁合金的線膨脹系數比較大，所以很容易產生波浪變形。另外，受焊接熱源的外部作用，焊接區域的在高溫下快速熔化，被焊接材料急速膨脹，但又因周邊冷區域的限制，就會出現熱應力。與此同時，伴隨著溫度的升高，材料所具有的屈服極限會有所下降，接受焊接的區域便會受到塑性壓縮。在冷卻時則正好相反，高溫區域在冷卻的時候，受周邊冷金屬的約束，不會產生同步收縮，也就不會受到塑性拉伸，此時拉伸塑性應變難以抵消擠壓塑性應變，導致的后果便是構件中會留存有殘余變形與殘余應力。

1.4 氣孔

根據實驗表明，高強鋁合金之所以會產生微小空洞，主要是因為氫。在鋁合金的溶解度中，氫的凝固點會發生變化，從69mL/100g轉變至0.036mL/100g[2]，幾乎相差20倍，所以在熔池發生凝固的時候，之前溶入的大部分氫都會析出，進而形成氣泡。加之鋁合金的比重較輕，熔池中的氣泡上升速度緩慢，在鋁合金導熱能力之下，氣泡難以在短時間內溢出，滯留在內的氣泡便會成為氣孔。

（5）導熱性強

高強鋁合金的另一個特點是熱導率大，所以在同樣的焊接速度之下，這種材料所需的焊接熱輸入要比普通鋼材的熱輸入大2-4倍，但也不能因此就注入過量的熱輸入，過量的熱輸入會出現波浪變形和“軟化”，因此使用非發散性質的高能量熱源進行焊接，方能保證焊接的質量。

2 焊接方法

基于高強鋁合金這種材質所具有的應用前景與綜合性能，人們一直在尋求高效且新型的焊接技術，以期能用低成本投入獲得高性能的接頭，實現經濟效益最大化。

2.1 TIG焊

這種焊接方法相對比較傳統，其應用優勢是：第一，不論是熔池還是電弧，都有操作方便以及可見性好的優點；第二，焊接過程中留下的熔渣很少，甚至沒有，所以就無需進行焊后清渣工作；第三，能夠完成小電流焊接，所以這種方法常用來焊接薄板；第四，這種方法在使用時會有陰極霧化效果，所以能夠有效破碎高強鋁合金外層的氧化膜，為焊接工作的進行提供便利。應用劣勢是：較之高能束焊，TIG焊所需的熱輸入量比較大，焊縫的深寬也很小，所以接頭軟化問題比較突出。

2.2 MIG焊

使用MIG焊接方法時，需要使用氬氣（Ar）或是氦氣（He）兩種惰性氣體。因為惰性氣體會產生保護作用，并且氬氣的收縮效應較低，所以電弧的燃燒較為穩定，而熔滴在想熔池過渡的時候也比較平穩，不會有激烈的飛濺，由此這種方法很適合用于高強鋁合金的焊接。較之TIG焊接方法，MIG焊接方法一方面具有焊接熱輸入少，能夠緩解接頭軟化問題的優勢，另一方也具有提升生產效率的優勢，但是該種焊接方法的劣勢也很明顯，即不是很穩定。

2.3 等離子弧焊

實驗表明，借助電磁、機械以及熱這三者的作用進行壓縮后，會使電弧的能量變得更加集中。所以隨后人們就將這種原理應用于焊接，并稱做“等離子弧焊”。這種焊接方法的不足之處在于：焊接的穩定性不強，表現在電弧以及焊縫質量兩個方面都不是很穩定。

2.4 真空電子束焊

這種焊接方法是一種較為先進的焊接方法，其優勢是：第一，對于焊縫的定位較為精確，在重復性與精度方面的誤差可以達到0%；第二，穿透深度達，深寬比也較高，一般來講，深寬比最高可以大于10:1[3]；第三，焊縫非常純凈，呈現鏡面狀，不會出現氧化的缺陷，所以比較適宜于焊接活潑金屬；第四，這種焊接方法是電子束具有的能量密度比較高，可以把焊接的金屬快速加熱到較高溫度，所以能夠用以熔化難熔金屬，并且還具有焊速快、變形小、熔深大的優勢。

劣勢是：第一，焊接對于環境的要求較高，需要在真空室進行，所以工件的形狀和尺寸會受此因素的影響；第二，對于焊接之前的裝配精度以及加工技藝的要求高；第三，焊接易受散雜磁場干擾而具有不穩定性；第四，在焊接時會產生X射線，容易損害人體健康；第五，所需的焊接設備價格昂貴。

2.5 激光焊

激光焊使用的熱源是激光束。激光焊有兩種類型，其一是熱導焊，這種類型的焊接方法使用的激光功率較小，焊接材料在吸收激光后，表面會逐漸熔化，通過熱傳導會形成熔池，使用此種焊接方法，熔深淺且深寬小；其二是深熔焊，這種類型的焊接方法使用的激光功率較大，一般來講，工件在吸收了激光后，會產生熔化甚至汽化的現象[4]，然后被熔化的金屬會形成小孔，也即激光通道。

3 質量控制

3.1 針對熱裂紋

熱裂紋的控制有以下方法：第一，冶金處理法。從冶金的角度對熱裂紋進行控制，控制的原理是通過添加與母材不同的焊絲，對焊縫處的成分進行改變，達到調整BTR寬度和延性的目的，但是這種方法存在的問題就是焊縫處的強度不高；第二，預壓應力法。這種方法實則是通過施加外部壓力來抵消裂性拉伸應力，并降低熱裂傾向，具有設備簡單易操作的優勢，能夠很好的防止熱裂紋；第三，隨焊激冷法。這種焊接方法的原理是：利用冷卻收縮的作用，對BTR金屬進行橫向擠壓，使得塑性拉伸應變得以推遲，能夠有效降低熱裂紋出現的傾向，另外，隨焊激冷會讓冷卻速度大幅度增大，但較之橫向壓縮，造成的影響則比較小，所以也能有效防止熱裂紋的出現；第四，隨焊碾壓法。這種方法的工作原理與隨焊錘擊法的工作原理比較相似，一般適用于薄板結構類型的焊接，在焊接時，受橫向溫度梯度的影響，對焊縫兩側的金屬進行碾壓，使得焊縫以及熱影響區的金屬發生橫向壓縮應變，以此來防治熱裂紋的出現。

3.2 針對焊接變形

焊接變形的控制措施有三種：其一是焊前措施。焊前可以采取的措施有：選擇焊縫形狀與尺寸，避免多個焊縫重疊交叉；焊趾尺寸要小；板厚要小；最適宜的是角焊縫或是斷續焊縫；復雜結構應盡可能的用組合焊接；肋板位置與形狀要進行選擇；要采取預變形措施[5]；其二是隨焊調控。隨焊調控的具體方法有剛性固定法、減少熱輸入法、焊接順序優化、預拉伸法、溫差拉伸法、隨焊激冷法、隨焊錘擊法和錘擊碾壓法；其三是焊后調控。常用的方法有機械方法和加熱法兩種，機械法是主要應用在大型工件的加工，而加熱法主要是用于消除殘余應力。

4 結束語

目前高強鋁合金焊接技術正在高速發展著，且應用范圍也在不斷擴大。面對高強鋁合金所具備的多項優勢，有必要進一步加強對高強鋁合金焊接技術的研究，使其能夠助力高速列車、航天軍工以及新能源汽車等領域的發展。