鋁合金焊接接頭的軟化及改善措施

蘇衍福 劉海林 董長樂 謝成富 蔡忠彪

摘 要：鋁合金具有優良的導熱性能，在焊接鋁合金時必須有較大的熱輸入，方能形成良好的焊接熔池。在焊接過程中，由于熱輸入較大或焊接工藝不當等原因，容易出現焊接變形和存在殘余應力，同時由于在焊縫和熔合區中存在重結晶及熱影響區晶粒的粗化，造成焊接熱影響區軟化，且焊縫的最終組織為鑄態組織，易形成氣孔、縮松等缺陷，致使焊接接頭強度大大降低，嚴重影響構件的使用性能。

關鍵詞：鋁合金；焊接接頭；軟化；改善措施

鋁合金焊接接頭的軟化問題是鋁合金在焊接結構中應用的一大難題，鋁合金焊接接頭的軟化問題及其產生原因做了簡要分析，提出了一種采用深冷處理工藝來強化鋁合金焊接接頭的新方法。

一、焊接接頭軟化的原因

1.非熱處理強化鋁合金的接頭軟化。非熱處理強化鋁合金焊接接頭軟化主要是由焊接熱影響區晶粒粗大和焊接接頭局部冷作硬化效果消失而造成的。熱影響區的峰值溫度超過再結晶溫度（大約200～300℃的區域）就產生明顯的軟化現象，產生軟化后，焊接接頭的硬度大為降低，甚至抵消了冷作硬化的強化效果。因此，焊前母材冷作硬化的程度越高，焊后接頭的軟化程度就越嚴重，這種軟化現象在熔焊條件下是不可避免的。尤其是對經冷作硬化產生強化效果的薄板鋁合金的焊接，焊后其強化效果可能會全部消失。

2.熱處理強化鋁合金接頭的軟化。熱處理強化鋁合金焊接后接頭會產生明顯的軟化現象，其原因主要是由于焊縫和熱影響區的組織與性能在焊接高溫環境影響下發生變化而引起的。熱影響區的軟化主要是由于在焊接高溫作用下發生“過時效”所致，即熱影響區第二相（強化相）脫溶析出并集聚長大，使強化效果消失，形成“過時效”軟化，這也是在熔焊條件下很難避免的。對于熱處理強化鋁合金，由于產生熱裂紋的傾向較大，為防止熱影響區的軟化，焊接時應采用較小的焊接熱輸入，以減小熱影響區的高溫停留時間，避免晶粒在焊接高溫下再次長大而形成較大的粗晶區，產生接頭軟化。

二、改善措施

1.常用改善措施。國內外對鋁合金焊接接頭強化的研究主要集中在兩個方面：一方面是從冶金學角度考慮，采用焊接熱模擬的方法，通過改變焊絲的成分、進行熱處理等方法研究和改善焊接接頭區的組織和性能，提高接頭強度；另一方面是從力學角度考慮，采用時效強化、隨焊碾壓強化、擠壓強化、錘擊強化、溫差拉伸、局部補強等方法來改善焊接接頭的性能。從冶金學角度采用焊后熱處理可使在焊接過程中減弱或消失的熱處理強化效果得到一定恢復，但其只適合于小型焊件，且易產生較大變形，應用受到一定限制。從力學角度采用的時效強化，在一定范圍內可提高接頭強度，但此種方法也易出現“過時效”軟化，使晶粒粗化，降低接頭強度；隨焊碾壓可降低焊縫及近縫區的殘余應力，但其由于靠輪軸傳遞碾壓力，而碾壓輪尺寸較大，與焊槍互相干涉，容易產生打弧現象，加之設備龐大很難用于實際生產；隨焊旋轉擠壓能夠降低接頭殘余應力和變形，但此方法只適用于薄壁焊接結構件，應用受到較大的限制；隨焊錘擊可改善薄板結構焊縫及焊趾的力學性能，但由于錘尖直接錘擊在焊道兩側和焊道表面，所以錘擊面粗糙，且需要附加裝置，控制比較復雜；溫差拉伸法生產效率低，成本較高，工作環境差，使用不方便，而且由于其加大了焊縫區的橫向收縮，不適用于封閉焊縫的焊接；局部補強可使構件總承載能力達到設計要求，適合于中大型構件，小型構件不宜使用。以上措施無論是從焊接工藝方面還是焊后熱處理等方面入手，均能在一定程度上提高鋁合金焊接接頭的強度，但也存在著一些不足，解決效果并不十分理想。

2.深冷處理。深冷處理是上世紀60年代從普通冷處理（0～100℃）的基礎上發展起來的一門新技術，是在-130℃以下對材料進行處理的一種方法，它是最新的材料強韌化處理工藝之一。深冷處理可有效提高鋼鐵金屬、非鐵金屬及復合材料的力學性能和使用壽命、穩定尺寸、改善均勻性、減小變形，而且操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低。目前，國內外對工模具鋼深冷處理的研究較多，其性能改善顯著，而對結構鋼，硬質合金，鋁合金等非鐵金屬材料的深冷處理研究較少。針對鋁合金焊接接頭的軟化采用深冷處理技術使其強化，在國內外研究中尚屬空白。對5A06鋁合金MIG焊焊接接頭做了深冷處理試驗，研究發現，深冷處理后，5A06鋁合金焊接接頭力學性能得到顯著改善，抗拉強度提高，硬度有所降低，焊縫區晶粒得到細化，第二相在基體中彌散析出，提高了焊接接頭的強韌性。試驗材料為5A06鋁合金板材，焊接試板尺寸為300mm×100mm×7mm，V形坡口，對接。焊絲選用焊接性能良好的ER5356，焊絲直徑為1.6 mm。焊后焊縫需經X射線（RT）探傷，經探傷合格的試樣采用線切割制備成標準的焊接接頭拉伸試樣，冷處理的焊接接頭相比，抗拉強度提高了15.25%。深冷處理8 h后，相對于深冷處理4 h的試樣，其強度有所降低。由于本次試驗過程中深冷處理的時間并不充分長，所以長時間深冷處理后的強度是否會明顯降低還不能確定。5A06鋁合金+ER5356（焊絲）焊接接頭焊縫區金相顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，圖1a是未經深冷處理的焊縫區金相顯微組織，其晶粒比較粗大，且大小分布不均勻，呈明顯的樹枝狀鑄態組織；圖5b為經深冷2h的焊縫區金相顯微組織，與圖1a相比，其晶粒明顯變得細小，而且在焊縫基體上有第二相析出，分布比較均勻，晶粒得到細化；圖1c與圖1d，

隨著深冷時間的增加，晶粒進一步變得細小，第二相在基體上的析出量也隨之增多，且分布更加均勻、致密，晶粒細化。其中，晶粒最細小均勻分布的是深冷處理8 h后的顯微組織圖，說明鋁合金焊接接頭經深冷處理后焊縫區晶粒得到了顯著細化，焊接接頭強韌性提高，力學性能得到改善。其主要原因是鋁合金焊接接頭經-155℃深冷處理后，體積收縮，焊縫區Al的晶格常數有縮小的趨勢，從而加強了第二相析出的驅動力，但由于低溫下的擴散更為困難，擴散距離更短，于是在基體上析出彌散分布的超微細第二相，并且隨著深冷處理時間的延長，析出的第二相逐漸增多，在基體中的分布也越來越均勻、致密。同時，深冷處理使得晶格收縮，體積收縮可使焊接接頭內部的部分缺陷如空位和微孔得到彌合，從而使晶粒變得細小，并且改善了焊接接頭的力學性能。

總之，深冷處理作為最新的材料強韌化處理工藝之一，具有積極的應用前景與發展空間。

參考文獻

[1]張雪.淺談鋁合金焊接接頭的軟化及改善措施.2017.

[2]李軍，鋁合金焊接接頭的軟化及改善措施的研究.2018.