鋁合金構件焊接變形研究及焊接工藝優化

倪海海

（南京航海航標裝備總廠 江蘇省南京市 210000）

0 引言

現階段，隨著我國機械制造業的不斷發展，鋁合金構件在機械生產制造過程中所發揮的價值越來越明顯。尤其在一些現代化高端機械設備當中，通過鋁合金構件的應用可以使機械性能得到進一步的完善。但是從特性來看，鋁合金構件傳熱性能較強，膨脹系數比較大，散熱速度非常快，在實際焊接的過程中非常容易出現變形量過大的問題。因此工作人員在焊接過程中要重點考量焊接變形問題，通過恰當的技術手段，全面提升焊接的質量和效率。下文中筆者將對此展開進行論述。

1 鋁合金構件焊接變形的原因和種類

1.1 焊接變形原因

鋁合金構件焊接變形的原因主要有四種：①由于焊弧熱導致母材融化成池狀，也就是我們常說的“熔池”。熔池的大小和具體形態對于鋁合金構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，會有大量的參與熱量導出，這種熱量一旦作用于構件焊接部位，就會導致焊接部位出現嚴重的變形問題；②鋁合金構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行軟化處理，使鋁合金構件能夠與焊接部位進行充分融合。冷加工主要目的是讓焊接部位以最快的速度凝固[1]，避免焊接部位出現變形問題。冷加工與熱加工結合焊接方式具有非常高的實踐價值，但是在實際使用過程中經常會出現由于操作不當而產生的不良影響，不僅對冷、熱加工實際效果造成影響，同時還會直接引發焊接變形問題；③焊接過程中焊接構件在單位時間當中所傳遞的熱量，這也是引發焊接變形的重要原因之一。如果熱量的傳導效率過大，就會使焊接部位母材熔化速度加快，進而導致焊接成功率大大下降，在后期更是容易出現嚴重的焊接問題；④焊接過程中熱量均勻性把握狀況，如果構件的各個部位受熱不均勻，就會與其感受到的熱量產生多種不同的反應，從而引發變形問題。

1.2 焊接變形的具體種類

焊接變形通常劃分為兩種：①瞬間變形；②殘余變形。瞬間變形指的是焊接過程中構件瞬間感受到的大量熱傳導，從而導致鋁合金構件以及母材在短時間內發生大量的變形。從細化角度來看，瞬間變形又可以分為面內位變形、面外移位變形和相變組織變形三種。殘余變形指的是焊接過程中引起的焊接尺寸改變。殘余變形是一種緩慢產生的焊接變形，對于鋁合金構件的影響是永久性的。焊接殘余變形的具體種類如下：

（1）縱向收縮變形。指的是鋁合金構件在焊縫方向發生的收縮現象。

（2）橫向收縮變形。指的是鋁合金構件在垂直焊縫方向發生的收縮現象。

（3）饒區變形。指的是鋁合金構件在焊接之后在縱向收縮和橫向收縮共同作用下所引起的變形現象[2]。

（4）角變形。指的是焊接之后鋁合金構件平面圍繞焊縫所產生的角拉移現象。

（5）波浪變形。指的是鋁合金構件在焊接之后呈現波浪狀態，這種變形在厚度不足的鋁合金構件當中尤為常見。

（6）錯邊變形。指的是焊接過程中焊接件之間的膨脹系數存在差異，從而引發的長度方向與厚度方向之間的錯邊和錯位。

2 鋁合金構件焊接工藝優化的具體措施

2.1 對焊接設計方案進行全面優化設計

現階段，焊接工程技術的種類呈現多樣化趨勢，工作人員在生產過程中可選取的焊接技術越來越多，因此工作人員可以充分發揮技術優勢，結合鋁合金構件焊縫實際狀況選擇合適的焊接技術。技術方案確定之后，工作人員需要對鋁合金構件的尺寸、規格以及形狀等基礎性參數進行全面而細致的規劃，將構件與母材之間的縫隙控制在最小范圍之內。這樣一來就能夠將瞬時變形和殘余變形對焊接工作的影響降至最低。焊接技術的不合理使用不僅會導致焊接效率下降，同時還會對鋁合金構件本身造成破壞，進而引發焊接成本的上升[3]。在這種情況下工作人員可以借助信息技術，通過模擬焊接的方式明確技術的可操作性，這樣一來可以全面提升焊接工作的精確性，信息模擬焊接技術在現階段焊接工作中已經得到越來越廣泛的應用，并在機械裝備生產領域得到全面推廣。

2.2 對焊接過程進行全面控制

工作人員在焊接工作中要始終遵循焊接工藝的相關設計要求，全面發揮自身焊接工作經驗，從細節角度出發對焊接變形現象進行全面控制。例如在結構設計階段，工作人員可以通過應力形變實驗的方式，全面分析應力出現的大小，并結合設計相關標準對焊縫尺寸進行現場調節。在焊接過程中結合實際情況使用反變形以及剛性固定組裝的方式實現焊接全面預防。在焊接工作結束之后，為防止出現殘余變形的現象，工作人員可以使用加熱矯正的方式，也可以利用機械外力對其進行矯正。如果具備一定生產條件的話，建議現場工作人員開展焊接實體試驗，準確把握焊接工作中需要優化的細節，并結合鋁合金構件的具體參數進行下一步優化，最終使鋁合金構件的性能達到最佳。

如果焊接試驗存在問題的話，工作人員要在第一時間對出現變形現象的構件進行返修處理，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。

2.3 對焊接電源和焊接電流進行全面控制

焊接電源是鋁合金構件焊接過程中最為重要的能量來源，為使焊接質量達到相關標準，工作人員在電源種類和極性的選擇上需要選擇既能滿足焊接相關工藝，又能夠滿足物質、經濟以及技術特性的電源。一般情況下，工作人員使用的焊接電源為直流電源，由于直流電源的電弧具有極高的穩定性，焊接質量非常高，同時在焊接過程中不易出現火星飛濺的情況。隨著技術的不斷發展，一些焊接現場開始使用直流反接電源進行焊接，在焊接過程中可以通過焊接金屬為負極的電弧產生一種陰極霧化效果，使鋁合金構件表面致密的氧化鋁薄膜以最快的速度融化，還可以有效防止焊渣和污染性氣體的產生[4]。這樣一來，工作人員對反應熔池觀察會更加細致，第一時間對焊接的速度和角度進行調整，并且還可以切實減少焊接對工作人員身體健康的危害程度。

焊接電流是焊接工作形變控制的又一重要因素，構件焊接電流指的是經過焊接回路的電流，這個電流與構件的焊接生產效率和焊接質量有著直接的關系，在一些焊接工作量較大的情況下，為了進一步提升焊接效率，工作人員會在保證質量的前提下將焊接電流盡可能地調大。但是如果焊接電流過大的話，大量熱能輸入以及電弧力將會導致焊縫熔深和余高增大，并且還會導致熱影響區的晶粒變得更加粗大，進而導致應力集中區的出現。如果電流較小的話，電弧燃燒的穩定性就會下降，進而不導致氣孔和夾渣等焊接問題的出現。因此在焊接電流的選擇上要通過實踐選取最為合適的電流。

3 總結

綜上所述，隨著鋁合金構件的應用價值越來越明顯，其焊接工作重要性也隨之凸顯出來。因此相關工作人員要結合鋁合金構件的特性，從整體和細節角度同時出發，全面優化焊接工藝，抑制其中明的負面干擾因素，使鋁合金構件在工業生產中發揮其最大的價值。