鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

李琪?黃成成

摘要：隨著社會的發展，我國的各行各業的發展也有了進步。鋁合金產品是現代工業生產中比較常用的一種合金材料，該材料不僅僅具有較高的熱電導率和抗腐蝕能力，還具備較強的物理力學性能，在現代工業中的應用范圍越來越廣，但是在運用過程中還存在一些問題，尤其是在焊接環節，經常出現裂縫。之所以出現這個問題，一方面是因為鋁合金自身的化學活性比較強，容易形成氧化膜，具有難溶的特點，增加了焊接的難度，另一方面則是因為工作人員在施工過程中焊接方法以及工藝不達標，沒有按照正確的施工順序開展焊接工作。

關鍵詞：鋁合金焊接;加工工藝;焊接裂紋;防治措施

引言

隨著計算機技術和數值模擬分析技術在塑性加工中的應用和發展，人們相應提出了數字化精鍛成形的概念。數字化精鍛的內涵主要包括精密塑性加工工藝、數值模擬仿真（CAE）技術，精密塑性加工模具CAD/CAM技術和精密測量技術。

一、重要性

鋁合金具有材質輕、耐腐蝕、耐低溫、力學性能好等優勢，廣泛應用于航空航天、軌道交通、汽車、船舶、化工等眾多工業制造領域。近幾年，隨著國家對環保、節能、減排的宏觀經濟體制改革，對鋁合金材料有了很大的需求量，尤其是高強度的鋁合金材料有著高剛度、高耐蝕性、優良加工性、高力學性等，逐漸成為各領域制造業輕量化應用不可缺少的重要材料。目前，鋁合金的焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊、激光焊等。激光焊接具有能量高、熱源集中、熱損小、變形小、焊縫深寬比大等優點，并且在焊接過程中便于形成集成化、自動化、柔性化的生產優勢，滿足高速、高精度的焊接，焊接時無需真空作業環境，非常適合在惡劣的環境下對復雜的結構件實施高精度的焊接。因此，研究鋁合金激光焊接工藝及其應用具有非常重要的意義。

二、鋁合金材料焊接時的難點

（一）氧化時金屬融合質量低

在焊接的時候，鋁會和空氣中的氧氣直接接觸，會產生氧化反應，在表面形成0.1um～0.2um的三氧化二鋁薄膜，并且此時的熔點要遠遠大于2050℃，這嚴重違背了鋁合金熔點的規律，一般而言鋁合金的熔點是600℃左右的。并且此時氧化鋁的密度也比較高，遠遠超過了普通鋁材料的密度值，因此鋁薄膜會快速吸收表面的水分，從而在焊接環節造成金屬融合困難的現象，最終導致焊接出現氣孔，或者是殘渣等問題。

（二）焊接環節氣孔現象嚴重

在鋁合金焊接工作中還容易產生氣孔，而之所以會產生氣孔時因為鋁在液態的時候可以溶解氫，但是如果鋁處于固態，就不具備這種性能。因此，如果熔池的溫度比較低，甚至呈現出凝固狀態的時候，熔池中的氫無法快速發散到空氣中，從而導致鋁合金焊接的時候出現氣孔。由于氫氣孔的特殊性，因此，在焊接活動中是無法完全避免的，這和氫氣的來源分不開，因為在焊接活動中不管是鋁合板還是焊絲表面都會將空氣中所含有的水分進行吸收。就算氫氣的程度非常高，甚至接近100%，如果無法完全剔除空氣中的水分，那么焊接時也會出現氣孔。

（三）其他焊接難點

鋁合金材料在焊接的時候所產生的裂縫會出現進一步變形，裂縫的縫隙甚至還會增大，這主要是由鋁自身的特點所決定，因為鋁的導熱性能比較強，線性膨脹系數或者是結晶收縮率要遠遠高于鋼材料，所以焊接的時候會產生相應的內應力，從而產生裂縫并發生相關的變化。另外在焊接活動中，鋁合金中的元素也會出現流失的情況，這是因為鋁合金是一種合金金屬，因此里面除了鋁元素以外，還有低沸點的鎂元素、鋅元素、錳元素等，而這些元素并不耐高溫，因此在焊接的時候會蒸發，影響焊接的質量。另外，在焊接過程中無法產生任何的色彩變化，因為鋁合金在焊接的時候會從固態轉變為液態，如果在這個過程沒有發生顏色變化，那么焊接工作者無法科學把控加熱的溫度。

三、鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

（一）石油管道

1）鋁合金石油管道能夠有效增加管道的直徑及管壁的厚度，使管道在額定的時間里輸送更多的油量。管道輸送石油非常危險，容易發生泄漏現象，一旦發生泄露可能會造成不可估量的財產損失、人員傷亡、環境污染、水源污染等重大危害。2）鋁合金管道焊接時，提升焊接質量、避免焊接缺陷是關鍵。3）激光焊接鋁合金管道可以產生非常大的效益，同時可以有效地控制焊接質量。焊接時可以保證焊縫一次成形且焊接質量比較高，這樣可以避免由于焊縫缺陷導致石油泄漏危害

（二）航空航天

1）航空航天產品對材料的使用更是嚴格要求，需要保證材料的高精度、耐熱性、穩定性、持久性。鋁合金的產品可以有效地降低制造成本、減輕自身重量。2）激光焊接鋁合金材料技術的大力應用，為提高航空航天事業的制造水平提供了先進工藝。

（三）調整焊接工藝參數

在焊接的過程中，焊接工藝參數也是影響焊接效果的重要參數。如果焊接工藝參數處于不平衡狀態，數值增長過快都會產生焊接裂紋。采用熱量集中的焊接方式，可以加速焊接速度，同時還可以預防形成粗大的柱狀晶體，有效改善了裂紋問題。而采用比較小的電流焊接的方式，其焊接速度會相對比較慢，但是也能減少熔池過熱的現象，可以大大減少裂紋的產生。對于這一類焊接情況，就必須根據鋁合金的形狀以及焊接工藝來調整其焊接參數以及焊接方式，保證焊品的美觀性和完整性。其次，其實焊接工藝對于材料的要求也比較高，比如鋁合金材料，在焊接之前首先要對表面進行處理，保證其焊接表面的平整性，因為如果有雜物也會使材料產生裂縫，降低焊接質量。另外，鋁合金材料在焊接時，為了不使材料形成比較大的剛性合力，可以采用分段焊接，或者是預熱，以此來控制焊接速度，減少焊接裂紋的產生。預熱處理可以使焊接材料的膨脹性相對較小，那么焊接應力也就比較低，鋁合金焊接起來也很美觀，不會產生裂紋。

（四）提高焊接工作的質量和效率

在工藝環節，要防止裂縫就必須規劃施工流程，要求工作人員按照焊接的工作要求有序開展施工活動，依次做好預熱、接頭形式以及焊接方面的工作。焊接工藝的參數將會直接影響到鋁合金凝固時的組織形式，以及內部應變的增長速度，是裂紋產生與否的關鍵環節。通過采取熱能集中這種焊接方法，可以提高焊接的效率，從而有效防止在焊接活動中出現方向性比較強的粗大壯晶體，從而提高鋁合金材料的韌性。另外還可以通過減小焊接的電流，對焊接的速度進行調節，通過減緩速度來降低熔池的溫度，減少焊接過程中合金材料的內外溫差，防止裂縫的產生。因為在焊接的時候，如果焊接的速度過快，那么焊接接頭的應變速度也會呈現同方向發展，從而產生熱裂傾向。另外，在焊接的時候，還可以采取分段焊接的手段，或者是通過焊接前的預熱工作，最大限度地降低試件的相對膨脹系數，降低脆性溫度區間的應力。如果在焊接過程中出現焊接中斷，那么工作人員需要及時做好弧坑的填滿工作，同時去除相關的熱源，防止弧坑產生裂縫。

結語

1）鋁合金是發展過程中應用范圍越來越廣的材料，如何不斷提高鋁合金材料的應用范圍及利用率，是目前各行各業研究的重心。2）激光焊接作為一種新興的焊接技術，能夠有效地解決焊接氣孔的缺陷，通過不斷拓寬激光焊接在鋁合金材料中的應用，會發揮更大的作用。3）隨著激光焊接技術和鋁合金材料技術的發展，需進一步對激光焊接鋁合金技術的研究及開發新的工藝，有效地挖掘激光焊接鋁合金材料的潛能。4）由于鋁合金材料的特性，大功率激光焊接時還有很多課題需要研究，其中控制焊縫成形后的氣孔缺陷就是不斷提升鋁合金焊接質量的關鍵。

參考文獻：

[1]汪健坤，李強，黃磊，等.激光焊接技術最新研究進展及應用現狀[J].金屬加工（熱加工），2020（3）：4-10.

作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司