鋁合金焊接性能及焊接接頭性能的研究

段金龍

（昆明中車(chē)軌道交通裝備有限公司，云南 昆明 650605）

鋁合金材料具有著較強(qiáng)的化學(xué)活潑性及導(dǎo)熱性，氧化膜密度則相對(duì)較低，這些特性使得鋁合金在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)問(wèn)題，而要想對(duì)這些焊接問(wèn)題進(jìn)行有效處理，保證鋁合金焊接質(zhì)量，則需要明確鋁合金焊接性能及其焊接接頭性能，并在焊接過(guò)程中進(jìn)行針對(duì)性的處理。

1 鋁合金焊接性能及焊接接頭性能分析

（1）高溫強(qiáng)度低。由于金屬材料焊接通常都是在高溫條件下進(jìn)行，因此材料熔點(diǎn)對(duì)于焊接質(zhì)量有著直接的影響，鋁合金材料的熔點(diǎn)會(huì)因合金中純鋁含量不同而存在一定的差異，但通常都在600℃左右，這一熔點(diǎn)與銅等其他材料相對(duì)較高，但在進(jìn)行高溫焊接時(shí)，其強(qiáng)度與塑性卻會(huì)迅速降低，這意味著焊接過(guò)程中鋁合金材料很難支撐住液體金屬，而焊縫也會(huì)因此而出現(xiàn)塌陷、燒穿等問(wèn)題。

（2）膨脹系數(shù)高。鋁合金材料的膨脹系數(shù)普遍較高，大多都能達(dá)到銅、鋼的兩倍或以上，而收縮性最高則在75%左右，這意味著在焊接過(guò)程中，高溫的影響很容易使鋁材料因熱脹冷縮而出現(xiàn)變形，并發(fā)生結(jié)晶裂紋、液化裂紋等現(xiàn)象[1]。另外，鋁合金的導(dǎo)熱性雖然比較高，但在高溫影響下其內(nèi)外部溫度仍然會(huì)出現(xiàn)差異，溫差的變化會(huì)使其內(nèi)外部出現(xiàn)不同的膨脹，并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這同樣是鋁合金焊接容易出現(xiàn)愛(ài)你熱裂紋的主要原因。同樣，焊接完成后，隨著焊接接頭處溫度的不斷降低，如果收縮量較大且冷卻速度較快，那么其收縮變速率就會(huì)隨之提高，并使鋁合金焊接接頭處出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，而這同樣是焊接處產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。

（3）氧化能力強(qiáng)。鋁材料的氧親和力非常強(qiáng)，長(zhǎng)期暴露在空氣中很容易形成氧化鋁薄膜，這種薄膜雖然厚度較低，且具有著較高的密度與結(jié)實(shí)度，但熔點(diǎn)卻高達(dá)2050℃，如果在未經(jīng)處理的情況下直接進(jìn)行焊接，鋁材料就很難與其他金屬材料有效結(jié)合起來(lái)，焊接接頭出也會(huì)因氧化鋁殘?jiān)拇嬖诙霈F(xiàn)氣孔。此外，氧化膜薄膜本身具有著吸附水分的特點(diǎn)，在焊接時(shí)氧化薄膜表面的水分會(huì)迅速汽化并分解為氫氣，而在焊接結(jié)束后，由于鋁合金材料溫度迅速降低，氫氣的溶解度也隨之下降，并最終上浮造成氣孔，直接影響焊接質(zhì)量。

（4）接頭易軟化。鋁合金材料焊接通常以熱處理焊接為主，這種焊接方式雖然能夠在現(xiàn)階段應(yīng)用十分廣泛，但由于鋁合金的高溫塑性與強(qiáng)度均較低，因此焊接接頭的熱影響區(qū)通常都會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，即便在處理得當(dāng)?shù)那闆r下不會(huì)導(dǎo)致裂縫、變形等缺陷，但強(qiáng)度的降低仍然會(huì)影響到焊縫附近區(qū)域的力學(xué)性能，且焊接線能量越大，性能降低的程度也會(huì)愈加嚴(yán)重。

（5）接頭耐腐蝕性差。鋁合金本身的耐腐蝕性并不差，但在經(jīng)過(guò)熱處理后，由于焊縫處與鋁合金本身相比致密性、純度均明顯不足，同時(shí)還會(huì)存在大量的雜質(zhì)與粗大晶粒，因此其耐腐蝕性會(huì)迅速下降，而在耐腐蝕性不足的情況下，鋁合金焊縫處就很容易因表面腐蝕而出現(xiàn)晶間腐蝕、裂縫等問(wèn)題。

（6）色澤變化小。在金屬材料焊接過(guò)程中，焊接人員通常都需要根據(jù)金屬色澤變化來(lái)把握焊接溫度以及不同焊接操作的時(shí)機(jī)，但由于鋁合金材料在液態(tài)與固態(tài)狀態(tài)下其顏色變化非常小，肉眼很難進(jìn)行區(qū)分，因此焊接人員焊接時(shí)基本無(wú)法根據(jù)色澤變化來(lái)判斷材料是否液化，使焊接難度有了較大的提升。

（7）熱導(dǎo)率高。鋁合金材料雖然熔點(diǎn)較高，但熱導(dǎo)率與熱容量也同樣是非常高，這意味著在進(jìn)行焊接時(shí)，焊機(jī)所產(chǎn)生的熱能會(huì)被迅速傳導(dǎo)至鋁合金材料，而焊接接頭處的熱能則會(huì)相對(duì)不足，如果無(wú)法將熱能集中，那么焊接接頭的質(zhì)量就會(huì)因接頭處熱能不足而受到影響。

2 鋁合金焊接問(wèn)題的有效處理措施

（1）焊縫塌陷問(wèn)題處理。焊縫塌陷問(wèn)題主要是由鋁合金材料熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度低所導(dǎo)致的，為避免鋁合金在高溫條件下因強(qiáng)度過(guò)低而出現(xiàn)塌陷，焊接前應(yīng)提前準(zhǔn)備好墊板，并用墊板作為鋁合金的支撐，這樣即便材料在高溫條件下強(qiáng)度降低，也不會(huì)出現(xiàn)明顯的變形與塌陷。

（2）焊縫熱裂紋處理。鋁合金材料焊接過(guò)程中的熱裂紋缺陷十分常見(jiàn)，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(guò)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)。

（3）焊縫氣孔處理。針對(duì)鋁合金材料表面氧化鋁薄膜所導(dǎo)致的焊縫氣孔問(wèn)題，焊接人員一方面需要在焊接前用機(jī)械或化學(xué)方法將鋁合金材料表面的氧化物清理干凈，避免氧化鋁薄膜形成殘?jiān)虮砻嫠制诹硪环矫鎰t需要在焊接時(shí)使用一些保護(hù)氣體對(duì)鋁合金材料進(jìn)行保護(hù)，或是用焊絲將氧化鋁薄膜持續(xù)挑破，以防止要鋁合金材料在焊接過(guò)程中再次出現(xiàn)氧化。

（4）接頭軟化問(wèn)題處理。受鋁合金特性影響，其接頭在焊接過(guò)程中軟化是很難避免的，因此焊接人員應(yīng)針對(duì)材料特性采取相應(yīng)的焊接工藝，并對(duì)焊接條件、焊接順序焊接溫度等進(jìn)行合理把握，例如運(yùn)用脈沖氬弧焊進(jìn)行焊接，就可以利用其焊件變形小、熱影響區(qū)小的特點(diǎn)，降低焊接接頭軟化的影響，而通過(guò)對(duì)焊接溫度的控制，則可以使降低接頭的軟化程度，避免接頭力學(xué)性能收到太大影響。另外如鋁合金材料高溫軟化無(wú)法恢復(fù)，則應(yīng)盡量在退火或在固溶狀態(tài)下進(jìn)行焊接，并在焊接完成后再進(jìn)行熱處理。

（5）接頭腐蝕問(wèn)題處理。鋁合金材料雖然會(huì)在高溫后出現(xiàn)耐腐蝕性降低的情況，但初期影響并不大，因此焊接人員可以通過(guò)改善接頭組織成分的不均勻性來(lái)使焊縫很進(jìn)化，并在焊縫處制造出各種細(xì)化晶粒，以提高其耐腐蝕性，同時(shí)也可以采取陽(yáng)極氧化處理或涂層等方法來(lái)對(duì)鋁合金材料進(jìn)行保護(hù)，避免鋁合金材料出現(xiàn)腐蝕。

（6）焊接操作改進(jìn)。鋁合金材料的固態(tài)與液態(tài)在色澤上雖然很難進(jìn)行判斷，但只要能夠熟悉焊接操作要求，并對(duì)焊接時(shí)所需的工序操作進(jìn)行掌握改進(jìn)，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的保證。

（7）熱能不足問(wèn)題處理。為了解決熱能不足問(wèn)題，焊接人員還需對(duì)激采用能量集中、功率大的熱源，并對(duì)預(yù)熱等工藝措施進(jìn)行靈活利用，保證焊接時(shí)鋁合金材料能夠維持在高熱能的狀態(tài)下，從而避免未焊透、未熔合等問(wèn)題的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，受鋁合金材料焊接性能及焊接接頭性能影響，其在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)氣孔、塌陷、裂紋等缺陷，而要想避免這些缺陷的形成，則還需要在焊接工序、焊接工藝、焊接材料等方面采取針對(duì)性的處理措施。