王新維?孫成剛?王超

摘要：目前，我國(guó)的鋁合金行業(yè)的發(fā)展迅速，相對(duì)于鋼制結(jié)構(gòu)，鋁及其合金具有材質(zhì)輕、無低溫脆性、耐腐蝕和易于壓力加工的優(yōu)勢(shì)，鋁被應(yīng)用在航空航天、交通車輛、化工行業(yè)等生產(chǎn)制造領(lǐng)域。由于其防腐性能優(yōu)良、低溫韌性好的特點(diǎn)，在石油、化工、深冷行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在建筑行業(yè)，由于鋁的質(zhì)量輕、防腐性能好，因此鋁結(jié)構(gòu)代替鋼結(jié)構(gòu)也有大量應(yīng)用。特別是在交通車輛制造領(lǐng)域，鋁合金這種輕型材料的應(yīng)用能提高運(yùn)行速度和降低能源消耗，在現(xiàn)在的能源形勢(shì)下具有特別的意義。歐美國(guó)家早在20世紀(jì)中葉就建造了許多鋁合金結(jié)構(gòu)，而我國(guó)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚，應(yīng)用研究較少，早期也無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可循，這直接影響了國(guó)產(chǎn)鋁合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2007年，我國(guó)第一部鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50429）經(jīng)建設(shè)部正式頒布，自2008年3月1日起實(shí)施，這對(duì)于我國(guó)鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。焊接在鋁合金結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造過程中具有非常重要的作用，鋁合金焊接技術(shù)的不斷發(fā)展也保證了鋁結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。與成熟的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造相比，鋁合金的結(jié)構(gòu)和焊接制造原則沒有變化，都需要通過合理的力學(xué)設(shè)計(jì)和焊接制造來保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度。與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金在強(qiáng)度、彈性模量、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等方面都有顯著不同，所以在焊接接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和接頭細(xì)節(jié)部分與鋼結(jié)構(gòu)有較大不同。本文基于歐洲規(guī)范，從接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面介紹鋁合金焊接接頭的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;焊接接頭;設(shè)計(jì)特點(diǎn)

引言

隨著先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)不能滿足制造業(yè)的需求。對(duì)于高強(qiáng)度、剛性好、耐腐蝕、可焊接的材料受到制造業(yè)的追捧，尤其在航空、航天飛行器、汽車車身、軌道交通等行業(yè)對(duì)于輕量化材料的應(yīng)用非常廣泛，鋁合金材料將其自身優(yōu)勢(shì)獲得各行業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用。因此，對(duì)鋁合金材料的結(jié)構(gòu)、性能和使用壽命要求越來越高，鋁合金焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鋁合金材料的結(jié)構(gòu)組織和性能的優(yōu)良。

一、焊接接頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

鋁合金結(jié)構(gòu)中最常用的母材為5系列、6系列、7系列，這些鋁合金經(jīng)過形變強(qiáng)化或者是熱處理強(qiáng)化獲得了一定的強(qiáng)度。但焊接熱循環(huán)過程必然會(huì)造成對(duì)強(qiáng)化組織的改變，造成焊接熱影響區(qū)軟化，比如6系列時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，由于強(qiáng)化相粒子在焊接熱影響區(qū)發(fā)生過時(shí)效而粗化，造成該區(qū)域軟化，所以焊接接頭設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮焊接熱影響區(qū)軟化造成的強(qiáng)度下降問題。正是因?yàn)橐陨显?，歐洲規(guī)范（EN1999-1-1）中規(guī)定，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用形變強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的鋁合金時(shí)，焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度下降是允許的。但在供貨狀態(tài)為O（退火）或F（制造）狀態(tài)下，其臨近焊縫熱影響區(qū)無強(qiáng)度下降現(xiàn)象，這是因?yàn)镺或F狀態(tài)意味著材料并沒有經(jīng)過形變強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化的工藝過程，材料強(qiáng)度僅通過固溶強(qiáng)化獲得，焊接熱循環(huán)不會(huì)破壞固溶強(qiáng)化組織，也就不存在熱影響區(qū)強(qiáng)度下降的問題。

二、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。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，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、裂縫等問題。

三、鋁合金焊接工藝優(yōu)化

（一）焊接工藝優(yōu)化對(duì)晶粒度的影響

不同的焊接工藝對(duì)焊接接頭金相組織晶粒度的影響不同，現(xiàn)有的焊接工藝大功率激光焊的焊縫中心區(qū)組織晶粒最細(xì)小，但力學(xué)性能較差，在激光焊中增加TIG輔助、高頻TIG復(fù)合焊等技術(shù)引進(jìn)使晶界共晶相的寬度較小、焊縫組織細(xì)化、力學(xué)性能增加。但從組織的均勻性考量，晶粒仍比較粗大，從焊接工藝對(duì)焊接接頭的性能角度，為降低熔合區(qū)的晶粒粗大、晶界析出量等接頭缺陷，焊接接頭的工藝參數(shù)需要優(yōu)化，對(duì)打底層采用快速焊、焊絲填充量背面成型寬度控制在≥5mm，正面焊縫平面控制在≤1mm。經(jīng)驗(yàn)證此時(shí)的接頭晶粒組織細(xì)而均勻，對(duì)填充層采用低速焊，焊縫平面控制在≤1mm，給予接頭足夠的熱循環(huán)時(shí)間，獲得較為細(xì)化的晶粒組織。

（二）焊接工藝優(yōu)化對(duì)氣孔率的影響

現(xiàn)行鋁合金材料焊接工藝的填充層采用焊槍擺動(dòng)所產(chǎn)生的接頭質(zhì)量，熔寬范圍、接頭的軟化區(qū)相應(yīng)的加大，與不擺動(dòng)焊槍相比，雖然在一定程度上改善了焊縫內(nèi)氣孔率，但通過焊槍擺動(dòng)改變?nèi)晕从行Э朔酆暇€附近局部氣孔率高的常見問題，鋁合金材料散熱和熱傳導(dǎo)條件的不一致對(duì)焊接接頭性能的改變效果甚微，抑制焊縫中氣孔的產(chǎn)生關(guān)乎焊縫質(zhì)量的好壞，①?gòu)母纯刂颇覆摹⑻畛湮锖捅Ｗo(hù)氣體中氫含量，需要精細(xì)的生產(chǎn)工藝，焊前需對(duì)母材表面去除0.15mm的厚度，表面粗糙度盡量控制在5μm。②優(yōu)化單面兩層焊的焊接工藝，快速打底低速填充的方法，并采用高頻耦合脈沖TIG焊技術(shù)，使電弧的能力密度、剛度和沖擊力增強(qiáng)，熔池內(nèi)液態(tài)金屬材料有規(guī)則地流動(dòng)，與母材有效結(jié)合，抑制氣孔的產(chǎn)生，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度系數(shù)、延伸率等力學(xué)性能增強(qiáng)。

結(jié)語

雖然與成熟的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造相比，鋁合金結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接制造原則沒有變化。但還是要在設(shè)計(jì)和制造中，針對(duì)焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度減弱、接頭細(xì)節(jié)等設(shè)計(jì)問題，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，才能保證結(jié)構(gòu)的使用安全及其制造的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]周濱濤.鋁合金前處理狀態(tài)對(duì)焊接接頭性能的影響[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（08）：124-125.