铝合金焊接接头的软化及改善措施

苏衍福 刘海林 董长乐 谢成富 蔡忠彪

摘 要：铝合金具有优良的导热性能，在焊接铝合金时必须有较大的热输入，方能形成良好的焊接熔池。在焊接过程中，由于热输入较大或焊接工艺不当等原因，容易出现焊接变形和存在残余应力，同时由于在焊缝和熔合区中存在重结晶及热影响区晶粒的粗化，造成焊接热影响区软化，且焊缝的最终组织为铸态组织，易形成气孔、缩松等缺陷，致使焊接接头强度大大降低，严重影响构件的使用性能。

关键词：铝合金；焊接接头；软化；改善措施

铝合金焊接接头的软化问题是铝合金在焊接结构中应用的一大难题，铝合金焊接接头的软化问题及其产生原因做了简要分析，提出了一种采用深冷处理工艺来强化铝合金焊接接头的新方法。

一、焊接接头软化的原因

1.非热处理强化铝合金的接头软化。非热处理强化铝合金焊接接头软化主要是由焊接热影响区晶粒粗大和焊接接头局部冷作硬化效果消失而造成的。热影响区的峰值温度超过再结晶温度（大约200～300℃的区域）就产生明显的软化现象，产生软化后，焊接接头的硬度大为降低，甚至抵消了冷作硬化的强化效果。因此，焊前母材冷作硬化的程度越高，焊后接头的软化程度就越严重，这种软化现象在熔焊条件下是不可避免的。尤其是对经冷作硬化产生强化效果的薄板铝合金的焊接，焊后其强化效果可能会全部消失。

2.热处理强化铝合金接头的软化。热处理强化铝合金焊接后接头会产生明显的软化现象，其原因主要是由于焊缝和热影响区的组织与性能在焊接高温环境影响下发生变化而引起的。热影响区的软化主要是由于在焊接高温作用下发生“过时效”所致，即热影响区第二相（强化相）脱溶析出并集聚长大，使强化效果消失，形成“过时效”软化，这也是在熔焊条件下很难避免的。对于热处理强化铝合金，由于产生热裂纹的倾向较大，为防止热影响区的软化，焊接时应采用较小的焊接热输入，以减小热影响区的高温停留时间，避免晶粒在焊接高温下再次长大而形成较大的粗晶区，产生接头软化。

二、改善措施

1.常用改善措施。国内外对铝合金焊接接头强化的研究主要集中在两个方面：一方面是从冶金学角度考虑，采用焊接热模拟的方法，通过改变焊丝的成分、进行热处理等方法研究和改善焊接接头区的组织和性能，提高接头强度；另一方面是从力学角度考虑，采用时效强化、随焊碾压强化、挤压强化、锤击强化、温差拉伸、局部补强等方法来改善焊接接头的性能。从冶金学角度采用焊后热处理可使在焊接过程中减弱或消失的热处理强化效果得到一定恢复，但其只适合于小型焊件，且易产生较大变形，应用受到一定限制。从力学角度采用的时效强化，在一定范围内可提高接头强度，但此种方法也易出现“过时效”软化，使晶粒粗化，降低接头强度；随焊碾压可降低焊缝及近缝区的残余应力，但其由于靠轮轴传递碾压力，而碾压轮尺寸较大，与焊枪互相干涉，容易产生打弧现象，加之设备庞大很难用于实际生产；随焊旋转挤压能够降低接头残余应力和变形，但此方法只适用于薄壁焊接结构件，应用受到较大的限制；随焊锤击可改善薄板结构焊缝及焊趾的力学性能，但由于锤尖直接锤击在焊道两侧和焊道表面，所以锤击面粗糙，且需要附加装置，控制比较复杂；温差拉伸法生产效率低，成本较高，工作环境差，使用不方便，而且由于其加大了焊缝区的横向收缩，不适用于封闭焊缝的焊接；局部补强可使构件总承载能力达到设计要求，适合于中大型构件，小型构件不宜使用。以上措施无论是从焊接工艺方面还是焊后热处理等方面入手，均能在一定程度上提高铝合金焊接接头的强度，但也存在着一些不足，解决效果并不十分理想。

2.深冷处理。深冷处理是上世纪60年代从普通冷处理（0～100℃）的基础上发展起来的一门新技术，是在-130℃以下对材料进行处理的一种方法，它是最新的材料强韧化处理工艺之一。深冷处理可有效提高钢铁金属、非铁金属及复合材料的力学性能和使用寿命、稳定尺寸、改善均匀性、减小变形，而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低。目前，国内外对工模具钢深冷处理的研究较多，其性能改善显著，而对结构钢，硬质合金，铝合金等非铁金属材料的深冷处理研究较少。针对铝合金焊接接头的软化采用深冷处理技术使其强化，在国内外研究中尚属空白。对5A06铝合金MIG焊焊接接头做了深冷处理试验，研究发现，深冷处理后，5A06铝合金焊接接头力学性能得到显著改善，抗拉强度提高，硬度有所降低，焊缝区晶粒得到细化，第二相在基体中弥散析出，提高了焊接接头的强韧性。试验材料为5A06铝合金板材，焊接试板尺寸为300mm×100mm×7mm，V形坡口，对接。焊丝选用焊接性能良好的ER5356，焊丝直径为1.6 mm。焊后焊缝需经X射线（RT）探伤，经探伤合格的试样采用线切割制备成标准的焊接接头拉伸试样，冷处理的焊接接头相比，抗拉强度提高了15.25%。深冷处理8 h后，相对于深冷处理4 h的试样，其强度有所降低。由于本次试验过程中深冷处理的时间并不充分长，所以长时间深冷处理后的强度是否会明显降低还不能确定。5A06铝合金+ER5356（焊丝）焊接接头焊缝区金相显微组织如图1所示。由图1可以看出，图1a是未经深冷处理的焊缝区金相显微组织，其晶粒比较粗大，且大小分布不均匀，呈明显的树枝状铸态组织；图5b为经深冷2h的焊缝区金相显微组织，与图1a相比，其晶粒明显变得细小，而且在焊缝基体上有第二相析出，分布比较均匀，晶粒得到细化；图1c与图1d，

随着深冷时间的增加，晶粒进一步变得细小，第二相在基体上的析出量也随之增多，且分布更加均匀、致密，晶粒细化。其中，晶粒最细小均匀分布的是深冷处理8 h后的显微组织图，说明铝合金焊接接头经深冷处理后焊缝区晶粒得到了显著细化，焊接接头强韧性提高，力学性能得到改善。其主要原因是铝合金焊接接头经-155℃深冷处理后，体积收缩，焊缝区Al的晶格常数有缩小的趋势，从而加强了第二相析出的驱动力，但由于低溫下的扩散更为困难，扩散距离更短，于是在基体上析出弥散分布的超微细第二相，并且随着深冷处理时间的延长，析出的第二相逐渐增多，在基体中的分布也越来越均匀、致密。同时，深冷处理使得晶格收缩，体积收缩可使焊接接头内部的部分缺陷如空位和微孔得到弥合，从而使晶粒变得细小，并且改善了焊接接头的力学性能。

总之，深冷处理作为最新的材料强韧化处理工艺之一，具有积极的应用前景与发展空间。

参考文献

[1]张雪.浅谈铝合金焊接接头的软化及改善措施.2017.

[2]李军，铝合金焊接接头的软化及改善措施的研究.2018.