铝合金焊接接头的设计特点

王新维 孙成刚 王超

摘要：目前，我国的铝合金行业的发展迅速，相对于钢制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。由于其防腐性能优良、低温韧性好的特点，在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的质量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。特别是在交通车辆制造领域，铝合金这种轻型材料的应用能提高运行速度和降低能源消耗，在现在的能源形势下具有特别的意义。欧美国家早在20世纪中叶就建造了许多铝合金结构，而我国对铝合金结构的研究和应用起步较晚，应用研究较少，早期也无标准规范可循，这直接影响了国产铝合金结构的应用。2007年，我国第一部铝合金结构设计规范（GB50429）经建设部正式颁布，自2008年3月1日起实施，这对于我国铝合金结构设计的研究和发展起到了很大的推动作用。焊接在铝合金结构的设计和制造过程中具有非常重要的作用，铝合金焊接技术的不断发展也保证了铝结构的制造质量和生产效率。与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金的结构和焊接制造原则没有变化，都需要通过合理的力学设计和焊接制造来保证产品结构的强度、稳定性和刚度。与传统钢材相比，铝合金在强度、弹性模量、密度、导热系数、热膨胀系数等方面都有显著不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分与钢结构有较大不同。本文基于欧洲规范，从接头的强度设计和细节设计方面介绍铝合金焊接接头的特点。

关键词：铝合金;焊接接头;设计特点

引言

随着先进制造业的快速发展，传统的金属材料已经不能满足制造业的需求。对于高强度、刚性好、耐腐蚀、可焊接的材料受到制造业的追捧，尤其在航空、航天飞行器、汽车车身、轨道交通等行业对于轻量化材料的应用非常广泛，铝合金材料将其自身优势获得各行业领域的研发应用。因此，对铝合金材料的结构、性能和使用寿命要求越来越高，铝合金焊接质量的优劣直接影响铝合金材料的结构组织和性能的优良。

一、焊接接头的强度设计

铝合金结构中最常用的母材为5系列、6系列、7系列，这些铝合金经过形变强化或者是热处理强化获得了一定的强度。但焊接热循环过程必然会造成对强化组织的改变，造成焊接热影响区软化，比如6系列时效强化铝合金，由于强化相粒子在焊接热影响区发生过时效而粗化，造成该区域软化，所以焊接接头设计时必须考虑焊接热影响区软化造成的强度下降问题。正是因为以上原因，欧洲规范（EN1999-1-1）中规定，在焊接结构设计中使用形变强化或热处理强化的铝合金时，焊接热影响区强度下降是允许的。但在供货状态为O（退火）或F（制造）状态下，其临近焊缝热影响区无强度下降现象，这是因为O或F状态意味着材料并没有经过形变强化或热处理强化的工艺过程，材料强度仅通过固溶强化获得，焊接热循环不会破坏固溶强化组织，也就不存在热影响区强度下降的问题。

二、铝合金焊接性能及焊接接头性能分析

（1）高温强度低。由于金属材料焊接通常都是在高温条件下进行，因此材料熔点对于焊接质量有着直接的影响，铝合金材料的熔点会因合金中纯铝含量不同而存在一定的差异，但通常都在600℃左右，这一熔点与铜等其他材料相对较高，但在进行高温焊接时，其强度与塑性却会迅速降低，这意味着焊接过程中铝合金材料很难支撑住液体金属，而焊缝也会因此而出现塌陷、烧穿等问题。（2）膨胀系数高。铝合金材料的膨胀系数普遍较高，大多都能达到铜、钢的两倍或以上，而收缩性最高则在75%左右，这意味着在焊接过程中，高温的影响很容易使铝材料因热胀冷缩而出现变形，并发生结晶裂纹、液化裂纹等现象。另外，铝合金的导热性虽然比较高，但在高温影响下其内外部温度仍然会出现差异，温差的变化会使其内外部出现不同的膨胀，并产生较大的内应力，这同样是铝合金焊接容易出现爱你热裂纹的主要原因。同样，焊接完成后，随着焊接接头处温度的不断降低，如果收缩量较大且冷却速度较快，那么其收缩变速率就会随之提高，并使铝合金焊接接头处出现应力-应变状态，而这同样是焊接处产生裂纹的主要原因之一。（3）氧化能力强。铝材料的氧亲和力非常强，长期暴露在空气中很容易形成氧化铝薄膜，这种薄膜虽然厚度较低，且具有着较高的密度与结实度，但熔点却高达2050℃，如果在未经处理的情况下直接进行焊接，铝材料就很难与其他金属材料有效结合起来，焊接接头出也会因氧化铝残渣的存在而出现气孔。此外，氧化膜薄膜本身具有着吸附水分的特点，在焊接时氧化薄膜表面的水分会迅速汽化并分解为氢气，而在焊接结束后，由于铝合金材料温度迅速降低，氢气的溶解度也随之下降，并最终上浮造成气孔，直接影响焊接质量。（4）接头易软化。铝合金材料焊接通常以热处理焊接为主，这种焊接方式虽然能够在现阶段应用十分广泛，但由于铝合金的高温塑性与强度均较低，因此焊接接头的热影响区通常都会出现软化现象，即便在处理得当的情况下不会导致裂缝、变形等缺陷，但强度的降低仍然会影响到焊缝附近区域的力学性能，且焊接线能量越大，性能降低的程度也会愈加严重。（5）接头耐腐蚀性差。铝合金本身的耐腐蚀性并不差，但在经过热处理后，由于焊缝处与铝合金本身相比致密性、纯度均明显不足，同时还会存在大量的杂质与粗大晶粒，因此其耐腐蚀性会迅速下降，而在耐腐蚀性不足的情况下，铝合金焊缝处就很容易因表面腐蚀而出现晶间腐蚀、裂缝等问题。

三、铝合金焊接工艺优化

（一）焊接工艺优化对晶粒度的影响

不同的焊接工艺对焊接接头金相组织晶粒度的影响不同，现有的焊接工艺大功率激光焊的焊缝中心区组织晶粒最细小，但力学性能较差，在激光焊中增加TIG辅助、高频TIG复合焊等技术引进使晶界共晶相的宽度较小、焊缝组织细化、力学性能增加。但从组织的均匀性考量，晶粒仍比较粗大，从焊接工艺对焊接接头的性能角度，为降低熔合区的晶粒粗大、晶界析出量等接头缺陷，焊接接头的工艺参数需要优化，对打底层采用快速焊、焊丝填充量背面成型宽度控制在≥5mm，正面焊缝平面控制在≤1mm。经验证此时的接头晶粒组织细而均匀，对填充层采用低速焊，焊缝平面控制在≤1mm，给予接头足够的热循环时间，获得较为细化的晶粒组织。

（二）焊接工艺优化对气孔率的影响

现行铝合金材料焊接工艺的填充层采用焊枪摆动所产生的接头质量，熔宽范围、接头的软化区相应的加大，与不摆动焊枪相比，虽然在一定程度上改善了焊缝内气孔率，但通过焊枪摆动改变仍未有效克服熔合线附近局部气孔率高的常见问题，铝合金材料散热和热传导条件的不一致对焊接接头性能的改变效果甚微，抑制焊缝中气孔的产生关乎焊缝质量的好坏，①从根源控制母材、填充物和保护气体中氢含量，需要精细的生产工艺，焊前需对母材表面去除0.15mm的厚度，表面粗糙度尽量控制在5μm。②优化单面两层焊的焊接工艺，快速打底低速填充的方法，并采用高频耦合脉冲TIG焊技术，使电弧的能力密度、刚度和冲击力增强，熔池内液态金属材料有规则地流动，与母材有效结合，抑制气孔的产生，焊接接头的拉伸强度系数、延伸率等力学性能增强。

结语

虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金结构的设计和焊接制造原则没有变化。但還是要在设计和制造中，针对焊接热影响区强度减弱、接头细节等设计问题，进行合理的设计，才能保证结构的使用安全及其制造的经济性。

参考文献：

[1]周滨涛.铝合金前处理状态对焊接接头性能的影响[J].企业科技与发展，2019（08）：124-125.