铝合金焊接性能及焊接接头性能的研究

段金龙

（昆明中车轨道交通装备有限公司，云南 昆明 650605）

铝合金材料具有着较强的化学活泼性及导热性，氧化膜密度则相对较低，这些特性使得铝合金在焊接过程中很容易出现问题，而要想对这些焊接问题进行有效处理，保证铝合金焊接质量，则需要明确铝合金焊接性能及其焊接接头性能，并在焊接过程中进行针对性的处理。

1 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[1]。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。

（6）色泽变化小。在金属材料焊接过程中，焊接人员通常都需要根据金属色泽变化来把握焊接温度以及不同焊接操作的时机，但由于铝合金材料在液态与固态状态下其颜色变化非常小，肉眼很难进行区分，因此焊接人员焊接时基本无法根据色泽变化来判断材料是否液化，使焊接难度有了较大的提升。

（7）热导率高。铝合金材料虽然熔点较高，但热导率与热容量也同样是非常高，这意味着在进行焊接时，焊机所产生的热能会被迅速传导至铝合金材料，而焊接接头处的热能则会相对不足，如果无法将热能集中，那么焊接接头的质量就会因接头处热能不足而受到影响。

2 铝合金焊接问题的有效处理措施

（1）焊缝塌陷问题处理。焊缝塌陷问题主要是由铝合金材料熔点高、高温强度低所导致的，为避免铝合金在高温条件下因强度过低而出现塌陷，焊接前应提前准备好垫板，并用垫板作为铝合金的支撑，这样即便材料在高温条件下强度降低，也不会出现明显的变形与塌陷。

（2）焊缝热裂纹处理。铝合金材料焊接过程中的热裂纹缺陷十分常见，而针对这一缺陷的处理措施也十分多样。首先，铝合金材料虽然会在高温及快速冷却条件下出现应力应变，但只要能够提前通过焊接实验确定焊接温度等方面的合理参数，并对焊接顺序进行严格规范，焊缝出现热裂纹的几率仍然是比较低的。其次，针对铝合金材料焊缝结晶裂纹与热影响区液化裂纹，焊接人员可以根据实际焊接情况对铝合金材料的焊接接头进行改进，以降低应力应变对焊接接头的影响。最后，还可以在焊接时向添加金属中添加Ti、Zr、V和B等微量元素作为变质剂，这些变质剂能够形成高塑性的细化晶粒，能够在很大程度上改善铝合金焊缝处的力学性能，使其抗裂性得到提升，从而避免热裂纹的出现。

（3）焊缝气孔处理。针对铝合金材料表面氧化铝薄膜所导致的焊缝气孔问题，焊接人员一方面需要在焊接前用机械或化学方法将铝合金材料表面的氧化物清理干净，避免氧化铝薄膜形成残渣或表面水分汽化，而在另一方面则需要在焊接时使用一些保护气体对铝合金材料进行保护，或是用焊丝将氧化铝薄膜持续挑破，以防止要铝合金材料在焊接过程中再次出现氧化。

（4）接头软化问题处理。受铝合金特性影响，其接头在焊接过程中软化是很难避免的，因此焊接人员应针对材料特性采取相应的焊接工艺，并对焊接条件、焊接顺序焊接温度等进行合理把握，例如运用脉冲氩弧焊进行焊接，就可以利用其焊件变形小、热影响区小的特点，降低焊接接头软化的影响，而通过对焊接温度的控制，则可以使降低接头的软化程度，避免接头力学性能收到太大影响。另外如铝合金材料高温软化无法恢复，则应尽量在退火或在固溶状态下进行焊接，并在焊接完成后再进行热处理。

（5）接头腐蚀问题处理。铝合金材料虽然会在高温后出现耐腐蚀性降低的情况，但初期影响并不大，因此焊接人员可以通过改善接头组织成分的不均匀性来使焊缝很进化，并在焊缝处制造出各种细化晶粒，以提高其耐腐蚀性，同时也可以采取阳极氧化处理或涂层等方法来对铝合金材料进行保护，避免铝合金材料出现腐蚀。

（6）焊接操作改进。铝合金材料的固态与液态在色泽上虽然很难进行判断，但只要能够熟悉焊接操作要求，并对焊接时所需的工序操作进行掌握改进，仍然能够实现对焊接质量的保证。

（7）热能不足问题处理。为了解决热能不足问题，焊接人员还需对激采用能量集中、功率大的热源，并对预热等工艺措施进行灵活利用，保证焊接时铝合金材料能够维持在高热能的状态下，从而避免未焊透、未熔合等问题的发生。

3 结语

总而言之，受铝合金材料焊接性能及焊接接头性能影响，其在焊接过程中很容易出现气孔、塌陷、裂纹等缺陷，而要想避免这些缺陷的形成，则还需要在焊接工序、焊接工艺、焊接材料等方面采取针对性的处理措施。