铝镁合金焊接变形的原因及控制措施

铝镁合金焊接变形的原因及控制措施

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摘要：随着我国经济在快速的发展，社会在不断的进步，铝锂合金作为一种低密度、高性能的新型结构材料已被应用于航空航天及轨道交通等领域，铝锂合金的焊接技术更是其在航空航天等工业构件中获得广泛应用的关键。近年来，铝锂合金的焊接技术也在迅速发展。综述了可焊铝锂合金目前的主要焊接方法、焊接研究进展、特点及其适用性等。与传统弧焊方法相比，新型固相连接技术搅拌摩擦焊接头性能更好，有望在铝锂合金焊接上获得广泛应用。

关键词：铝镁合金；焊接变形；原因

引言

铝镁合金在焊接过程中极其容易产生焊接变形，焊接变形直接影响产品美观，而且焊接变形后造成焊缝应力集中，容易产生焊接裂纹、焊缝棱角度超标等缺陷。笔者主要从事铝制塔器、压力容器制造的焊接工艺与焊接检验工作多年，焊接裂纹、焊接棱角度超标在行业内不被客户及其监督检验机构接受。亲身经历了因焊缝变形导致返工，给公司造成了巨大的损失，所以就在控制铝镁合金变形上的经验措施与行业工作者探讨有较大的实际意义。

1焊接特点

铝合金管道的焊接与很多的合金钢不同，存在着自身的特点，具体如下：（1）氧化性铝和氧的亲和力很强。在常温下，铝表面就能被氧化成厚度约0.1～0.2mm致密的Al2O3薄膜。虽然这层氧化铝薄膜比较致密，能防止金属的继续氧化，对自然防腐有利，却给焊接带来了困难。这是由于氧化铝的熔点（2050℃）远远超过了铝的熔点（600℃左右），密度约为铝的1.4倍。在焊接过程中，会阻碍金属之间的熔合，易形成夹渣，而且氧化铝薄膜还吸附了较多的水分，焊接时熔池中的氢在焊缝成形之前来不及逸出，从而导致焊缝中出现气孔。（2）较大的热导率和比热容铝镁合金的热导率和比热容约为碳钢和低合金钢的2倍多，铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。因此，焊接铝合金管时，比钢管焊接要消耗更多的热量，为得到高质量的焊接接头，必需用能量集中、功率大的热源。（3）焊接熔池特性铝合金焊接时，相对一般的钢种（碳钢、低合金钢）而言，熔池较浅，熔融金属的流动性较差，对焊接可操作性较差。需要在坡口设计时充分考虑焊接的熔透性、可达性的问题。另外，焊工在焊接操作时，要求执行线性焊接工艺，焊接时允许小范围摆动（限制在焊丝直径3倍范围内）。（4）焊接接头中易产生的缺陷在铝镁合金管道焊接中，由于材料种类、性质和焊接结构的不同，焊接接头中可能出现裂纹、气孔、未焊透等缺陷。①焊缝金属中的裂纹，包括纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、焊根裂纹和显微裂纹（尤其在多层焊时）；②热影响区裂纹，包括焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹。按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹；③焊接气孔主要是氢气孔。铝的热导率大，在相同工艺条件下，其冷却速度为钢的4~7倍，使金属结晶加快，焊接金属在快速冷却中氢溶解度急剧下降，氢气来不及逸出而形成气孔；④因铝合金膨胀系数大，容易产生焊接变形，母材越薄，越难焊接，也越易焊穿。

2铝镁合金焊接变形的控制方法

2.1焊接结构设计来控制铝镁合金焊接变形

1）在设计焊接结构件时应充分考虑到每一个可能产生焊接变形的细节，尽量给焊缝留足热量扩散和冷却的空间，避免区域内焊缝接头过多的情况产生。如上文讲到的本公司60000m2/h塔器中的精氩塔角焊缝距离筒体环焊缝太近导致接管角焊缝四周下凹，解决办法是将有接管的筒体加长200mm，没有接管的筒体减短200mm，保证设备的总高度与图纸一致。给焊接时留有足量的热量扩散和冷却空间，焊接完毕过后经检验无下凹现象。2）如不能达到上述要求，焊接工程师应针对相应焊缝提出可靠的控制焊接变形工装，例如在本公司制作的60000m2/h空分中压塔裙座底环板时，底环板采取8块铝镁合金板拼接，将每一条焊缝的两端用四个T型螺柱及四个螺母固定在带T型槽的平台上。也起到预防焊接变形的作用。

2.2采用正确的焊接工艺来控制焊接变形

1）焊接参数：焊接热输入量的大小是影响焊接变形的原因之一，铝镁合金的熔点较低，所以焊接前要求严格控制预热温度，建议预热温度在11～150℃即可，预热要均匀。焊接时尽量采用较小的电流电压，多层多道焊能起到减少焊接变形的作用。另外不能忽略定位焊的重要性，标准已明确规定定位焊焊工也要具备有资质的焊工操作，同时定位焊的焊接参数、焊接方法要与正式焊接时采用的焊接参数、焊接方法保持一致，定位焊的长度30mm为宜，间隔长度500mm左右，铝镁合金收缩量比较大，如果定位焊距离太长，很容易造成坡口间隙越来越小，从而导致焊接变形量增加。2）焊前预拉伸，以上文讲到的本公司60000m2/h塔器中的精氩塔角焊缝距离筒体环焊缝太近导致接管角焊缝四周下凹为例，可以先预判该区域可能会存在较大程度的下凹。此时可以对该接管四周的筒体板材外翻1～2mm高度，当焊接此角焊缝时，使得下凹的量为预先外翻高度的量，达到有效控制焊接变形的目的。3）焊接坡口的选择对焊接变形有一定的影响，铝镁合金目前采用的焊接方式多数为手工钨极氩气保护焊和半自动熔化极氩气保护焊，我公司焊接工艺当采用双人手工钨极氩气保护焊立焊时，钝边留10mm，间隙3～5mm；当采用半自动熔化极氩气保护焊时，钝边留2～5mm，间隙0～2mm。目前为止并未发现因坡口问题导致的焊接变形，当然数据仅供参考。

2.3铝锂合金的钎焊

铝锂合金的熔点比常规铝合金低，钎焊时对温度很敏感，硬钎焊时极易产生过烧组织，使钎焊接头性能变差。为此一般采取降低钎料熔点的做法，但这往往会降低钎缝强度。此外，铝锂合金表面氧化膜的成分复杂，钎焊时很难找到合适的钎剂而且钎焊后会产生退火和过时效现象。在过烧温度下采用硬钎料钎焊是铝锂合金钎焊连接技术的关键，王忠平、贺勇等人采用2090Ce铝锂合金板材通过对铝锂合金钎焊时钎剂组元系的试验研究发现反应钎剂的冶金作用有助于降低钎料温度，从而避免产生过烧组织，使钎焊接头性能得以改善。

2.4焊工技能培训

铝镁合金管道的焊接，由于其施焊的特殊性，焊接方法较难掌握，项目部专门建立了焊接培训中心，成立了铝焊接技术攻关小组来负责焊工的理论、技能培训。在焊接实施之前，要做好焊工的选拔（最好之前有过铜管焊接或者铝焊接经历），对焊工进行有针对性的理论和实操培训。让焊工了解材料的特性、焊接特点以及焊接过程中应注意的事项；实操培训主要是熟悉此种材料的焊接，注意焊接过程中位置与电流变化，经考核合格后方可进行正式焊接。经过空分项目工程的历练，已较为成功地掌握了铝镁合金管道的焊接施工控制方法。

结语

激光-电弧复合焊因其高的焊接效率主要用于较厚板的焊接，激光熔钎焊在汽车轻量化方面极具应用前景。通过激光熔钎焊工艺连接薄板铝/钢异种金属，采用Al-Si、Zn-Al钎料。然而，汽车用镀锌钢/铝合金激光焊仍存在很多需要解决的问题。例如，由于被焊材料对激光能量的吸收率较低，激光焊产生的等离子对焊接过程的稳定性有影响；铝钢连接过程中产生铁铝金属间化合物脆性接头；熔化的钎料对铝合金母材的冶金相容性及对母材钢的润湿性问题；气孔、裂纹、未熔合、夹渣等焊接缺陷的控制和预防等。

参考文献：

[1]黄俊，刘超锋.炼化空分装置铝镁合金管道施工质量管理[J].广州化工，2010，38（12）：212-213.

[2]吴安如.含稀土镁合金细晶化、塑性变形再结晶、时效脱溶及焊接性研究[D].中南大学，2006.

[3]李维伟.5083铝合金扩散焊接工艺研究[D].南京航空航天大学，2007.