铝合金焊接性能及焊接接头性能

铝合金焊接性能及焊接接头性能

崔泽龙

包头铝业有限公司 内蒙古自治区 包头 014046

摘要：在高铁、地铁列车的制造中，铝合金材料是列车车体的主要材料之一，然而由于铝合金材料在焊接性能、焊接接头性能方面仍存在一定的不足，经常会出现气孔、裂纹等缺陷，因此高铁、地铁列车铝合金车体的焊接施工质量仍然很难保证。本文对铝合金的焊接性能以及焊接接头性能进行了分析。

关键词：铝合金；焊接性能；焊接接头

前言

铝合金材料具有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地处理。

1铝合金焊接性能及焊接接头性能分析

1.1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地影响，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。

1.2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。

1.3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。

1.4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，且焊接线能量直接影响着接头的力学性能。

1.5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。

1.6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，导致铝合金材料焊接难度大幅度提升。

1.7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焊接技术在动车组铝合金车体焊接的应用现状

2.1TIG焊技术

TIG焊接技术是铝合金动车身最常用的焊接技术之一。非熔化极与焊件之间的电弧燃烧同时存在，对焊接、电弧区和熔化金属的保护可以使电弧焊接达到更好的质量。这种焊接技术可以是手工焊接，也可以是自动焊接，但从目前的工业应用来看，车身铝合金的焊接方法是比较稳定的。主要采用传统的手工焊接方法。由于钨对过热和熔融非常敏感，在焊接过程中电流不应过大，因此该工艺只能用于较薄的板的焊接；事实上，大多数情况下，这种焊接技术只是作为一种辅助技术。

2.2MIG焊技术

MIG焊技术是一种气体保护焊，其主要特点是电弧功率大、电弧浓度高。因此，在生产过程中，生产效率相对较高。实践中可灵活调整板厚和焊接位置。MIG焊可以采用多种熔滴过渡形式，如短时转变、射流转变和亚射流转变，这些都是焊接技术容易实现的。

2.3电阻点焊技术

电阻点焊技术主要是通过使用耐热性的理论，借助耐热铝合金表面的热量，从而实现焊接的目的。但在铝合金材料的焊接中所以表面容易形成高熔点的化合物，铝合金点焊也有很多优点，比如焊接后变形很小，其缺点主要是应用范围相对狭窄，焊接电流需求大，焊接设备设施相对昂贵。

2.4激光焊技术

激光焊接技术是近年来得到广泛应用的一种新型焊接技术。广泛应用于各种高端领域。这种焊接技术主要利用激光的高浓度性能，使焊接部分局部产生高温，然后使焊丝和母材熔化，实现再凝固的冶金过程。这种焊接技术具有许多优点：焊缝深宽比比传统方法大，热影响区更窄，焊接速度更快，焊接变形很小，能量密度很高。但这种技术也有很多缺点，比如激光焊接前对装配精度要求严格，焊接后焊缝比较容易出现气孔、咬边、裂纹等常见缺陷。且激光焊接设备设施的投资较大，对各种工况的要求也比较高。

2.5搅拌摩擦焊技术

摩擦搅拌焊技术是业内常说FSW焊接技术，焊接技术属于一个机械化连续固相连接方法，其基本原理是将机械能转换为热能通过摩擦过程，然后焊接材料和电线被加热熔化，混合在一起。这种焊接技术的主要优势是焊接速度很快，应用范围很广，变形小，焊缝几乎为零缺陷，焊接效果非常漂亮，与其他焊接过程相比，这个过程不会产生二次污染，操作简单，缺点是精度要求非常高的设备，设备投资成本高，这种焊接技术主要在动车焊接中被应用。

3铝合金车体焊接技术的未来发展趋势

3.1机器人焊接

由于目前动车组铝合金车体焊接采用的各种焊接工艺焊接效率普遍较低，且大多为手工焊接，难以满足动车组的制造要求。因此，随着动车组制造技术的不断发展，未来动车组铝合金车体焊接技术也将向机器人焊接的高效率、自动化方向发展。焊接机器人实际上是一种机械化的可编程工具，它使焊接操作能够被编程到控制单元中，并在焊接施工中控制焊接设备完成一系列的焊接操作以及零件处理操作，实现自动焊接的整个过程，因为机器人焊接精度控制非常精确，焊接操作可以更快完成，而且不需要休息，同人工焊接比焊接效率可以大大提高。同时，由于焊接操作完全由预定程序控制，焊接机器人可以在各种焊接工艺中根据焊接要求完成焊接，具有很高的灵活性。

3.2双脉冲MIG焊

双脉冲MIG焊接也被称为低频调制脉冲MIG焊接，是在高频的基础上，再对高频电流波进行低频调制，使单位脉冲强度在强、弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，相对来说其细粒也不容易开裂，焊接质量好，虽然目前由于技术普及的局限性还没有得到广泛应用，但凭借其不可替代的优势，未来必将在动车组中应用于铝合金车体的焊接。

3.3高能密度焊接技术

高能量密度焊接包括电子束焊接、激光-电弧焊接和等离子弧焊，属于高技术领域，其工艺适应性强，具有高精度、高质量和高效率的特点。由于这种焊接工艺在焊接前不需要做太多的准备工作，焊接质量也比较高，对焊接设备要求较少，所以更适合于动车组铝车身的焊接。

结束语

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地处理措施。

参考文献：

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