铝合金焊接接头的设计特点

铝合金焊接接头的设计特点

鞠 良 孙爱军

中车青岛四方机车车辆股份有限公司车体分厂 山东 青岛 266111

摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，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。虽然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，但与传统钢材相比，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的不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分都与钢接头有较大不同。本文主要关注焊接热影响区强度减弱、焊接接头细节包括坡口形式、背面保护等问题。前者结合EN1999-1-1进行分析，后者结合ISO9692-3和EN1011-4进行分析。

关键词：钢结构；铝合金焊接接头；焊接热影响区

引言

随着中国航空航天等国家重大项目的实施，轻金属在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面的独具优势，成为国家重点发展与应用的新型结构材料。由于具有高比强度、高比刚度，轻金属(铝、钛、镁合金等)及其焊接结构的使用成为减轻整体结构重量、提高能源利用效率的有效途径之一。焊接是轻金属结构制造的关键工艺之一，随着日益严格的服役环境和高可靠性的需求，对焊接技术的同步发展也提出了更高要求。目前，熔化焊和固相焊是轻金属焊接的主要方法。日益严格的服役环境和高可靠性需求，对焊接接头安全性设计也提出了更高要求。根据材料种类不同、服役环境不同、生产节拍不同，应当加强系统科学的产品正向设计。但是目前国内铝合金焊接结构设计、焊接工艺试验、焊接冶金及组织分析、焊接质量检验等方面的认识不足，以及激光复合焊、搅拌摩擦焊、激光焊等新技术工程化应用风险性的要点认识不深。针对以上问题，文中系统总结了铝合金焊接工艺的特征，并对下一步工作方向提出了建议。

1 焊接前进侧与后退侧性能差异

因为FSW过程中搅拌磨擦的影响，搅拌头前进侧和后退侧也即焊缝两侧的性能有差异，对同种材料焊缝拉力试验结果表明，断裂部位更多的出现在后退侧。为充分利用材料性能，必要时可在图纸中标明焊接方向。

2 强度校核

根据欧洲规范（EN1999-1-1），除了要校核焊缝的强度之外，还必须计算焊接热影响区的强度。正应力校核公式为σHAZ，Ed≤fu，HAZ/γMw式中σhaz，Ed为焊接热影响区所受的正应力。fu，HAZ为焊接热影响区强度设计值，因材料种类的不同，焊接热影响区强度下降的幅度也不尽相同（见表1），整体上，形变强化铝合金的下降幅度低于热处理强化的铝合金。γMw为焊接接头的分项安全系数，根据EN1999-1-1，取值为1.25。剪切应力校核为τHAZ，Ed≤fv，HAZ/γMw式中τHAZ，Ed为焊接热影响区所受的剪切应力。fv，HAZ为焊接热影响区强度设计值，fv，HAZ=fu，HAZ/31/2。正应力和剪切应力同时存在：（σHAZ，Ed2+3τHAZ，Ed2）1/2≤fu，HAZ/γMw国标GB50429铝合金结构设计规范中的关于焊接热影响区强度校核计算公式也是引用上述欧洲规范。

3 强度下降的范围

根据EN1999-1-1，焊接接头的热影响区宽度是从焊缝中点及根部算起向各个方向延伸。不同接头和工艺条件下，热影响区宽度不同，具体如下：（1）MIG焊焊接形变强化铝合金，道间温度低于60℃时，bhaz（热影响区宽度）应遵循：0＜t≤6mm：bhaz=20mm6＜t≤12mm：bhaz=30mm12＜t≤25mm：bhaz=35mmt＞25mm：bhaz=40mm（2）当厚度大于12mm时，热影响区的宽度可能会增加。因为除非严格的质量控制，否则道间温度会超过60℃。（3）以上的描述将应用于6xxx或7xxx或5xxx系列合金的对接焊缝（两维传热）或角焊缝连接的T型接头中（三维传热）。（4）TIG焊热影响区的宽度会更大，是因为TIG焊的热输入比MIG焊大。TIG焊对于6xxx、7xxx或5xxx系列合金的对接焊缝或角焊缝，bhaz给定为：0＜t≤6mm：bhaz=30mm（5）如果两个或更多的焊缝彼此相邻近，热影响区的边界将叠加，这时可以将其看成一个热影响区。如果焊缝接近于自由边，则热量的散失将有效减少。如果焊缝到自由边的距离小于3bhaz，在这种条件下，可假设整个宽度都受到影响。

4 焊接工艺设计与试块编号

①活性剂的选择。A-TIG焊关键的因素在于活性剂成分的选配。目前国内外开发并使用的活性剂主要有三种类型：氧化物、氟化物和氯化物。本文主要选择了单一成分的氧化物（SiO2）和氟化物（NaF）作为活性剂,分别研究活性剂涂敷量对焊缝成形的影响。②试样编号及工艺设计。将称量好的SiO2和NaF粉末按一定的比例混合，然后用无水酒精溶解搅拌成糊状，再用干净的毛刷均匀地将其涂抹在试块的表面，直到看不到原有的金属光泽。对试块进行对接双层焊。从焊好的九块铝合金板材中，分别截下一块，制备金相试块。

5 FSW焊缝强度

目前很多科研院所和主机厂都做了疲劳试验，已公开的疲劳试验数据也表明FSW的接头力学性能比熔化焊好，疲劳强度高。文献2对6005A铝板FSW得出的实验结果，其中疲劳试验方式为，轴向载荷、最大应力循环次数1X107、存活率97.5%。屈服强度Rp0.2=187MPa,抗拉强度255MPa，疲劳强度R=-1时疲劳值56MPa，远高于MIG焊接头的36MPa。

6接头各区冶金

铝合金的相极为复杂，按生成温度铝合金的相分成3类，即结晶相、沉淀相和时效相。在合金结晶开始和结晶终了温度范围内生成的粗大化合物即第一类质点，称为结晶相。该相尺寸为0．1～0．30μm，如:(CuFeMn)Al6，MgZn2，(FeMn)Al6。按结晶时的反应类型，结晶相又可以分为:初晶相、共晶相、包共晶生成物、包晶生成物。在低于结晶终了温度、高于时效温度的温度区间内形成具有中间尺寸的质点为沉淀相，即第二类质点。该相尺寸为0．01～0．5μm，如:Al20Cu，MnAl6。在时效温度下沉淀的微细质点，即第三类质点，尺寸一般为0．001～0．1μm，过时效时，晶界可出现1μm的粗大质点。

结语

本课题通过对厚板硬铝合金LY12cz的传统TIG焊和A-TIG焊的试验，研究了不同电流下TIG焊和A-TIG焊的接头组织及熔深的变化情况，通过对试块的金相显微组织的研究和对焊缝熔深的测量，最后可以概括的得出如下结论：①活性剂的涂敷对焊缝的微观组织起到了细化的作用；不同的活性剂对焊缝组织的影响不同，而且活性剂含量的不同也会导致对焊缝的影响不同。②不论传统的TIG焊还是A-TIG焊在不同的焊接电流下组织的大小和分布不同。A-TIG焊时，焊接电流增大，焊缝组织中的强化相明显减少，而且组织粗化。③对于10mm厚的硬铝合金LY12cz采用A-TIG焊时，当焊接电流达到190A，活性剂NaF和SiO2的含量分别为40%和60%时，焊缝的显微组织中析出强化相较多。④SiO2和NaF均对焊缝熔深有影响，而且SiO2含量为60%时对焊缝熔深的影响最为显著。⑤A-TIG焊时，当涂敷量达到一定值时，熔深增加达到饱和,再增加涂敷量,熔深反而下降。⑥在其他条件一定的情况下，随着电弧焊焊接电流的增加，焊缝的熔深、熔宽及余高均增加。

参考文献

[1]朱继华，苏玫妮，杨立伟.铝合金结构性能与设计方法研究[M].武汉：武汉大学出版社，2017.

[2]姜澜，王炎金，王宇新.高速列车用6005A合金焊接接头组织与性能研究[J].材料与冶金学报，2002，1（4）：302-306.