提高铝合金焊接质量的方法

提高铝合金焊接质量的方法

孙孝彦,孙福银,张书财

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省青岛市  266109

摘要：近年来，社会进步迅速，我国的各行各业建设的发展也有了进步。铝合金由于其较小的密度和较高的强度，广泛地应用于机电、汽车、航空、航天等领域。因此，铝合金零部件的加工工艺向着轻量化、精密化及整体化方向转变。随着国家碳中和、碳达峰要求的提出，在汽车制造工业中，很多大型结构件由传统的黑色金属整体铸造被铝合金、分体式焊接构件所代替。这是因为焊接零件可以快速地将零散件加工成复杂的结构件，可以显著降低复杂结构件的制造成本；其次，尽管在焊缝处会出现强度软化、存在缺陷等现象，但经过大量的静态疲劳试验及理论验证，焊接件的力学性能优良，完全可以代替复杂整体成形结构件。

关键词：提高；铝合金焊接质量；方法

引言

作为一种轻金属材料，铝合金凭借其自身高比模量、耐腐蚀性、高导电性以及高导热性等独特优势得到了广泛应用。铝合金的焊接工艺是现阶段铝合金加工过程中最常用的工艺。随着铝合金在工业产业中应用的逐步广泛，铝合金先进焊接工艺的需求不断提升。高质高效的铝合金先进焊接工艺能够有效推进工业产业的转型发展。文章以铝合金的分类和应用特点作为切入点，重点分析铝合金的焊接特点，立足于铝合金先进焊接工艺的分析，论述铝合金先进焊接工艺的应用，以期推动我国铝合金焊接工艺的发展。

1铝合金的分类和应用特点

自从20世纪初电工铝合金1050出现以来，国际上关于铝合金的分类已经基本形成了约定俗成的3种分类依据，即铝合金的化学成分、铝合金的成型工艺和铝合金中是否含有锆。我国对于铝合金的研究和应用十分广泛。因此，基于我国的实际情况，铝合金又有4大分类，即铸造铝合金、变形铝合金、航空铝合金以及压铸铝合金。早期设计的变形铝合金，往往需要具备塑性变形的良好能力，还需具有一定的强度。所以，铝合金成分中金属间化合物是缺失的，仅仅包含两项合金，就能保证变形铝合金符合低塑性变形和高强度的特点。现阶段，由于铝合金的发展成熟和工艺进步，它已经运用到了航天航空设备、精密电子元件、汽车零部件以及机件外壳等领域。

2提高铝合金焊接质量的方法

2.1焊接要求

（1）铝合金焊接前一个重要步骤为预热，因铝材加工时会激发材料的氧化性及导热性，所以通常应用的焊接方式为手工电弧、氩极电弧，若需进行焊接铝合金材料厚度超出规定标准时，则必须进行焊接前预热处理，同时控制好预热温度，温度维持在100℃以下，铝合金进行焊接时因焊接材料层间超过预热层，因此温度也要控制在100℃以下。根据选用铝合金板材的实际情况，应用远红外线板、抗氧化火焰进行焊接加热。（2）合金焊接期间严格把控焊丝填入位置，正确位置应为电弧正上方，焊接熔池电弧边缘是焊接线条固定最佳位置，距离焊接熔池较近位置，要求熔池表面高于焊丝填入点，可降低母材熔化概率，金属不易氧化。（3）当焊接完成后回收焊丝时，不能在没有保护气体的环境下将焊丝露出来，焊丝如果直接接触到空气，就会跟空气中的氧气发生反应，产生氧化铝，将被氧化的焊丝再次运送回熔池中就会导致熔池被污染。在每次焊接准备过程中，如果与钨极点完全接触或碰到进入焊缝中的金属，应立即停止焊接，用金属磨头迅速清除金属污染，修磨焊缝钨极；在每次焊前或焊接准备过程中，都应该把焊丝端部被氧化的部分完全清除掉方能进行焊接。（4）充填弧坑，保证焊接接触位置达到焊透状态。（5）在普通的熄弧焊机上应用堆高加压熄弧方式：堆高过程中将电弧进行抬升，当电弧熄灭时停止加压抬高电弧，未进行堆高处理的焊缝出现凸起现象，必要时进行加压填充熄弧焊丝。熄弧焊机装设自动衰减熄弧装置，此时采用堆高熄弧方法效果较好。

2.2铝合金摩擦搅拌焊接工艺

尽管现阶段铝合金装备产品的熔焊能够实现高速度焊接且应用较为广泛，但是熔化焊焊缝是一种铸态组织，焊接接头长期处于热循环状态极易出现组织变化，导致铝合金力学性能不足。另外，熔焊铝合金的过程中，铝合金接头极易出现变形大、缺陷多、接头颜色变化以及热影响区加宽等问题。所以，20世纪90年代英国最先提出了铝合金摩擦搅拌焊接工艺，并成功应用于航空航天、造船工业以及汽车工业的铝合金连接装备产品。铝合金摩擦搅拌焊接工艺引入我国后，凭借其优点获得了广泛应用。首先，铝合金摩擦搅拌焊接工艺焊接的铝合金接头质量良好，且摩擦搅拌焊接工艺属于固相焊，焊接过程中接头往往不会出现熔焊时凝固过程出现的焊接气孔和焊接裂纹等问题，且焊接后接头颜色与母材料颜色的差异较小。铝合金摩擦搅拌焊接工艺的焊接温度远远低于铝合金熔点，所以铝合金装备产品的变形较小，且组织与母材料相当接近。其次，运用铝合金摩擦搅拌焊接工艺的过程中，装配精度要求往往不高，也不需要保护气体和其他填充材料，焊接前的准备工序相对简单。对于厚度较高的铝合金板材而言，它不需要开坡口，易于操作，节能系数较高。最后，铝合金摩擦搅拌焊接工艺操作更容易实现自动化和机械化，整个焊接过程的稳定系数和安全系数更高，操作过程中也不会出现有害光线、难闻气味等。可见，应用铝合金搅拌摩擦焊接工艺可有效规避铝合金焊接中的各种缺陷，且作为固态链接工艺，其焊接后的铝合金接头性能优良，也可以有效焊接传统铝合金焊接中无法焊接的部分。

2.3表面探伤试验

铝合金焊接时易产生热裂纹，因为所用铝合金属于共晶型合金，遇到焊接热时，在合金元素作用下，会产生三元共晶组织，熔点比二元共晶组织低，而且结晶范围宽，从而会形成大量的结晶裂纹。因此，针对３种不同的焊接电流工艺，通过表面探伤，验证焊接电流对表面裂纹的影响。表面探伤试验时通常采用渗透剂、清洗剂和显像剂完成焊缝的探伤。

2.4内部Ｘ射线探伤

内部Ｘ射线探伤目的是检测焊缝内部的缺陷，如气孔、未焊透和夹杂物等。因为铝合金焊缝结晶组织与母材相比，焊缝结晶组织具有粗大、缩松的特点，而且还存在明显的柱状晶组织和枝晶偏析现象。焊缝的铸造特征比较明显，表现在大晶粒组织及晶粒组织成分不均匀，因此焊缝内部组织缺陷比较多，需要用Ｘ射线观察焊缝内部缺陷。根据ＧＢ／Ｔ　３３２３．１－２０１９，采用Ｘ射线检测焊缝内部的缺陷。

结语

铝合金材料焊接的有些发展趋势已经是显而易见的：不断逐步提高国民生产力；进一步实现机械焊接全自动化；继续努力寻找更加有效率的现代焊接设备和工艺。通过新工艺的出现以及使用的高强度不锈钢和优质铝合金的数量增多，整体焊接构件上的重量大大减轻。在国际焊接展上，我们能清楚地看到现代电子元件、计算机网络技术以及现代数字通讯技术的快速发展，影响着现代焊接设备的不断发展。诸如混合激光熔化极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现，传统的热熔钨极惰性气体保护电弧焊、熔化极惰性气体涡流保护电弧焊以及埋弧摩擦焊等工艺毫无疑问将逐步被这些新工艺所取代。

参考文献

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