浅谈焊接工艺对铝合金焊接构件变形的影响

浅谈焊接工艺对铝合金焊接构件变形的影响

黄麒，王昌福，孙健健，王光杰

中车青岛四方机车车辆股份有限公司   山东青岛 266109

摘要：焊接工艺在机械制造领域有着广泛的应用，对制造业的发展有着积极的推动作用，焊接工艺也在应用实践的过程中得以改进和完善，相关工艺和技术逐渐趋于成熟。文章围绕机械制造当中的焊接工艺，从实践出发，积极进行探索，改进和升级焊接技术，提升机械制造水平。

关键词：焊接工艺；铝合金构件；实践

1铝合金构件焊接变形与控制

1.1焊接变形原因

焊接后的热凝固过程通常是直接导致焊缝残余应力变形和残余塑性应变增大的最大根源。在实际焊接的过程操作中,焊接的热凝固过程及其对焊接整体质量精度和整个焊接整体效率造成的巨大影响,主要包括来自于以下这样几个重要方面中的更深层次原因

(1)焊接在各种焊接件基体上,熔池的分布形状尺寸和几何尺寸关系直接会影响其焊接的质量,而焊接熔池大小直接与形状尺寸作用传递到被焊接件表面上时的焊接热量的分布情况和大小直接息息相关

(2)焊接时的热相过程中包含有加热反应和热冷却的两个复杂过程,这前两个简单过程参数中含有的加热反应和加热冷却温度参数均会产生直接作用影响到熔池金属的热相变等过程,对熔融金属材料的加热凝固等产生着重要直接的温度影响,对受到热相变影响区附近的熔融金属组织可产生着一定深度的温度破坏

(3)焊接系统中金属的放热传递过程将直接影响决定金属热量传导的热量输入传导过程速率和金属热量传递的输出传递的效率,这可能直接的导致被焊接材料的母材金属的热熔化的速度

(4)焊接金属材料中的导热及变形传递过程受热金属如果表面加热的不是很好均匀,会同热时应对焊接的金属构件基体上的各热金属部分表面之间将产生几乎完全的不同频率方向的热传移响应,导致焊缝金属表面将出现各种程度及不同频率大小变化的热应力,产生各种热应力的热形变。从对以上的两个主要理论加以分析及探讨,我们现在又进一步可知了铝合金材料在加工各种常用金属构件表面和铝合金焊接和成形工艺过程中往往都有出现的过弯变形,主要有可能也是由于整个铝合金的焊接生产过程热源系统始终也是都处于持续高温局部的均匀的加热,使得在各个焊接铝合金构件基体面上的金属表面的所吸收的热量的平均分布与状态之间存在一个明显的差异,在焊接铝合金构件主体部位与被焊接金属母材表面部位之间所形成的焊缝区域附近焊缝的材料热量的相对被吸收传递的金属量也较多,引起时其区域周围的其他铝合金材料主体之间和其焊缝母材基体之间一般都或多或少可以认为出现有了在一定范围的一定程度上的相对的受热收缩与塑性膨胀,而此时对其远离的焊缝区域或周围的其它的铝合金材料基体之间和其焊缝母材材料之间由于焊缝材料相对吸收而传递给到材料内部的热量是相对的相对较少,发生时的焊缝体积相对的膨胀的程度为相对的相对较小发生或部分甚至完全为相对不可能完全发生焊缝体积本身的瞬间膨胀,使得在整个铝合金焊缝区域内之间进行的整个焊接构件体积之间的瞬时膨胀温度变化等过程就可以看做受到了在一定区域范围上的瞬间有效温度抑制,导致在实际的焊接的生产的过程中,焊接的后铝合金构件本身内部之间和整个焊缝母材本身内部之间也可能都出现到了一个瞬间的瞬时热缩冷变形,但是在实际上的当后铝合金构件的自身材料在其整个的焊接过程的生产过程中产生瞬间的瞬间热胀内变形应力也大大地超过了到了在它的自身的自身材料范围内部的热达到弹性极限强度值后,会出现冷却了约一定温度时间形成的热塑性热应变,当热焊接料过程被逐渐完全结束冷却之后,焊接件材料本身又要被逐步完全地产生冷却热变形而并最终会产生的一些热塑性残余的冷却热变形。

1.2焊接变形分类

从流体机械领域内考虑到整个的焊接机械过程,可以直接将实际焊接生产过程中可能出现的热变形类型分为焊接瞬间变形类型和焊接残余变形。其中,焊接工艺过程中瞬间热变形可以分为至少三种,依次为是焊接面内位移、面内外位移形变和焊缝相变及组织形变。焊合后焊缝残余收缩变形主要分为焊接面内收缩变形类和焊面外扩张变形类两大块类,面内扩展变形类型又主要分为焊缝纵向残余收缩、焊缝残余横向残余收缩、回转扩张变形类型;而面内外扩大变形种类又要分为倒角扩大变形、弯曲收缩变形、扭曲膨胀变形。

1.3铝合金的焊接性能分析

熟悉过相关铝合金化学原理工作环境的人大多数焊接人都可能应该都会了解清楚,各种常见的铝合金元素中的某些基本物理化学成分很可能含量并不总是全部的一致,导致了各不同类别的焊接铝合金产品材料的各种实际焊接物理性能特征和各种基本的化学性能也会多多少少存在和有了一定和较大范围的差异,但是,由大量的相关焊接理论基础研究结果及实际试验和分析得出并没有同时结合了以上的焊接热导电理论实验分析和焊接热应力焊接热应变等从理论与研究和分析得到结论上可知,铝合金元素之间的各种基本合金焊接与材料性能差异主要原因仍可与在各种常用铝合金制品原料中各种合金元素的合金总元素含铜铝剂量大小和常用合金元素含锌钙镁量及其分布有关。随着铝锭含钾镁量会逐渐的逐步地增高,铝合金强度将会逐年增高,焊接件的加工性能就要逐渐得改善的了;但是,当铝合金中含碳的金属镁量已逐渐的超过了7%的铝合金焊接的极限值范围内之后,铝合金焊缝将就容易出现逐渐地出现的焊接的应力的过于的集中,降低了铝合金的焊接材料的焊接性能。

2铝合金构件焊接工艺优化

对于某些铝合金构件的在实际焊接工艺过程设计中会出现相应的应力焊接后变形,可尝试采取上述多种处理手段联合进行。如在焊接结构的设计制造阶段,可直接通过做相关部位的焊缝应力及形变计算实验,分析残余应力所出现量的实际大小,结合工艺设计要求的最小允许位移值,调节相应焊缝断面的设计尺寸,尽量适当降低焊缝变形的发生数量,对焊接成型后所出现大量的焊接残余应力变形现象进行综合控制;在整个焊接生产过程中,采取有一定深度的反应力变形修复或者仅仅是使用刚性材料固定或组装工件的简单方法即可在施焊前进行变形预防措施;而焊接工艺结束焊接之后,为了有效减小焊缝已经焊接出现了的应力残余应力变形,可以再采取局部加热进行矫正方法或者完全是单纯利用局部机械外力加热进行应力矫正方法的补救方法。当然,最为安全有效可靠的变形方法还是站在现有相关材料变形技术研究应用理论研究成果的理论基础之上,结合各种焊接模拟试验,对焊与接变形工艺条件进行了一定程序的调整优化,结合各种实际受力的铝合金构件尺寸进行各种参数关系的调整设定,科学合理控制了铝合金构件中的各类焊接与应力耦合变形,最终才能生产制作出更符合客户设计与要求精度的产品。对于薄壁铝合金构件表面的焊接,在整个焊接成形过程中,焊丝直径、成分变化和金属表面质量关系考虑到了焊缝金属应力及焊缝热影响区金属的综合力学性能,尤其是焊接热变形。

在铝合金构件的焊接成型过程设计中,由于对焊接的热凝固过程的较复杂难有效控制,要真正想办法取得其最好的焊接加工性能,往往还不是一下所能轻易实现的。但,只要人们能够科学准确并借助各种对焊接微观过程机理的相关科学理论实验资料和工程理论实验分析,找出一些对焊接工艺质量控制有最主要直接影响因子的焊接微观原因,采取了一定力度的微观补救和措施,同时注意对微观相关因素产生影响因素的进行有效抑制,优化了焊接过程工艺,便也一定都能够在实践中取得相对较好满意的铝合金构件的焊接效果。当然,随着工业科学技术水平提高的技术不断在进步,对于高强度铝合金构件的焊接处理工艺将必定还会显得越来越接近成熟,这反过来也都将能够更好地在促进高强铝合金材料装备上发挥起着更大积极的促进作用。

 在焊接过程中,焊接电流是指流经焊接回路的电流,这个电流的大小对焊接生产效率和焊接质量有着直接的影响。一般为了提高焊接生产效率,在质量保证前提下,选择尽可能大的焊接电流,以达到提高焊接效率的目的。不过,由于电流过大,引起热量输入过大和较大的电弧力存在而导致的焊缝熔深和余高增大,而且还会使热影响区的晶粒变得粗大,出现应力集中区,使接头的强度和承载能力下降。同时,由于电流锅小,电弧燃烧不充分不稳定,容易形成气孔和夹渣等焊接缺陷,使得焊接接头的冲击韧性降低,不利于焊接质量的提升,因此,在焊接电流选择上,还是需要通过实践选取适宜的电流。由于电弧长短对焊接质量也有显著影响,而电弧电压决定电弧长短,因此,在焊接时,依据焊接试验,需要控制好电弧电压,产生适宜长度的电弧长度进行焊接。 

参考文献：

[1] 廖鸿钧,胡立华.钢结构焊接变形的讨论[J]. 网络财富. 2010(15)

[2] 吴龙海,盛建群.12Cr1MoV钢管安装焊接裂纹的产生及其防治[J]. 中国高新技术企业. 2010(04)