提高铝合金焊接质量的方法

提高铝合金焊接质量的方法

 ,田恩强  ,尹茂林

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东省青岛市，266000

摘要：铝合金是自20世纪出现以来世界范围内迅速普及和采用的一种工程和工业金属材料。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。基于此，本文对铝合金的分类和应用特点以及提高铝合金焊接质量的措施进行了分析。

关键词：铝合金；影响因素；质量

与钢铁原料相比，铝合金具有强度高、密度低、塑性和延展性好等优点，并具有降低净重、降低油耗、节约资源、减少环境污染等低碳环保效果。因此，它已广泛应用于制造道路运输专用工具、航空公司、航天飞机、电子元器件、机械设备零部件等领域。与铝合金使用量的不断增加相比，铝合金的焊接机械、设备和加工技术似乎已经过时，这已成为制约铝合金原材料在上述行业大规模应用的关键短板。

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措施

2.1 氩弧焊

2.1.1非熔化极

氩弧焊当中的非熔化极焊接，其电弧会在非熔化极以及工件之间快速燃烧，在焊接电弧周围加入一种能够和金属不发生化学反应的惰性气体，使其形成一个完整的保护气罩，避免钨极端部电弧和熔池以及临近热影响区域的高温金属和空气出现较大接触，从而有效规避氧化反应或者吸收有害气体，形成较为致密的焊接接头，获得较为良好的力学性能。在此过程当中，还能够有效去除工件表面的氧化膜，使其能够和铝合金材料更加良好的焊接起来，规避工件表面损伤问题的发生。但该种操作技术往往需要手工进行，焊接速度较慢，生产效率较较低。伴随着现代科学技术的不断发展，不同形式的变极性焊接波形也逐渐的被研发出来，这极大的提升了焊接效率和焊接接头的质量以及性能。

2.1.2熔化极

氩弧焊当中的熔化极焊接技术具备较为明显的特点，在焊接过程中丝轮能够有效的将焊丝送入，导电嘴传输电能，在焊丝和母材之间产生电弧，使其有效溶化，氩弧焊气体的有效应用，能够有助于金属丝快速完成焊接工作。熔化极焊接技术与非熔化极焊接技术较为显著的差别就是，所应用的焊接会作为电极，在应用相应时间之后便会融化，并注入到熔池当中，但在冷却后极易出现焊缝。相关技术人员也可采用保护气体，该种气体通常是由一种氩气释放而成的混合型气体，当这部分混合气体应用在熔化极氩弧焊应用过程中，为焊接提供相应保护。

2.2 显微硬度

焊接热输入特征值为0．13、0．4、1．33mm/r时，可见从焊缝中心向母材两侧硬度先降低后略微升高，呈近似“W”形分布;焊核区的硬度最高，这是焊核区在搅拌针强烈的机械搅拌作用下发生完全动态再结晶，晶粒细化所致;热影响区的硬度最低，母材的硬度稍高于热影响区，这是热影响区仅受到热循环作用，晶粒发生一定程度的粗化所致。当焊接热输入特征值为0．4mm/r，即搅拌头转速为250r/min、焊接速度为100mm/min时，焊核区的硬度较高。当搅拌头转速较低、焊接速度较高时，材料塑性变形程度较小，再结晶不充分;而当搅拌头转速较高、焊接速度较低时，焊接热输入较高，这都将导致焊核区晶粒粗大，硬度降低。

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 电子束焊

电子束焊是现代铝合金焊接技术的一种，其在航天航空、汽车制造等多个领域中应用。电了束焊接是指在真空环境中。使用会聚的高速电子流轰击焊件连接部位，使需焊接部位产生热能，从而使焊金属融合的一种焊接方法。其突出特点是功率密度高、穿透力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金使用电子束焊接方法，可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷的产生。电子束焊之所以具有良好的应用性，主要是在高电压作用下，电子被加速到1/2～2/3光速，电子流集中轰击焊件表面，焊件表面必然会被高温融化，且金属蒸汽量增多，如此产生小孔效应，加深加宽焊缝。由此可以说明，电子束焊的关键是电子流的应用，电子流直接作用在铝合金表面，达到有效焊接铝合金的目的。基于目前电子束焊的应用，可以确定，相较于传统铝合金焊接技术来说，电子束焊铝合金具有多种优点，具体表现为：其一，在强大的电子束流作用下，铝合金的焊缝又深又宽，有利于提高铝合金焊接效果。其二，电子束焊在应用的过程中，电子束被加速到二分之一或三分之二光速，如此可以使焊接速度大大提升，且展现良好的焊接物理性。

2.5 加工前的预热

根据不同的加工材料，采用合理的预热方法。目前，一些企业或技术人员无法合理判断铝合金金属焊接是否需要预热，导致需要预热的铝合金金属未按要求预热，不需要预热的金属被预热，影响铝合金金属裂纹的可控性。预热可以减少焊接应力，避免裂纹并防止气孔的形成。薄板和小型焊件通常不允许预热。母材厚度大于或等于5mm的焊接接头应预热。预热温度为100℃～300℃，预热范围一般为焊缝两侧100mm～150mm。预热器应首先设置在合理的温度。应通过合理的温度设置进行预热。预热时间不宜过长，也不能满足预热要求。预热可以有效地影响焊接应力状态。预热位置应根据材料条件设计，且不得超出范围。预热过度或不足会影响铝合金金属材料的性能和裂纹控制。温度控制可能导致温度误差，温度控制不当也可能导致原材料的变化。

2.6 激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊是近年才发展起来的一项高效焊接技术，可以解决铝合金激光焊接时的高反、功率不足、装配间隙等问题，是继搅拌摩擦焊之后，在厚板铝合金焊接技术中的研究热点。激光与电弧2种热源耦合后，可预热铝合金母材，提高激光能量的吸收率，还可以改变光致等离子的分布形态，降低等离子体对激光的散射，从而显著增加焊缝熔深以及焊接过程的稳定性；另一方面，激光产生的光致等离子体能引导和压缩电弧，使电弧能量集中、挺度增加，使焊缝熔深进一步增加。

3 结束语

铝合金是一种新型材料，它具有密度低、耐腐蚀性强、机械轻度高等优点，而焊接技术也在不断的进步，现代铝合金焊接技术，如激光焊、电子束焊等，比传统铝合金焊接技术更具优势，将其科学、合理的应用，可以大大提高铝合金的应用范围，使铝合金在航空航天、汽车制造、医疗器械制造、轮船生产等多个领域发挥作用。同时，新兴的摩擦搅拌焊也显示出巨大的优势，随着相关研究不断深入，摩擦搅拌焊会有更加广泛的应用。

参考文献：

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