焊接材料及工藝對鋁合金焊接性能的影響

羅庚峰　劉建啟

摘 要：鎂鋁合金在焊接工藝應用時由于金屬膨脹系數較大，所以鋁合金焊接工藝操作進行時一般很難有效觀察清晰其焊接熔池。因此，一旦焊接間隙過大，很可能促成其焊接熔池下榻；而如果間隙太小又會造成焊接缺陷的出現。基于此，文章主要提出了鋁合金焊接工藝相對普遍的鎢極氬弧焊方法，并與之提出了該工藝下焊接對鋁合金的主要性能影響，以供參考。

關鍵詞：焊接工藝；焊接性能；鋁合金；焊接材料

目前結合實際焊接工藝與大量的焊接工藝文獻來源可知，當前采用的鋁合金焊接工藝應用方法較多，原則上一般都能夠滿足其鋁合金焊接需求。比如最初普遍采用的氧氣炔焊接法，再到后來比較常用的電栓焊、點焊等電阻焊方式，包括攪拌摩擦焊、電子焊等工藝焊接法。不過，顯然這些焊接工藝應用時存在一些潛在性缺憾。例如采用氧氣炔焊接時，如果不能良好控制氣焊火焰的集中溫度，則會造成裂紋缺陷出現；而電焊、攪拌焊等方式又對其焊接接頭的作業要求較高，所以存在工藝應用的場地限制和約束。基于此，研究焊接材料與焊接工藝的對其焊接性能的主要影響，應能選用合理的焊接方法，同時要了解焊接接頭裂縫的形成機理等有關內容，以此才能選擇適宜的焊接材料與操作工藝，保障鋁合金焊接質量。

1.焊接方法的選擇

考慮到當前焊接鋁合金等有色金屬所采用的普遍焊接工藝方法存在的普遍缺陷，比如裂紋缺陷、場地限制等，所以文章主要推薦的是鎢極氬弧焊工藝焊接法。該焊接工藝應用較為廣泛，主要原理是通過氬氣隔絕空氣效果，由于其本身不融于金屬，具有不能產生其他化合物的特性，所以其電弧清除焊接工件的氧化膜效果較為可靠，能夠對易于氧化的鋁合金予以成功焊接，具有良好的電弧穩定性，甚至在較為微小的電流下仍能維持燃燒狀態，對諸如超薄合金板的焊接效果較為理想。因此，選用該焊接工藝時，可以著重考慮焊接工件的厚度及接頭調整參數等。

由于鋁合金本身的化學活潑性表現明顯，所以其金屬材料發生化學反應的可能性較高，在焊接時特別容易和空氣中的水分加以產生氧氣反應。因此，考慮到采用鎢極氬弧焊的作業焊槍其保護范疇較小，可能影響到焊縫金屬保護效果，處于熱影響區受熱作用下易與空氣發生氣體反應，在焊接時產生氣孔或其他氧化物等缺陷。基于此，一般采用該焊接工藝會在焊接工件上設置必要的保護氣罩，使其自氣罩出來的氣體能夠回流到焊件周圍形成一個立體空間的氬氣保護氛圍，故此能夠降低空氣對其焊接工藝表現出的氣孔或氧化物等缺陷影響。

2.焊接材料及工藝應用對鋁合金焊接性能的主要影響

2.1焊接接頭裂縫及其主要特征

由于鋁合金材料應用在焊接工藝下的材料種類差異性存在，以及采取的焊接工藝性質不同，所以在其焊接接頭中可能會表現出諸多形式上的各類缺陷裂紋。這些裂紋缺陷分布特征相對復雜，主要結合生產需求不同將其劃分為兩種裂紋缺陷方式：

一類屬于焊縫金屬裂紋，主要有橫向或縱向裂紋、弧坑裂紋、弧狀裂紋、以及多層焊接時的顯微裂紋等缺陷形式。

二是焊接工藝操作時的熱影響區裂紋。這種裂紋缺陷主要有焊趾裂紋、熔合線區域內的顯微裂紋、以及層狀結構裂紋等。同時，這些裂紋結合熱影響區又可以分為熱裂紋與冷裂紋。比如，熱裂紋一般是在高溫作業下通過晶界上合金金屬偏析或者存在一些熔點較低的物質引起的。當然，考慮到金屬材料差異性存在，其實際上產生的裂紋形態也表現不同，即在裂紋表現形態上又可以分為結晶、液化、多邊化裂紋等。熱裂紋中主要以結晶裂紋為主，它一般是在焊縫結晶過程時，基于在固相線區域內的凝固金屬收縮，并且又沒有多余液體金屬加以填充，所以則在凝固收縮作用下促成了沿晶開裂；發生這種現象多以一些低碳合金鋼為主；再如，液化裂紋的形成也與其金屬收縮應力作用相關，即在其加熱到高溫時發生晶界凝固而產生液化裂紋。

2.2熱裂紋產生的過程及其機理

焊接過程可以說是一種矛盾的工藝加工過程，在其焊接作業過程中許多不平衡的工藝綜合雜糅到一起，故而造成了焊接接頭、金屬冶金、及力學作用的綜合表現。換言之，鋁合金在焊接工藝下的冶金過程屬于物理、化學及材料組織上的綜合反應過程，其中夾雜著熔渣、氣體成分等。所有這些現象發生，都會存在著裂紋的形成動機，但去裂紋型號曾最為緊密關聯的則屬于冶金因素。事實上，從力學角度來看，焊接工藝屬于熱循環狀態，在這種狀態下其共同存在著溫度梯度變化與對應的冷卻速度變化，焊件在一定作業條件下其接頭始終保持應力到應變的這一變化形態，所以則為裂紋的形成提供了契機與必要條件。

因此，在焊接過程中，要控制冶金因素及力學應力變化過程下所出現的裂紋缺陷，應能考慮金屬材料的強化與弱化關系。比如，在冷卻時期，焊接接頭屬于一種對外建立的強度聯系。如果，此時在作業條件下保持其能夠順從應力變化，使其焊縫和焊縫區的材料工件能夠承受其內在應力與殘存應力，就不會造成裂紋出現。反之，當工件不能承受其應力變化作用時，其材料強度聯系就會中斷，故而促成裂紋缺陷發生。同樣，隨著溫度的逐漸冷卻，冶金及力學因素也會對應發生改變，在不同溫度區域內其接頭金屬表現的強度也不同，比如結晶溫度區間較大，且固相線溫度低時，其晶粒間在殘存的低溶液態金屬處則更容易造成應力集中，致使其出現固相金屬裂紋。因此，針對于此，實際焊接合金材料時應能綜合考慮接頭裂紋缺陷形成條件等，以選用適宜的焊接工藝及材料。

3.結語

基于鋁合金自有的焊接優越性能存在，所以在各領域中得到的廣為應用。并且，隨著如今焊接工藝技術的持續發展與快速進步，鋁合金的焊接構件使用需求也越來越大。基于此，在采用鋁合金材料完成焊接工藝時應能考慮必要的氣路保護、焊前清洗等準備工作，并要重點知曉焊接接頭裂縫形成特征及原理參數等，以此才能避免鋁合金焊接氣孔等缺陷裂紋發生。

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