蚌埠橋檢查車鋁合金結構焊接缺陷的產生與防治研究

溫悅，張登魁

（1.中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島066200；2.清華大學，北京100062)

蚌埠橋檢查車鋁合金結構焊接缺陷的產生與防治研究

溫悅1，張登魁2

（1.中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島066200；2.清華大學，北京100062)

介紹了鋁合金結構的橋梁檢查車焊接缺陷產生的原因，以及相應的防治措施，以待提升橋梁檢測的裝備水平，進一步增加其安全性、準確性，并提高工作效率。

橋梁檢查車;鋁合金;6061-T6

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.145

1 項目簡介

橋梁檢查車可以為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業平臺。由中鐵山橋集團有限公司研發的安徽蚌埠長淮衛淮河大橋橋梁檢查車，主體結構材料為6061-T6鋁合金，該合金的主要元素是鎂和硅，并以Mg2Si為強化相。由于其具有中等強度、良好的耐腐蝕性、焊接性、抗氧化性等優點，在有一定強度和耐腐蝕性要求的工業結構件中有比較廣的應用。該檢查車具有旋轉過墩功能，1臺便可以實現對全橋的檢查作業。

2 焊接缺陷分析

目前，檢查車鋁合金結構遇到的主要焊接問題有：焊縫氣孔、接頭熱影響區軟化、焊接裂紋。

圖1 氫在鋁中的溶解度（PH2=101kPa）

2.1 焊縫氣孔

焊縫中的氣孔，是鋁及其合金熔焊時最常見的缺陷，尤其是防銹鋁及純鋁。鋁合金熔焊時，氣孔生成的主要因素是氫氣。焊縫氣孔中的氫，主要來自弧柱氣氛以及母材和焊材所吸收的水分。

2.1.1 弧柱氣氛中水分的影響

1）氣孔成因分析

弧柱氣氛在鋁合金和鋁中的溶解度變化特點，是氫氣形成焊縫氣孔的原因。如圖1所示，在平衡條件下，氫的溶解度沿實線在凝固點的變化從0.69急劇下降到0.036ml/100g，約相差

20倍（而同樣條件下的鋼只有不足2倍），鋁合金導熱性又非常好，在工藝和條件都不變的情況下，鋁熔合區在冷卻時候的速度能達到高強鋼的4～7倍，不便于氣泡浮出，使焊接時容易出現氣孔[1]。我們必須關注的是，冷卻時氫的溶解度并非平衡狀態，而是沿abc（冷速大）或ab'c'（冷速小）發生變化。當冷卻速度較小時，過熱熔池里面因為a-b'間溶解度不同而生成大量的起泡，往往可以聚合浮出，還不至于生成氣孔。

2）防治措施

（1）由于山海關地區的濕度較大，焊接車間應進行相應的干燥處理。各種焊材和保護氣體均需要嚴格控制含水量，使用前均需干燥處理，以便減少弧柱空間中的水分。

（2）可以采取焊前預熱等方式來降低焊接接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的聚合逸出。

（3）使用直徑粗的焊絲進行MIG焊接，因為直徑細的焊絲含有熔滴的表面積小，容易產生氣孔。

2.1.2 氧化膜中的水分影響

1）氣孔成因分析

產生氣孔的另一個重要因素是工件或焊絲的氧化膜中所吸附的水分。6061-T6鋁合金的氧化膜主要由氧化鎂和氧化鋁等組成，氧化鎂生成的氧化膜比較稀松，很容易吸附水分。

2）防治措施

焊絲及母材表面的氧化膜應徹底清除，采用機械法與化學法相結合的方法使其達到最佳效果。比如，先用清洗劑去除金屬表面的油污，然后用化學試劑清洗，最后使用丙酮擦拭表面，用吹風機吹干后，放入30℃左右的干燥箱里。使用前用拋光氈輪進行機械打磨，再次去除氧化膜[2]。

用試劑清洗后2～3h就可以使用，一定不能超過24h。推薦清洗焊絲后將其放在150～200℃的烘箱內，使用的時候直接拿取即可。

2.2 接頭熱影響區軟化

2.2.1 成因分析

6061 -T6是時效強化鋁合金，在熔焊作業時有個無法避免的現象就是因為“過時效”而造成的熱影響區軟化的問題。熱影響區中，焊接熱循環溫度高于合金人工時效溫度，并且低于固溶溫度時，強化相Mg2Si易于脫溶析出并聚集長大，焊接時熱輸入越大，高溫停留時間越長，軟化程度越高。

2.2.2 防治措施

焊后熱處理。對6061-T6鋁合金TIG接頭進行人工時效過程：室溫時將試樣放入電磁感應爐中，以100℃/h加熱速度加熱到175℃，保溫8h后隨爐冷卻。試驗發現，接頭的極限抗拉強度可由時效前的142.7MPa提升至240.6MPa（母材為272.7MPa），抗拉強度提高15%左右。原因在于時效析出的沉淀強化相提高了接頭抵抗應力變形的能力。

2.3 焊接裂紋

2.3.1 成因分析

鋁合金在焊接過程中產生的裂紋，大部分是焊縫金屬的凝固裂紋以及近縫區的液化裂紋，是存有熔點低的物質以及晶界上的合金元素偏析導致的結果。前者和晶間易熔共晶存在關聯，然而這樣的易熔共晶夾層不是晶間原已存在，而是由于施焊時加熱不平衡產生的偏析，是晶間液化；后者是焊縫金屬在結晶溫度的低溫區時，因為晶粒間的聯結被低熔共晶產生的液態薄膜削弱了，在凝結時的收縮應力和其他外力作用下產生沿晶開裂。

對于6061-T6鋁合金熔化焊接接頭而言，焊縫中由于存在Si、Mg以及少量Mn、Cu等元素，造成共晶成分和熔點復雜，焊縫產生凝固裂紋的敏感性增大，更容易產生凝固裂紋。

2.3.2 防治措施

1）調整焊縫合金系統。其目的是控制適量的易熔共晶以及縮小結晶溫度區間。因為6061-T6鋁合金是共晶合金，有易熔共晶會加大凝結裂紋產生趨勢，因此，通常都是讓主要合金元素的含量高于裂紋趨勢最大的合金成分而產生愈合作用。

如圖2所示，使用TIG焊對剛性T型接頭進行試驗，不一樣的母材搭配不同的焊絲，結果具有不同的裂紋傾向[1]。從圖中發現，對于6061鋁合金，當采用與母材基本同質的焊絲（6070）時具有較大的裂紋傾向，而使用Al-5%Si焊絲（比如4043）以及Al-5%Mg焊絲（比如5556）時則有比較明顯的抗裂作用。此試驗進一步說明，通過選取不同的焊絲可以調整焊縫金屬中合金元素的種類和含量，從而改變接頭的熱裂傾向。

圖2 母材與焊絲組合的抗熱裂性試驗（剛性T型接頭，TIG）

2）調整焊接工藝參數。焊接工藝的參數可以影響焊接裂紋的產生，熱能集中焊接的方法，有利于加快焊接過程，可以防止粗晶柱狀晶的形成，從而提高裂紋的抵抗能力。使用小電流焊接，可以避免熔池過熱，便于改善抗裂性。焊接速度的增加和焊接接頭的應變速率的增加，將增加熱裂紋的趨勢。

3 結論

電弧熔化焊焊接6061-T6鋁合金檢查車時，會出現難以避免的焊縫氣孔、接頭熱影響區軟化、焊接裂紋等缺陷，這些缺陷的產生因素均較為復雜。工程人員可以借鑒上述提出的各種缺陷的防治措施，從優化材料、調整工藝參數等方面著手，有望實現低概率的焊接缺陷。

【1】周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京:機械工業出版社,1988.

【2】翟玉峰，黃堅，李敏，等.6061-T6鋁合金高速高功率CO2激光填絲焊接性的研究[J].中國激光,2011(5):1-6.

Research on Generation and Control of Welding Defects of Aluminum Alloy Structure of Check-up Locomotive of Bengbu Bridge

WEN Yue1,ZHANG Deng-kui2
(1.China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.Ltd.,Qinhuangdao 066200,China;2.Tsinghua University,Beijing 100062,China)

This paper introduces the causes for welding defects of aluminum alloy structure of check-up locomotive,and the countermeasures, in order to improve the equipment levels of bridge inspection,further increase its safety as well as accuracy,and improve work efficiency.

check-up locomotive;aluminum alloy;6061-T6

TG441.7

A

1007-9467（2016）11-0097-03

2016-10-12

溫悅（1983～），男，河北秦皇島人，工程師，從事機械產品的設計與工藝研究。