鋁合金熱處理工藝分析探討

劉小東++崔猛

摘 要：鋁合金具有很先進的工藝性，同時還具有很好的焊接功能，熱處理能夠改變金屬和合金的性能，一般的鋁合金都要通過熱處理來提高機械性能和其他性能。同時，使用熱處理工藝可以提高耐腐蝕性，增加穩定性，還可以改善焊接加工的性能，鋁合金及其熱處理工藝在工業上擁有廣泛的應用。本文對鋁合金熱處理工藝進行探討，并針對鋁合金焊接中常見問題及預防措施進行簡單論文。

關鍵詞：鋁合金 熱處理 焊接

1、鋁合金分類

鋁合金是鋁金屬與添加材料在高溫下共同發生作用后形成的金屬材質。一般來講，鋁合金的分類原則是可以從不同的角度進行區分。按照生產工藝的不同可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金；按照熱處理能力的不同可以分為可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金；而按照鋁合金材料的性能屬性又可以分為高塑性鋁合金、高強度鋁合金、中強度鋁合金、熱強鋁合金和耐蝕鋁合金。

2、鋁合金熱處理特點

“熱處理”這一名詞，從廣義上講，是指改變金屬產品的機械性能，冶金機構或殘余應力狀態的任何加熱和冷卻操作。但是，這名詞用于鋁合金時，經常僅僅是指，其目的在于提高沉淀硬化鍛壓和鑄造合金的強度和硬度的特定操作。這些合金通常稱為“熱處理”合金，用于區別那些不可通過加熱和冷卻而顯著強化的合金。即一般所謂“非熱處理”合金。后一類合金，當其處于鍛壓形式時，主要是靠冷加工來提高強度。這兩類合金都可以通過加熱來降低強度和提高延性（退火）。這是的冶金反映，隨合金類型和軟化程度而有所不同。

鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規范，控制加熱速度，升到某一相應溫度下，保溫一定時間，并以一定得速度冷卻，從而改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學性能，并增強耐腐蝕性能，提高合金的機械強度和硬度，改善金相組織，保證合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能。

3、熱處理方法

3.1退火處理

內應力作為嚴重影響鋁合金質量的重要因素，常中表現為內應力不均勻，組織結構不穩定，一旦測得金屬內有殘留內應力，鋁合金的綜合性能勢必大打折扣，可能直接出現塑性降低、耐蝕性減弱、機械性能損失等狀況。退火工藝正好能夠消除或者減少這些工藝缺陷。其工藝是：將鋁合金鑄件加熱到280 -300℃，保溫2-3h，隨爐冷卻到室溫，使固溶體慢慢發生分解，析出的第二質點聚集，從而消除鑄件的內應力，達到穩定尺寸、提高塑性、減少變形、翹曲的目的。

3.2淬火

淬火工序就是工業操作中的固溶處理。影響淬火的因素也包含熱處理的加熱溫度，保溫時間和冷卻溫度。一般情況下，如果淬火加熱溫度值和保溫時間取值越大，則強化相溶解的物理過程越充分，晶體的晶格中排列分布合金元素的狀態也就是越均勻，晶格中的格局變化后，其空位濃度將相應增加，能較好地促進合金時效作用的提高。

3.3時效處理

時效處理，又稱低溫回火，是把經過淬火的鋁合金鑄件加熱到某個溫度，保溫一定時間出爐空冷直至室溫，使過飽和的固溶體分解，讓合金基體組織穩定的工藝過程。

3.4循環處理

把鋁合金鑄件冷卻到零下某個溫度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保溫一定時間，再把鑄件加熱到350℃以下，使合金中度固溶體點陣反復收縮和膨脹，并使各相的晶粒發生少量位移，以使這些固溶體結晶點陣內的原子偏聚區和金屬間化合物的質點處于更加穩定的狀態，達到提高產品零件尺寸、體積更穩定的目的。這種反復加熱冷卻的熱處理工藝叫循環處理。這種處理適合使用中要求很精密、尺寸很穩定的零件（如檢測儀器上的一些零件）。一般鑄件均不作這種處理。

4、焊接過程中容易產生的缺陷及成因分析

4.1氣孔

經過長時間的實踐結果表明，使用純氬氣做保護氣體焊接的時候，通過對焊縫接頭處斷面的微觀觀察結果顯示出現很多的線狀氣孔；而對使用混合氣（He-Ar-N2）做保護氣體進行焊接的時候，焊縫接頭斷面微觀結果顯示出現的單個的細小氣孔甚至無氣孔。

氣孔的形成原因

高強鋁合金用NaOH+HNO3進行表面處理會導致鋁合金表面塑性變形層吸氫和形成含水合物的不規則氧化膜，這種不規則氧化膜，對焊縫結合面的任何觸摸污染都可造成焊接氣孔；空氣濕度；對焊縫氣孔的產生有很大影響。

4.2裂紋

熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉應力時，就會表現出較好的強度和塑性，在這一階段產生裂紋的可能性相對來說較小。因此，當溫度高于或者低于它的脆性溫度區時，焊縫金屬都有較大的抵抗結晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區間較窄，拉應力在這個區間作用的時間比較短，使得焊縫的總應變量比較小，因此焊接時產生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質比較多，則脆性溫度區間范圍比較寬，拉伸應力在這個區間的作用時間比較長，產生裂紋的傾向較大。

裂紋的形成原因

按裂紋產生的溫度區間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時高溫下產生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點物質的存在所引起的。根據所焊金屬的材料不同，產生熱裂紋的形態、溫度區間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類。熱裂紋中主要產生結晶裂紋，它是在焊縫結晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時填充，在凝固收縮應力或外力的作用下發生沿晶開裂，這種裂紋主要產生在含雜質較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁合金；液化裂紋是在熱影響區中被加熱到高溫的晶界凝固時的收縮應力作用下產生的。

5、缺陷的防止措施

5.1氣孔的防止措施

鋁合金是最容易形成焊縫氣孔的金屬，本文在焊接工藝試驗的基礎上，分析了鋁合金焊接對氣孔的敏感性及焊接工藝方法和保護氣體對鋁合金焊縫中氣孔的影響。結果表明：通過對鋁合金基材和焊接材料表面狀況、保護氣體的純度、焊接工藝參數等的合理控制，可以有效減少鋁合金焊縫中的氣孔。鑒于MIG焊的工藝特點，其比TIG焊使鋁合金焊縫具有更大的氣孔傾向。采用混合氣體保護可有效改善非平位鋁合金焊縫的質量。

5.2裂紋的防止措施

根據鋁合金焊接時產生熱裂紋的機理，可以從工藝因素方面進行改進，降低鋁合金焊接熱裂紋產生的機率。

在工藝因素上，主要是焊接規范、預熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態，也影響凝固過程中的應變增長速度，因而影響裂紋的產生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應變速度，而增大熱裂的傾向。可見，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結構裝配、施焊時不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預熱或適當降低焊接速度等措施。通過預熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產生焊接應力相應降低，減小了在脆性溫度區間的應力；盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并避免采用十字形接頭及不適當的定位、焊接順序；焊接結束或中斷時，應及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。

參考文獻：

[1]賴鷗.焊接材料及工藝對鋁合金焊接性能的影響[J].科技創新與應用，2013（6）.

[2]李午申，邸新杰.中國鋼材焊接性及焊接材料的進展[J].焊接，2013（3）.