7A10鋁合金焊接裂紋的成因及預防對策探討

聶洪剛，王 鑫，孫東東

（中國中車長春軌道客車股份公司，吉林 長春 130062）

作為當前工業制造領域中常見的材料，鋁材應用中需配合金屬焊接技術，通過焊接使材料在結構上改變，提高鋁材的綜合性能。盡管焊接處理方式下在提高鋁合金質量方面效果明顯，保證鋁合金在其應用領域中發揮自身優勢，但如何使鋁合綜合性能提高，需在焊接各方面有效控制。因此，本文對7A10鋁合金焊接裂紋的成因及預防對策相關研究，有十分重要的意義。

1 鋁與鋁合金焊接相關概述

1.1 鋁與鋁合金焊接基本特征

相比碳素鋼、低合金鋼，鋁合金在比熱容與熱導率上更高。焊接中，許多熱量從看鋁合金傳導，所以焊接過程中有較多能量在熔化金屬熔池中消化，且金屬其他部位也有大量熱量消耗。對此情況，焊接過程中應考慮能量消耗控制問題，可采取預熱工藝措施等[1]。

1.2 鋁合金焊接常見問題

盡管鋁合金在各方面性能上有較多優勢，但實際做焊接處理中，可能出現的問題較多，具體表現為：第一，裂紋形成。裂紋問題在鋁合金焊接中發生可能性較高如凝固狀態下，體積收縮，焊接變形可能性較高，加之焊接中近縫區內焊接金屬影響，有熱裂紋或液化裂紋情況，若易熔共晶體較多，也將導致凝固裂紋出現。第二，易氧化。鋁合金焊接中，與空氣接觸后可能有氧化情況，氧化后的鋁在熔點上較高，一旦出現氧化情況，將有較多缺陷出現，如未熔合、未焊透或夾渣生成，一旦鋁表面有過多水分附著，或出現氧化膜，將導致焊縫有氣孔出現。第三，焊接過程中產生氣泡。由于高溫下的的鋁合金在向由固態向液態轉化的過程中易產生氫氣，而由于鋁合金物態中幻化的這一過程發生的時間較快，分解出來的氫氣在鋁合金固化時不能及時的排放就被凝固在固體中，因此在焊接過程中就極易產生因氫氣而形成的氣泡孔。此外，焊接頭抗腐蝕性降低，焊接過程中，由于各種外界因素的干擾以及實際操作過程中的消耗，會導致焊接頭的抗腐蝕性低于原材料。產生這種情況的原因首先歸因于焊接過程中的消耗和磨損，打亂了焊接頭部的物質分布，因此會出現電位的不穩定現象。或因焊接頭的純度不高，其中含有大顆粒的雜質，出現腐蝕問題。這些問題的存在，均可能導致氯化金綜合性能降低[2]。

2 7A10鋁合金焊接裂紋產生原因分析

2.1 7A10鋁合金焊接裂紋類型與原因

7A10鋁合金在當前許多制造領域中應用極為常見，焊接中出現裂紋的可能性也較高。從這種裂紋類型看，主要以熱裂紋為主，為鋁合金焊接接頭焊接裂紋，產生原因歸結于低熔點物質合金元素偏析。

對于這種熱裂紋，有液化裂紋、結晶裂紋之分，其中液化裂紋的產生，多表現在熱影環境下收縮力對結晶產生作用，而結晶裂紋通常為低溫區下產生的結晶。對于7A10鋁合金，以結晶裂紋最為常見，該類型的裂紋以不同方式呈現，如顯微裂紋、焊根裂紋、坑裂紋以及橫向裂紋等。該類型鋁合金，本身有塑性差、高溫強度低、體積收縮率與膨脹系數高，受冷熱影響變化均較為明顯，若焊接過程中未能做好溫度控制，將增加裂紋發生可能性[3]。

2.2 7A10鋁合金焊接裂紋出現影響因素

裂紋在7A10鋁合金焊接中的出現，有多方面原因，具體表現為：①焊合合金中，有不合理的化學成分；②不當的機加工裝配配合方法，增大焊接應力，如裝配時較大的剛性，焊縫根部有較大間距等；③焊接過程中選擇的工藝參數不合理，如焊接線速度、焊接電流等；④焊接操作不規范，如冷卻操作不當或預熱操作不當，致使焊接應力增加。針對焊接裂紋問題，實際處理中需考慮結合這些因素，采取有針對性的控制措施，保證焊接質量[4]。

3 7A10鋁合金焊接裂紋有效控制策略

3.1 焊接方式合理選擇

針對當前7A10鋁合金焊接裂紋問題，首先考慮在焊接方式上合理選擇。從近年來大多研究與實踐看，在焊接方式選擇上以熔極氬弧焊方法效果最佳。該方法應用下，強調通過射流過渡，獲取較大的電弧功率，且焊接過程中，焊接時間較短，熔透性好，集中輸入熱量，取得較高的生產效率。另外，在熱影響區中焊接接頭所受影響較小。因此，在焊接方式選擇中，取熔極氬弧焊方法，對幫助控制焊接變形，降低焊接熱裂紋傾向可發揮重要作用。

3.2 焊接工藝規范的明確

焊接工藝規范是焊接過程的主要參考指導。焊接工藝參數確定中，應綜合考慮各類工藝參數，如焊接電流、坡口尺寸、焊絲直徑等，這些參數指標均需納入規范中。以壁厚較大管形件為例，焊接中應在焊接速度上控制，使焊接電流增大，必要在電弧電壓上加大，使焊道加寬，降低裂紋發生可能性。同時，焊接過程中，若能保證電弧焊接熱能集中，對幫助解決過熱情況效果理想，降低裂紋發生可能性。另外，焊接裝配時，需保持適當的焊縫根部間距，其目的在于使焊縫剛度降低，焊接應力控制，降低裂紋發生幾率[5]。

3.3 焊接材料的選用

焊絲化學成分不當，對焊接質量有較大影響，若其成分合理，可保證焊接過程中在預防結晶裂紋產生方面發揮重要作用，且提高焊接接頭的抗腐蝕破裂以及力學性能。以7A10鋁合金材料為例，為保證其焊接特性，如5A33鋁合金焊絲，其含量適當，有較好的金屬流動性，且凝固狀態下收縮率低，抗裂性能優良。另外，在焊接材料選用中，應注意焊絲在低熔點共晶上數量足夠，確保液態金屬收縮所產生的空隙得以填充，裂紋發生率降低。有研究實踐中提出，若取微量Zr加入到焊絲中，發揮其變質劑作用，確保焊縫處金屬晶粒被細化，以此使焊縫金屬韌性、塑形得以改善，接頭抗裂性能也因此得到提高[6]。

3.4 焊接操作規范性提高

鋁合金焊接中，在操作規范性要求上較高。如焊接前需采取有效的預熱措施，對焊件預熱處理，使焊接中熱導出量較低，特別氣溫較低如冬季環境下，預熱處理更加重要，可在溫度為100-150℃的加熱爐中預熱，避免溫度過高，致使金屬晶粒增大或增寬熱影響區。經過預熱處理后，需及時焊接，在焊接溫度呈梯度降低情況下，減緩熔池金屬凝固速度，其對幫助控制焊接件變形、焊接應力方面作用明顯。另外，焊接結束后，對焊接件需采取有效的處理措施，一般直接置于爐中，伴隨爐內溫度降低而使其自身溫度緩慢下降，保證冷卻速度合理，且降低熔池金屬凝固速度，焊接變形、焊接應力等下降，焊接裂紋的產生也將得到控制[7]。

3.5 強化焊接人員綜合素質

在焊接鋁合金的作業過程中，要保持周圍環境的整潔以及相對干燥的氣體環境下，同時要避免因外界因素的影響。焊接作業過程中對環境要求較大，要求其周圍氣溫控制在30℃以內，同時氣體環境濕度也要保持在75%范圍內，在保護氣體選擇上，一般以純度較高的惰性氣體氬氣為主。此外，焊接過程中，鋁合金的物態發生變化時，從表面上很難做分辨處理，這也對工作人員的能力有很高的要求。所以在實際操作前，要提前對工作者的的技能能力做培訓和考核，以符合實際工作要求[8]。

4 結論

7A10鋁合金焊接是鋁合金材料處理的主要方式。從鋁合金材料應用的特征看，有較多明顯優勢，但在實際焊接中，受多種因素影響，出現焊接裂紋的可能性較高，極大程度上制約材料綜合性能的提高。而解決該問題的關鍵在于選擇有效的控制措施，如焊接方式的合理選擇、焊接工藝規范明確、焊接材料選用、焊接操作規范提高以及強化焊接人員綜合素質。這樣才能使7A10鋁合金焊接質量提高，保證材料的綜合性能。