鋁合金焊接接頭的軟化及改善措施

蘇衍福 劉海林 董長樂 謝成富 蔡忠彪

摘 要：鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，在焊接鋁合金時必須有較大的熱輸入，方能形成良好的焊接熔池。在焊接過程中，由于熱輸入較大或焊接工藝不當(dāng)?shù)仍颍菀壮霈F(xiàn)焊接變形和存在殘余應(yīng)力，同時由于在焊縫和熔合區(qū)中存在重結(jié)晶及熱影響區(qū)晶粒的粗化，造成焊接熱影響區(qū)軟化，且焊縫的最終組織為鑄態(tài)組織，易形成氣孔、縮松等缺陷，致使焊接接頭強(qiáng)度大大降低，嚴(yán)重影響構(gòu)件的使用性能。

關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接接頭；軟化；改善措施

鋁合金焊接接頭的軟化問題是鋁合金在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的一大難題，鋁合金焊接接頭的軟化問題及其產(chǎn)生原因做了簡要分析，提出了一種采用深冷處理工藝來強(qiáng)化鋁合金焊接接頭的新方法。

一、焊接接頭軟化的原因

1.非熱處理強(qiáng)化鋁合金的接頭軟化。非熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接接頭軟化主要是由焊接熱影響區(qū)晶粒粗大和焊接接頭局部冷作硬化效果消失而造成的。熱影響區(qū)的峰值溫度超過再結(jié)晶溫度（大約200～300℃的區(qū)域）就產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象，產(chǎn)生軟化后，焊接接頭的硬度大為降低，甚至抵消了冷作硬化的強(qiáng)化效果。因此，焊前母材冷作硬化的程度越高，焊后接頭的軟化程度就越嚴(yán)重，這種軟化現(xiàn)象在熔焊條件下是不可避免的。尤其是對經(jīng)冷作硬化產(chǎn)生強(qiáng)化效果的薄板鋁合金的焊接，焊后其強(qiáng)化效果可能會全部消失。

2.熱處理強(qiáng)化鋁合金接頭的軟化。熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接后接頭會產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象，其原因主要是由于焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能在焊接高溫環(huán)境影響下發(fā)生變化而引起的。熱影響區(qū)的軟化主要是由于在焊接高溫作用下發(fā)生“過時效”所致，即熱影響區(qū)第二相（強(qiáng)化相）脫溶析出并集聚長大，使強(qiáng)化效果消失，形成“過時效”軟化，這也是在熔焊條件下很難避免的。對于熱處理強(qiáng)化鋁合金，由于產(chǎn)生熱裂紋的傾向較大，為防止熱影響區(qū)的軟化，焊接時應(yīng)采用較小的焊接熱輸入，以減小熱影響區(qū)的高溫停留時間，避免晶粒在焊接高溫下再次長大而形成較大的粗晶區(qū)，產(chǎn)生接頭軟化。

二、改善措施

1.常用改善措施。國內(nèi)外對鋁合金焊接接頭強(qiáng)化的研究主要集中在兩個方面：一方面是從冶金學(xué)角度考慮，采用焊接熱模擬的方法，通過改變焊絲的成分、進(jìn)行熱處理等方法研究和改善焊接接頭區(qū)的組織和性能，提高接頭強(qiáng)度；另一方面是從力學(xué)角度考慮，采用時效強(qiáng)化、隨焊碾壓強(qiáng)化、擠壓強(qiáng)化、錘擊強(qiáng)化、溫差拉伸、局部補(bǔ)強(qiáng)等方法來改善焊接接頭的性能。從冶金學(xué)角度采用焊后熱處理可使在焊接過程中減弱或消失的熱處理強(qiáng)化效果得到一定恢復(fù)，但其只適合于小型焊件，且易產(chǎn)生較大變形，應(yīng)用受到一定限制。從力學(xué)角度采用的時效強(qiáng)化，在一定范圍內(nèi)可提高接頭強(qiáng)度，但此種方法也易出現(xiàn)“過時效”軟化，使晶粒粗化，降低接頭強(qiáng)度；隨焊碾壓可降低焊縫及近縫區(qū)的殘余應(yīng)力，但其由于靠輪軸傳遞碾壓力，而碾壓輪尺寸較大，與焊槍互相干涉，容易產(chǎn)生打弧現(xiàn)象，加之設(shè)備龐大很難用于實(shí)際生產(chǎn)；隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓能夠降低接頭殘余應(yīng)力和變形，但此方法只適用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用受到較大的限制；隨焊錘擊可改善薄板結(jié)構(gòu)焊縫及焊趾的力學(xué)性能，但由于錘尖直接錘擊在焊道兩側(cè)和焊道表面，所以錘擊面粗糙，且需要附加裝置，控制比較復(fù)雜；溫差拉伸法生產(chǎn)效率低，成本較高，工作環(huán)境差，使用不方便，而且由于其加大了焊縫區(qū)的橫向收縮，不適用于封閉焊縫的焊接；局部補(bǔ)強(qiáng)可使構(gòu)件總承載能力達(dá)到設(shè)計要求，適合于中大型構(gòu)件，小型構(gòu)件不宜使用。以上措施無論是從焊接工藝方面還是焊后熱處理等方面入手，均能在一定程度上提高鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度，但也存在著一些不足，解決效果并不十分理想。

2.深冷處理。深冷處理是上世紀(jì)60年代從普通冷處理（0～100℃）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新技術(shù)，是在-130℃以下對材料進(jìn)行處理的一種方法，它是最新的材料強(qiáng)韌化處理工藝之一。深冷處理可有效提高鋼鐵金屬、非鐵金屬及復(fù)合材料的力學(xué)性能和使用壽命、穩(wěn)定尺寸、改善均勻性、減小變形，而且操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低。目前，國內(nèi)外對工模具鋼深冷處理的研究較多，其性能改善顯著，而對結(jié)構(gòu)鋼，硬質(zhì)合金，鋁合金等非鐵金屬材料的深冷處理研究較少。針對鋁合金焊接接頭的軟化采用深冷處理技術(shù)使其強(qiáng)化，在國內(nèi)外研究中尚屬空白。對5A06鋁合金MIG焊焊接接頭做了深冷處理試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理后，5A06鋁合金焊接接頭力學(xué)性能得到顯著改善，抗拉強(qiáng)度提高，硬度有所降低，焊縫區(qū)晶粒得到細(xì)化，第二相在基體中彌散析出，提高了焊接接頭的強(qiáng)韌性。試驗(yàn)材料為5A06鋁合金板材，焊接試板尺寸為300mm×100mm×7mm，V形坡口，對接。焊絲選用焊接性能良好的ER5356，焊絲直徑為1.6 mm。焊后焊縫需經(jīng)X射線（RT）探傷，經(jīng)探傷合格的試樣采用線切割制備成標(biāo)準(zhǔn)的焊接接頭拉伸試樣，冷處理的焊接接頭相比，抗拉強(qiáng)度提高了15.25%。深冷處理8 h后，相對于深冷處理4 h的試樣，其強(qiáng)度有所降低。由于本次試驗(yàn)過程中深冷處理的時間并不充分長，所以長時間深冷處理后的強(qiáng)度是否會明顯降低還不能確定。5A06鋁合金+ER5356（焊絲）焊接接頭焊縫區(qū)金相顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，圖1a是未經(jīng)深冷處理的焊縫區(qū)金相顯微組織，其晶粒比較粗大，且大小分布不均勻，呈明顯的樹枝狀鑄態(tài)組織；圖5b為經(jīng)深冷2h的焊縫區(qū)金相顯微組織，與圖1a相比，其晶粒明顯變得細(xì)小，而且在焊縫基體上有第二相析出，分布比較均勻，晶粒得到細(xì)化；圖1c與圖1d，

隨著深冷時間的增加，晶粒進(jìn)一步變得細(xì)小，第二相在基體上的析出量也隨之增多，且分布更加均勻、致密，晶粒細(xì)化。其中，晶粒最細(xì)小均勻分布的是深冷處理8 h后的顯微組織圖，說明鋁合金焊接接頭經(jīng)深冷處理后焊縫區(qū)晶粒得到了顯著細(xì)化，焊接接頭強(qiáng)韌性提高，力學(xué)性能得到改善。其主要原因是鋁合金焊接接頭經(jīng)-155℃深冷處理后，體積收縮，焊縫區(qū)Al的晶格常數(shù)有縮小的趨勢，從而加強(qiáng)了第二相析出的驅(qū)動力，但由于低溫下的擴(kuò)散更為困難，擴(kuò)散距離更短，于是在基體上析出彌散分布的超微細(xì)第二相，并且隨著深冷處理時間的延長，析出的第二相逐漸增多，在基體中的分布也越來越均勻、致密。同時，深冷處理使得晶格收縮，體積收縮可使焊接接頭內(nèi)部的部分缺陷如空位和微孔得到彌合，從而使晶粒變得細(xì)小，并且改善了焊接接頭的力學(xué)性能。

總之，深冷處理作為最新的材料強(qiáng)韌化處理工藝之一，具有積極的應(yīng)用前景與發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1]張雪.淺談鋁合金焊接接頭的軟化及改善措施.2017.

[2]李軍，鋁合金焊接接頭的軟化及改善措施的研究.2018.