鋁合金焊接接頭的設計特點

呂同輝

摘要：相對于鋼制結構，鋁及其合金具有材質輕、無低溫脆性、耐腐蝕和易于壓力加工的優勢。雖然與成熟的鋼結構的設計和焊接制造相比，鋁合金的結構和焊接制造原則沒有變化，但與傳統鋼材相比，鋁合金在強度、彈性模量、密度、導熱系數、熱膨脹系數等方面都有顯著的不同，所以在焊接接頭的強度設計和接頭細節部分都與鋼接頭有較大不同。本文主要關注焊接熱影響區強度減弱、焊接接頭細節包括坡口形式、背面保護等問題。前者結合EN1999-1-1進行分析，后者結合ISO9692-3和EN1011-4進行分析。

關鍵詞：鋼結構;鋁合金焊接接頭;焊接熱影響區;強度下降

中圖分類號：TG457.14文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0085-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.14

0 前言

相對于鋼制結構，鋁及其合金具有材質輕、無低溫脆性、耐腐蝕和易于壓力加工的優勢，鋁被應用在航空航天、交通車輛、化工行業等生產制造領域。由于其防腐性能優良、低溫韌性好的特點，在石油、化工、深冷行業得到廣泛應用。在建筑行業，由于鋁的質量輕、防腐性能好，因此鋁結構代替鋼結構也有大量應用。特別是在交通車輛制造領域，鋁合金這種輕型材料的應用能提高運行速度和降低能源消耗，在現在的能源形勢下具有特別的意義。

歐美國家早在20世紀中葉就建造了許多鋁合金結構，而我國對鋁合金結構的研究和應用起步較晚，應用研究較少，早期也無標準規范可循，這直接影響了國產鋁合金結構的應用。2007年，我國第一部鋁合金結構設計規范（GB50429）經建設部正式頒布，自2008年3月1日起實施，這對于我國鋁合金結構設計的研究和發展起到了很大的推動作用。

焊接在鋁合金結構的設計和制造過程中具有非常重要的作用，鋁合金焊接技術的不斷發展也保證了鋁結構的制造質量和生產效率。與成熟的鋼結構的設計和焊接制造相比，鋁合金的結構和焊接制造原則沒有變化，都需要通過合理的力學設計和焊接制造來保證產品結構的強度、穩定性和剛度。與傳統鋼材相比，鋁合金在強度、彈性模量、密度、導熱系數、熱膨脹系數等方面都有顯著不同，所以在焊接接頭的強度設計和接頭細節部分與鋼結構有較大不同。本文基于歐洲規范，從接頭的強度設計和細節設計方面介紹鋁合金焊接接頭的特點[1-10]。

1 焊接接頭的強度設計

鋁合金結構中最常用的母材為5系列、6系列、7系列，這些鋁合金經過形變強化或者是熱處理強化獲得了一定的強度。但焊接熱循環過程必然會造成對強化組織的改變，造成焊接熱影響區軟化，比如6系列時效強化鋁合金，由于強化相粒子在焊接熱影響區發生過時效而粗化，造成該區域軟化，所以焊接接頭設計時必須考慮焊接熱影響區軟化造成的強度下降問題。正是因為以上原因，歐洲規范（EN1999-1-1）中規定，在焊接結構設計中使用形變強化或熱處理強化的鋁合金時，焊接熱影響區強度下降是允許的。但在供貨狀態為O（退火）或F（制造）狀態下，其臨近焊縫熱影響區無強度下降現象，這是因為O或F狀態意味著材料并沒有經過形變強化或熱處理強化的工藝過程，材料強度僅通過固溶強化獲得，焊接熱循環不會破壞固溶強化組織，也就不存在熱影響區強度下降的問題。

那么在焊接結構設計時，如果使用了經過形變強化或熱處理強化的鋁合金，我們必須知道焊接熱影響區的強度下降有多少，區域有多大，并采取相應的設計和制造措施，才能保證結構的安全性。

1.1 焊接熱影響區強度下降

1.1.1 強度校核

根據歐洲規范（EN1999-1-1），除了要校核焊縫的強度之外，還必須計算焊接熱影響區的強度。正應力校核公式為

σHAZ，Ed≤fu，HAZ/γMw

式中 σhaz，Ed為焊接熱影響區所受的正應力。fu，HAZ為焊接熱影響區強度設計值，因材料種類的不同，焊接熱影響區強度下降的幅度也不盡相同（見表1），整體上，形變強化鋁合金的下降幅度低于熱處理強化的鋁合金。γMw為焊接接頭的分項安全系數，根據EN1999-1-1，取值為1.25。

國標GB50429鋁合金結構設計規范中的關于焊接熱影響區強度校核計算公式也是引用上述歐洲規范。

1.1.2 強度下降的范圍

根據EN1999-1-1，焊接接頭的熱影響區寬度是從焊縫中點及根部算起向各個方向延伸（見圖1）。不同接頭和工藝條件下，熱影響區寬度不同，具體如下：

（1）MIG焊焊接形變強化鋁合金，道間溫度低于60 ℃時，bhaz（熱影響區寬度）應遵循：

0<t≤6 mm：bhaz=20 mm

6<t≤12 mm：bhaz=30 mm

12<t≤25 mm：bhaz=35 mm

t>25 mm：bhaz=40 mm

（2）當厚度大于12 mm時，熱影響區的寬度可能會增加。因為除非嚴格的質量控制，否則道間溫度會超過60 ℃。

（3）以上的描述將應用于6xxx或7xxx或5xxx系列合金的對接焊縫（兩維傳熱）或角焊縫連接的T型接頭中（三維傳熱）。

（4）TIG焊熱影響區的寬度會更大，是因為TIG焊的熱輸入比MIG焊大。TIG焊對于6xxx、7xxx或5xxx系列合金的對接焊縫或角焊縫，bhaz給定為：

0<t≤6mm：bhaz=30 mm

（5）如果兩個或更多的焊縫彼此相鄰近，熱影響區的邊界將疊加，這時可以將其看成一個熱影響區。如果焊縫接近于自由邊，則熱量的散失將有效減少。如果焊縫到自由邊的距離小于3bhaz，在這種條件下，可假設整個寬度都受到影響。

（6）影響bhaz值的其他系數遵循：

a. 溫度高于60 ℃的影響。當采用多道焊時，道間溫度將造成整體溫度的增加，這就導致了熱影響區寬度的增加。如果道間溫度T1在60 ℃～120 ℃，對于6xxx、7xxx或5xxx系列合金，假定bhaz將乘以一個系數α2，如下：

6xxx和形變硬化的5xxx系列合金

α2=1+（T1-60）/120

7xxx系列合金

α2=1+1.5（T1-60）/120

如果想要得到較小的α2值，可以通過試驗確定真正的熱影響區寬度。對于鋁合金焊接來說，120 ℃是推薦使用的最高溫度。

b. 厚度不同。如果焊接連接的母材厚度不同，在上面的表達式中假設t為所有構件的平均厚度。只要平均厚度不超過1.5倍最小厚度時，都可采用。對于厚度變化更大的構件，熱影響區的寬度將取決于試件的試驗。

c. 傳熱途徑不同。如果擠壓型材件用角焊縫連接，實際傳熱途徑（n）多于三維傳熱，則bhaz應乘以3/n。

鑒于篇幅的原因，并沒有將所有的數據全都列出，其他材料的數據可以在EN1999-1-1中找到。

1.3 設計方法

由于結構形式和尺寸問題，通常無法使用后續熱處理的方式解決熱影響區強度下降的問題，這就要求結構設計時就應通過強度計算確定熱影響區的強度下降將對結構使用產生的影響，并采取相應的措施，比如通過增加材料尺寸的方式解決。從經濟角度考慮，整體增加板厚是不可取的。通常可以通過增加局部板厚的方式解決（見圖2），通過擠壓成型技術，鋁合金較容易實現板材局部加厚。

另外，在設計時還應注意，如果設計是基于本文1.2的某些特定要求（例如強度下降區域寬度是基于道間溫度60 ℃條件下），必須在圖紙中或相應的技術文件中給予規定。

2 焊接接頭設計細節的幾個問題

由于鋼和鋁有較大的物理性能差異，所以在鋼和鋁焊接接頭細節設計和制造也會有差異：由于鋁的熱傳導較快（是結構鋼的3倍以上），相同情況下焊接鋁時用于熔化金屬的熱量低于焊接鋼，所以在坡口設計時，相對于鋼應有較大的坡口角度，這樣可以減少需要熔化的母材金屬，以避免可能產生的未熔合，特別在MIG焊時尤其要注意這一點。另外在多層焊操作時必須注意前一焊道表面不能突度過大，否則容易產生層間未熔合。

例如在ISO9692-1（焊接及相關工藝—接頭準備—鋼的焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊、氣焊、TIG焊和能量束焊）中推薦的對接接頭V型坡口的角度為40°～60°（針對MAG焊，見表1），通常以60°居多。而在ISO9692-2（焊接及相關工藝—接頭準備—鋁的熔化極惰性氣體保護焊和TIG焊）推薦為60°～90°（針對MIG焊，見表2），通常以70°居多。

焊接全熔透對接接頭時，應盡量使用背面熔池保護，可采用的背面熔池保護形式如圖3所示，使用的背面保護材料可以為奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅或陶瓷。鋁合金可以實現單面焊雙面成型，但由于鋁合金高溫下強度低，焊接接頭在無背面保護時容易過度下榻，所以其背面成型效果不好（特別是薄板焊接時），背面余高通常較大。

例如同為板厚3 mm的全熔透對接接頭，在相同的焊接質量要求條件下，鋼的背面余高限值為小于1+0.1b左右，通常在1.2 mm以下，而鋁及其合金為固定值3 mm，實際會接近3 mm（見表3），所以焊縫金屬和母材過渡處的應力集中非常大。

當時使用MIG焊且要求背面熔透時，為了使根部更好地熔合，可在根部一側開斜邊（見圖4），否則容易出現圖4a所示的背面成型，背面焊縫中間有明顯的尖銳凹陷，建議使用熔池保護裝置。

3 結論

雖然與成熟的鋼結構的設計和焊接制造相比，鋁合金結構的設計和焊接制造原則沒有變化。但還是要在設計和制造中，針對焊接熱影響區強度減弱、接頭細節等設計問題，進行合理的設計，才能保證結構的使用安全及其制造的經濟性。

參考文獻：

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