鋁合金焊接性能及焊接接頭性能

李肇亮?富鵬

摘要：隨著經濟和科技水平的快速發展，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。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。

關鍵詞：鋁合金構件;焊接變形;焊接工藝;優化方式

引言

隨著近些年來我國社會經濟的飛速發展，我國公民的物質生活水平不斷提高，對各項社會基礎工程的要求也越來越嚴格，交通運輸作為保障各行業穩定發展的基礎，但是從特性來看，鋁合金構件傳熱性能較強，膨脹系數比較大，散熱速度非常快，在實際焊接的過程中非常容易出現變形量過大的問題。因此工作人員在焊接過程中要重點考量焊接變形問題，通過恰當的技術手段，全面提升焊接的質量和效率。下文中筆者將對此展開進行論述。

一、焊接變形原因

鋁合金構件焊接變形的原因主要有四種：①由于焊弧熱導致母材融化成池狀，也就是我們常說的“熔池”。熔池的大小和具體形態對于鋁合金構件焊接效果的影響是非常明顯的。如果熔池尺寸比較大的話，會有大量的參與熱量導出，這種熱量一旦作用于構件焊接部位，就會導致焊接部位出現嚴重的變形問題;②鋁合金構件焊接過程中熱加工與冷加工的交替使用。熱加工主要的工作目的是將焊接部位進行軟化處理，使鋁合金構件能夠與焊接部位進行充分融合。冷加工主要目的是讓焊接部位以最快的速度凝固，避免焊接部位出現變形問題。冷加工與熱加工結合焊接方式具有非常高的實踐價值，但是在實際使用過程中經常會出現由于操作不當而產生的不良影響，不僅對冷、熱加工實際效果造成影響，同時還會直接引發焊接變形問題;③焊接過程中焊接構件在單位時間當中所傳遞的熱量，這也是引發焊接變形的重要原因之一。如果熱量的傳導效率過大，就會使焊接部位母材熔化速度加快，進而導致焊接成功率大大下降，在后期更是容易出現嚴重的焊接問題;④焊接過程中熱量均勻性把握狀況，如果構件的各個部位受熱不均勻，就會與其感受到的熱量產生多種不同的反應，從而引發變形問題。

二、鋁合金構件焊接工藝優化的具體措施

（一）對焊接設計方案進行全面優化設計

現階段，焊接工程技術的種類呈現多樣化趨勢，工作人員在生產過程中可選取的焊接技術越來越多，因此工作人員可以充分發揮技術優勢，結合鋁合金構件焊縫實際狀況選擇合適的焊接技術。技術方案確定之后，工作人員需要對鋁合金構件的尺寸、規格以及形狀等基礎性參數進行全面而細致的規劃，將構件與母材之間的縫隙控制在最小范圍之內。這樣一來就能夠將瞬時變形和殘余變形對焊接工作的影響降至最低。焊接技術的不合理使用不僅會導致焊接效率下降，同時還會對鋁合金構件本身造成破壞，進而引發焊接成本的上升。在這種情況下工作人員可以借助信息技術，通過模擬焊接的方式明確技術的可操作性，這樣一來可以全面提升焊接工作的精確性，信息模擬焊接技術在現階段焊接工作中已經得到越來越廣泛的應用，并在機械裝備生產領域得到全面推廣。

（二）鋁合金的結構體系

目前，工程實用的鋁合金的結構體系，主要有網架結構、桁架結構、剛架結構和拱架結構體系。空間網架主要有單層球面網殼、雙層網殼和螺栓球節點網架三種類型，其中，網殼桿件主要采用圓管截面和H型截面，桿件之間多采用螺栓連接，連接節點主要采用螺栓球節點、圓盤蓋板節點和螺栓連接節點。

（三）鋁合金材料設計要求

在鋼結構設計中，鋼材需要有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量等力學性能及化學成分的合格保證。鋁合金結構要求根據結構的重要性、荷載特征、結構形式、受力狀態、連接方式等條件，選用合適的鋁合金牌號，對于材料性能方面尚未要求，凡鋁合金材料標準中能保證的項目可不要求提供。

（四）對焊接過程進行全面控制

工作人員在焊接工作中要始終遵循焊接工藝的相關設計要求，全面發揮自身焊接工作經驗，從細節角度出發對焊接變形現象進行全面控制。例如在結構設計階段，工作人員可以通過應力形變實驗的方式，全面分析應力出現的大小，并結合設計相關標準對焊縫尺寸進行現場調節。在焊接過程中結合實際情況使用反變形以及剛性固定組裝的方式實現焊接全面預防。在焊接工作結束之后，為防止出現殘余變形的現象，工作人員可以使用加熱矯正的方式，也可以利用機械外力對其進行矯正。如果具備一定生產條件的話，建議現場工作人員開展焊接實體試驗，準確把握焊接工作中需要優化的細節，并結合鋁合金構件的具體參數進行下一步優化，最終使鋁合金構件的性能達到最佳。如果焊接試驗存在問題的話，工作人員要在第一時間對出現變形現象的構件進行返修處理，在處理過程中要盡量使用能量密度比較高的熱源，全面控制焊接的受熱面積。

三、結語

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。

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