鋁合金焊接質量的評定及工藝優化分析

張祖濤 高健 李大鵬

中車四方車輛有限公司 山東青島 266000

隨著先進制造業的快速發展，傳統的金屬材料已經不能滿足制造業的需求。對于高強度、剛性好、耐腐蝕、可焊接的材料受到制造業的追捧，尤其在航空、航天飛行器、汽車車身、軌道交通等行業對于輕量化材料的應用非常廣泛，鋁合金材料將其自身優勢獲得各行業領域的研發應用。

1 鋁合金焊接過程中的注意事項

鋁合金材料在熔焊接頭的過程中由于需要經歷冶金反應、熱循環以及應力應變等過程，其接頭組織會表現出明顯的不均勻性，而這種不均勻性直接導致接頭力學性能存在較大的差異，再加上殘余應力和焊接缺陷等因素，導致焊接接頭成為了整個鋁合金結構中最為薄弱的部位。因此，在鋁合金焊接生產的過程中必須要注意一下幾個問題：第一，在鋁合金焊接的過程中由于氫在固-液狀態的鋁合金或者鋁中的溶解度相差近20倍，所以，在焊縫當中非常容易產生很多宏觀或微觀的氣孔，這也使得在焊接制造修補缺陷的過程中，氣孔缺陷就占了80%左右；第二，由于鋁合金材料的熱導率和線膨脹系數較大，這使得其在較大焊接電流或者較低焊接速度的工況下，線能量會不斷的增大，最終導致焊接接頭組織粗化，進而使得熱影響區的應力應變變得更加的復雜[1]。

2 鋁合金焊接質量的評定及工藝優化分析

2.1 晶粒度測量

晶粒度是金屬材料重要的組織參量。晶粒度越小、組織越均勻，金屬材料的強度、塑性和韌性越高，材料力學性能、耐腐蝕性越好，焊接過程中材料局部受熱，熔池的凝固與材料的散熱條件不一致，致使焊接接頭的溫場、熱循環與材料本身的組織存在差異，影響焊縫接頭晶粒組織的均勻性、質量和性能。①可采集局部區域截面進行計算分析，對接頭組織的平均值與標準值對比，數據說明晶粒尺寸對焊接接頭的影響，差異越大，組織越不均勻，接頭質量越差。②采用金相圖像分析焊縫區的組織狀態，直觀的觀測晶粒的分散情況，通過量化分析進行評定。

2.2 鋁合金焊接中氣孔率的定量檢測

通常情況下會采用X射線探傷的分辨率對焊接中的氣孔進行檢測，即氣孔的直接大于等于0.2mm。通過對鋁合金的微觀檢測之后發現，在軋制和鑄鍛的過程中，會存在一定數量直徑小于等于0.02mm的參與孔洞或者空隙，所以，我們一般會將微觀氣孔用直徑小于0.02mm的氣孔進行定義，并以此來對焊接中的氣孔率、尺度提及分布等進行觀測和評估，然后獲得焊接中氣孔的數量、狀態以及位置等信息，從而提升對接頭綜合性能影響的認識。在鋁合金焊接過程中，焊縫中比較容易出現氣孔的位置以及所在位置氣孔的密度具有以下特點：能夠對接頭綜合力學性能產生較大影響的氣孔位置分別為：熔合線附近、焊縫根部以及焊縫蓋面層的焊趾處。這是因為這些位置都具有”固-液”相交界，冷卻的速度相比較于熔池的其它部位要快很多，從而導致氣體難以快速的溢出，然后這些氣體會在冷卻和散熱比較快的位置進行聚集，然后產生氣孔。我們在通過對容易產生氣孔的位置進行觀測后得出，氣孔具有沿斷裂線分布的特征[2]。

2.3 焊縫熱裂紋處理

鋁合金材料焊接過程中的熱裂紋缺陷十分常見，而針對這一缺陷的處理措施也十分多樣。首先，鋁合金材料雖然會在高溫及快速冷卻條件下出現應力應變，但只要能夠提前通過焊接實驗確定焊接溫度等方面的合理參數，并對焊接順序進行嚴格規范，焊縫出現熱裂紋的幾率仍然是比較低的。其次，針對鋁合金材料焊縫結晶裂紋與熱影響區液化裂紋，焊接人員可以根據實際焊接情況對鋁合金材料的焊接接頭進行改進，以降低應力應變對焊接接頭的影響。最后，還可以在焊接時向添加金屬中添加Ti、Zr、V和B等微量元素作為變質劑，這些變質劑能夠形成高塑性的細化晶粒，能夠在很大程度上改善鋁合金焊縫處的力學性能，使其抗裂性得到提升，從而避免熱裂紋的出現。

2.4 鋁合金焊接質量優化方法

導致鋁合金熔焊接頭出現冶金缺陷的影響因素有很多，但是目前鋁合金制造方式和質量檢測方法對其其危害性的監控能力還是比較弱的，這就需要引進先進的技術來解決鋁合金焊接制造的質量問題。而高頻耦合脈沖TIG焊電弧能夠通過提高電弧能量的密度，來減少和消除焊縫中的氣孔，同時還能夠有效的細化精力組織。特別是在22-30kHZ脈沖頻率下，基本上能夠使得焊縫中心和熔合區內的微氣孔完全消失，并且還能夠使得焊縫和接頭組織晶粒得到細化。采用VPTIG焊焊縫的平均晶粒尺寸為30μm左右，而采用高頻耦合脈沖TIG焊能夠將焊縫的平均晶粒尺寸減少到20μm左右，同時還能夠有效的提升接頭的強度和伸長率。高頻耦合脈沖TIG焊工藝一般以常規的TIG焊電源作為主要的電源，然后并聯上一個高頻電源，通過高頻振動和電磁攪拌能量將EN時段傳遞到熔池。在該工藝當中只需要將一個高頻電源和目前常用的VPTIG進行并聯耦合即可，因此，其具有非常強的生產實用性，能夠應用于各類鋁合金焊接的制造質量當中，同時還能夠有效的控制氣孔和均勻化組織[3]。

3 結語

綜上所述，對鋁合金焊接頭組織進行定量分析，不僅可以有效的調整和優化鋁合金焊接的工藝，同時還能夠對焊接頭熱循環的優化效果以及實現接頭性能調控的途徑等進行驗證。我們通過對鋁合金焊接試件的接頭和斷口進行觀察和分析可以得知焊接縫當中的氣孔位置以及分布的狀態，利用定量來對焊接縫氣孔率、分布以及尺度進行表達，是對焊縫氣孔分辨和定量的必要補充。在鋁合金焊接中采用高配耦合脈沖TIG焊接技術能夠有效的減少和消除焊接縫當中的氣孔，同時還能夠對接頭組織進行細化，從而有效的提升焊接接頭的綜合力學性能。