鋁合金焊接加工工鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

張祖濤 高健 李大鵬

中車四方車輛有限公司 山東青島 266000

鋁合金產品是現代工業生產中比較常用的一種合金材料，該材料不僅僅具有較高的熱電導率和抗腐蝕能力，還具備較強的物理力學性能，在現代工業中的應用范圍越來越廣，但是在運用過程中還存在一些問題，尤其是在焊接環節，經常出現裂縫。之所以出現這個問題，一方面是因為鋁合金自身的化學活性比較強，容易形成氧化膜，具有難溶的特點，增加了焊接的難度，另一方面則是因為工作人員在施工過程中焊接方法以及工藝不達標，沒有按照正確的施工順序開展焊接工作[1]。

1 鋁合金材料的焊接難點

極易氧化。在空氣中，鋁容易同氧化合，生成致密的三氧化二鋁薄膜（厚度約0.1-0.2μm），熔點高（約2050℃），遠遠超過鋁及鋁合金的熔點（約600℃左右）。氧化鋁的密度3.95-4.10g/cm3，約為鋁的1.4倍，氧化鋁薄膜的表面易吸附水分，焊接時，它阻礙基本金屬的熔合，極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，引起焊縫性能下降。易產生氣孔。鋁和鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因是氫，由于液態鋁可溶解大量的氫，而固態鋁幾乎不溶解氫，因此當熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及逸出，容易在焊縫中聚集形成氣孔。氫氣孔目前難于完全避免，氫的來源很多，有電弧焊氣氛中的氫，鋁板、焊絲表面吸附空氣中的水分等。實踐證明，即使氬氣按GB/T4842標準要求，純度達到99.99%以上，但當水分含量達到20ppm時，也會出現大量的致密氣孔，當空氣相對濕度超過80%時，焊縫就會明顯出現氣孔。焊縫變形和形成裂紋傾向大。鋁的線膨脹系數和結晶收縮率約比鋼大兩倍，易產生較大的焊接變形的內應力，對剛性較大的結構將促使熱裂紋的產生。鋁的導熱系數大（純鋁0.538卡/Cm.s.℃）。約為鋼的4倍，因此，焊接鋁和鋁合金時，比焊鋼要消耗更多的熱量。合金元素的蒸發的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素（如鎂、鋅、錳等），在高溫電弧作用下，極易蒸發燒損，從而改變焊縫金屬的化學成分，使焊縫性能下降。高溫強度和塑性低。高溫時鋁的強度和塑性很低，破壞了焊縫金屬的成形，有時還容易造成焊縫金屬塌落和焊穿現象[2]。

2 鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

2.1 完善工藝流程和系統運行機制

鐵路機車類型有很多種，在生產過程中對鋁合金制件的要求也會不同，因此在操作的過程中使用的工藝流程也會有所不同。首先需要從焊接的工藝流程入手，對工藝流程進行優化完善，可以使用標簽法使得驗收人員和焊接人員以及評估人員能夠對制件實行統一的處理。此外還需要根據工藝各環節的設計數據收集、技術要求等方面的評估方案，對焊接工作進行整體的評估，焊接施工可以分流到每一個細致的環節，進行更細致的管理與控制，每一個環節的評估機制和工藝設計需要具有較高的匹配度，從而提升焊接質量控制。

2.2 做好焊接前的技術準備工作

在鋁合金焊接工作開始之前，要做好焊接坡口兩側面的清理工作，采用科學的化學方法或者是機械手段，對氧化膜進行去除。首先是化學的清洗手段，在化學清洗中，主要使用的是堿或者是酸這種化學原料，不僅可以去除焊縫坡口兩側所覆蓋的氧化膜，同時還能夠去除油污，但是在清洗的時候需要嚴格控制這些化學原料的劑量。使用6%-10%的氫氧化鈉溶液放入水溫為70℃左右的熱水中，然后將其浸泡5min。這一清潔工作完成之后，再次放入含有15%濃度硝酸的溫水中，再次浸泡1min，然后再次清潔，最后完成氧化膜的清除工作。如果此時鋁合金的表面呈現出來的顏色是銀白色，并且沒有任何光澤，就說明脫模工作已經達到相關的標準和要求。其次是機械手段，機械手段主要是指通過機械設備來完成脫模工作，常見的工具是風動或者電動銑刀，除此之外，還可以使用銼刀，或者是鋼絲刷對氧化膜進行清除，在清潔工作完成之后必須馬上進行焊接[3]。

2.3 提高焊接工作的質量和效率

在工藝環節，要防止裂縫就必須規劃施工流程，要求工作人員按照焊接的工作要求有序開展施工活動，依次做好預熱、接頭形式以及焊接方面的工作。焊接工藝的參數將會直接影響到鋁合金凝固時的組織形式，以及內部應變的增長速度，是裂紋產生與否的關鍵環節。通過采取熱能集中這種焊接方法，可以提高焊接的效率，從而有效防止在焊接活動中出現方向性比較強的粗大壯晶體，從而提高鋁合金材料的韌性。另外還可以通過減小焊接的電流，對焊接的速度進行調節，通過減緩速度來降低熔池的溫度，減少焊接過程中合金材料的內外溫差，防止裂縫的產生。因為在焊接的時候，如果焊接的速度過快，那么焊接接頭的應變速度也會呈現同方向發展，從而產生熱裂傾向。

2.4 引入先進技術

在焊接儀器和設備方面，可以合理利用先進的設備增加焊接效果，例如卡尺夾具、紅外線等設備，從而提高焊接工作的基礎設施條件。當前還可以進行焊接變形的預控，主要是使用有限元理論，此理論可以進行操作前模擬，從而預知一些問題和隱患，提前得到焊接的數據，做好充分準備去應付變形。

3 結語

鋁合金材料的金屬特點使其在壓力大的情況下焊接會產生裂紋。這些裂紋不僅影響焊接的美觀性，也影響焊接材料的結構，對此要進行工藝優化，以提高焊接質量，保證其鋁合金材料的基本性能。鋁合金焊接加工工藝直接影響我國制造的可持續發展，影響工業產品的焊接質量，要做好這方面的技術研究，避免產生焊接裂縫，提高焊接的質量以及效率。