鋁合金部件焊接接頭裂紋分析

么天元

中車唐山機車車輛有限公司 河北唐山 063035

1 序言

6005A是中等強度的Al-Mg-Si系鋁合金，具有良好的熱擠壓性和耐蝕性，被用于高速列車、地鐵列車、雙層列車和汽車車體所需的薄壁中空大型鋁合金壁板型材以及其他工業用結構型材，歐洲大量采用6005A鋁合金制造高速列車的車體[1]。這就給車輛的電氣設備提出了新的要求：若采用銅合金材料作為接地點，則銅材料如何與鋁材料連接的問題不好解決；若采用鋁合金材料作為接地點，則影響導電性能，且存在電化學腐蝕。在此背景下，銅包鋁復合材料接地塊作為接地材料被廣泛應用在鋁合金車輛上[2]。

在某車型試制生產中，接地端子與型材處角焊縫連接部位出現裂紋。本文結合具體的焊接結構和現車生產工藝，通過對影響裂紋產生的各項因素分別進行分析，最終確定了導致裂紋產生的主要因素，并提出了避免該部位產生焊接裂紋的措施。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗采用實際工件所用的原材料，同時接頭形式與實際焊接接頭相同。該焊接接頭形式為角接接頭，角焊縫尺寸為a3（見圖1）。焊接接頭左右兩側均是其他部件焊接組成的長大約束結構（見圖2）。該接頭附近有兩種焊縫：一是型材對接焊縫，焊縫形式為4V（見圖3）；二是型材插接角焊縫，焊縫尺寸為a5（見圖4）。

圖1 接地端子角焊縫

圖2 角接接頭的位置

圖3 型材對接焊縫

圖4 型材插接角焊縫

型材為鋁合金長大中空型材，型號為6005A，內設加強筋，上側壁厚2.5mm，下側壁厚3mm。T6供貨狀態，即擠壓成形后進行固溶處理和水淬，之后再進行175℃人工時效。接地端子材質采用銅包裹鋁芯，并在銅基體外鍍錫合金。基體鋁芯中的鋁含量（質量分數，下同）≥99.5%，基體銅采用CUETP（CW004A），鍍層錫合金中錫含量為60%～65%。因為鍍層為單質鍍層，所以焊接作業前需采用角磨機將接地端子施焊區的鍍層清理干凈。

2.2 試驗方法

該焊接接頭采用熔化極氣體保護焊半自動焊進行焊接，焊機型號為Fronius500，焊絲型號為ER5087、φ1.2mm，使用三元焊接保護氣體ISO 14175-Z-ArHeN2-30/0.015，焊接保護氣體流量為25L/min。當確認接地端子焊接區的鍍層去除后，首先將接地端子與型材進行定位焊，焊后采用直磨機修整定位焊焊縫的兩端，使焊縫端部與母材圓滑過渡。定位焊與正式焊接時的焊接電流相同，為150～170A，焊后進行外觀檢測。

3 原因分析及改進

3.1 裂紋位置及路徑

接地端子焊接完成后，隨即進行外觀檢測，未發現焊接裂紋，表明裂紋是在之后的冷卻過程中逐漸出現的。在正式工件上發現的焊接裂紋位于接地端子焊接接頭的焊腳附近，如圖5所示。

圖5 焊腳處裂紋

選取接頭焊腳處有裂紋的工件，將裂紋區域用角磨機切下，發現在焊接接頭對應的型材背面存在肉眼可見的呈放射狀的較大裂紋。型材背面裂紋開口較大，接頭焊腳附近的裂紋較細。在對接頭的背面進行滲透檢測時，發現接頭正面也有線性顯示，說明裂紋為貫通的缺陷[3]。由于焊腳處裂紋較細，所以猜想裂紋的起始端并非在焊腳處，而是產生于焊接接頭的型材表面。因此，在裂紋位置沿接地端子垂直方向切取宏觀金相試樣，磨制完成后在10倍放大鏡下觀察，宏觀金相形貌上的顯示非常清晰，接頭背面的裂紋貫穿了對應位置型材的整個壁厚，裂紋下寬上窄，印證了裂紋的擴展路徑，如圖6、圖7所示。

圖6 接頭背面裂紋

圖7 裂紋擴展路徑

3.2 缺陷排查

為確保質量安全，采用外觀檢測與滲透檢測相結合的方法，對完成組焊的接地端子焊接接頭進行100%全數排查，滲透檢測范圍為接地端子與鋁合金型材焊縫及焊縫周圍20mm的母材區域，滲透檢測驗收標準按照ISO 23277-2x：2015執行。

排查結果為：排查接地端子總數990個，發現11個接地端子對應的焊腳位置存在裂紋，裂紋問題占比為1.11%。

進一步核查圖樣，確認接地端子的分布位置有兩種：一種是布置在型材內部的加強筋上；另一種是布置在型腔的中空位置（見圖8）。排查結果顯示，出現焊接裂紋的接地端子均布置在型腔的中空位置，而布置在型材加強筋上的接地端子未發現焊后開裂的問題。型材內部設有加強筋位置的壁厚為3.5mm，型腔中空位置的壁厚為2.5mm。

圖8 接地端子位置

3.3 裂紋產生的機理

鋁合金材料具有一定的焊接裂紋敏感性，在焊接過程中，由于焊接熱循環的影響，焊接接頭區域的組織會發生很大變化，產生較大的應力，從而影響焊接工件的整體強度，所以會導致實際生產過程中，焊后在熱影響區出現裂紋。

鋁合金材料產生焊接裂紋的主要因素，包括焊接母材化學成分、焊接材料成分、結構約束條件、焊接參數以及焊接應力等方面。通過對型材和接地端子進行化學成分分析，排除了材料因素；焊絲作為焊接填充材料，按照技術文件規定，采購進廠后必須復驗，該因素也可排除。另外，焊接人員、焊接設備、焊接環境及檢測方法等均未發生變化。

從圖1可以看出，接地端子與型材形成的角接接頭附近是由長大焊縫連接而成的約束結構，這在很大程度上加大了工件的剛度。型材中空部位的接地端子焊接后，由于型材壁厚較小，所以相對于接地端子的剛度較小。因此，接地端子部位的中空型材向焊縫正面產生了比較明顯的收縮變形趨勢，而焊縫背面對應產生張拉的趨勢。

由于接地端子部位的型材兩側均被型材內腔的加強筋約束，所以不能自由變形，從而在接地端子焊接部位的型材背面產生了比較集中的拉應力，加之鋁合金材料具有焊后接頭強度軟化的特性，當拉應力超過對應區域材料的抗拉強度時，就將導致拉應力最大的位置即焊接接頭背面薄壁型材對應位置開裂，產生的宏觀裂紋逐漸沿母材厚度方向擴展，進而形成貫穿型材壁厚橫截面的長裂紋。

而布置在型材內部加強筋位置的接地端子，一方面，型材剛度增加，能夠抵抗接地端子焊接帶來的拉應力，從而大幅降低了開裂的風險。另一方面，接頭對應位置型材壁厚較厚且設有加強筋，也使得焊接過程中散熱速度加快，焊縫區域局部較高的焊接熱輸入量保留時間較短，應力集中減小，也在一定程度上降低了焊接裂紋產生的傾向。

按照原設計結構制作模擬試件，采用原焊接參數中焊接電流的上限值170A進行焊接試驗。焊后對焊接接頭正反兩側進行滲透檢測，發現接頭背面出現了焊洇缺陷，表明電流上限值偏高。

綜上可知，布置接地端子位置的型材結構強度不足是焊接裂紋產生的主要原因；工藝規范中焊接電流上限值偏高，加大了焊接熱輸入，是焊接裂紋產生的次要原因。

3.4 改進措施

（1）優化結構 調整接地端子的整體布置，在不干涉電器件安裝的前提下，將接地端子全部布置在型材內部設有斜筋的位置，提高焊接接頭對應位置強度的同時，也改善了焊接接頭的散熱性能。采用原工藝焊接優化位置后的焊接接頭，工件冷卻12h后進行滲透檢測，未發現焊接裂紋，焊接質量良好。

（2）優化焊接參數 按照原設計結構制作模擬試件，將焊接參數中的焊接電流上下限值分別下調至140A、120A進行試驗，焊后滲透檢測均未發現焊洇缺陷，焊接質量良好。

4 結束語

綜上所述，導致鋁合金接地端子焊接接頭裂紋的因素有以下兩個方面。

1）結構設計不合理是該接頭裂紋產生的主要原因，可通過優化設計結構來解決。

2）焊接熱輸入較大是該接頭裂紋產生的次要原因，可通過優化焊接參數來解決。