关于高强铝合金焊接的研究

但 龙，马 君，杨 钊

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

随着高强铝合金在各行各业中应用范围的扩展，焊接质量的高低成为了人们关注的重点，对此，需要结合高强铝合金的特殊性能，探索提升焊接质量的方法，以为高强铝合金的应用提供可靠性支撑。

1 焊接特点

1.1 热裂纹

对于高强铝合金而言，热裂纹的控制既是一项关键技术，也是一项技术难点。热裂纹的形成基于高强铝合金的特性，因为高强铝合金具有较大的线膨胀系数和较宽的脆性温度区间（BTR），在凝固的时候往往收缩率比较高，所以在焊缝凝固时，也像的存在会让晶界的结合力逐渐变弱，进而会在拉压力的关系下形成热裂纹。

1.2 接头“软化”

所谓“软化”，主要是指在进行焊接行为后，焊接接头处的强度低于母材的一种加工行为。此种“软化”现象也是一类关键技术，并且此种问题和其导致的使用寿命大幅度缩短现在已经成为了制约高强铝合金发展与使用的重要瓶颈。

1.3 焊接变形

焊接时发生变形问题会影响接头的最终尺寸与精度。在实际生活中，焊接变形主要有以下几种分类，即：纵横向收缩变形、角变形、错边变形、挠曲变形、波浪变形以及螺旋变形[1]，之所以会有诸多的变形问题，主要源于焊接热循环和焊缝收缩，尤其是在对薄板铝合金进行焊接时，因为铝合金的线膨胀系数比较大，所以很容易产生波浪变形。另外，受焊接热源的外部作用，焊接区域的在高温下快速熔化，被焊接材料急速膨胀，但又因周边冷区域的限制，就会出现热应力。与此同时，伴随着温度的升高，材料所具有的屈服极限会有所下降，接受焊接的区域便会受到塑性压缩。在冷却时则正好相反，高温区域在冷却的时候，受周边冷金属的约束，不会产生同步收缩，也就不会受到塑性拉伸，此时拉伸塑性应变难以抵消挤压塑性应变，导致的后果便是构件中会留存有残余变形与残余应力。

1.4 气孔

根据实验表明，高强铝合金之所以会产生微小空洞，主要是因为氢。在铝合金的溶解度中，氢的凝固点会发生变化，从69mL/100g转变至0.036mL/100g[2]，几乎相差20倍，所以在熔池发生凝固的时候，之前溶入的大部分氢都会析出，进而形成气泡。加之铝合金的比重较轻，熔池中的气泡上升速度缓慢，在铝合金导热能力之下，气泡难以在短时间内溢出，滞留在内的气泡便会成为气孔。

（5）导热性强

高强铝合金的另一个特点是热导率大，所以在同样的焊接速度之下，这种材料所需的焊接热输入要比普通钢材的热输入大2-4倍，但也不能因此就注入过量的热输入，过量的热输入会出现波浪变形和“软化”，因此使用非发散性质的高能量热源进行焊接，方能保证焊接的质量。

2 焊接方法

基于高强铝合金这种材质所具有的应用前景与综合性能，人们一直在寻求高效且新型的焊接技术，以期能用低成本投入获得高性能的接头，实现经济效益最大化。

2.1 TIG焊

这种焊接方法相对比较传统，其应用优势是：第一，不论是熔池还是电弧，都有操作方便以及可见性好的优点；第二，焊接过程中留下的熔渣很少，甚至没有，所以就无需进行焊后清渣工作；第三，能够完成小电流焊接，所以这种方法常用来焊接薄板；第四，这种方法在使用时会有阴极雾化效果，所以能够有效破碎高强铝合金外层的氧化膜，为焊接工作的进行提供便利。应用劣势是：较之高能束焊，TIG焊所需的热输入量比较大，焊缝的深宽也很小，所以接头软化问题比较突出。

2.2 MIG焊

使用MIG焊接方法时，需要使用氩气（Ar）或是氦气（He）两种惰性气体。因为惰性气体会产生保护作用，并且氩气的收缩效应较低，所以电弧的燃烧较为稳定，而熔滴在想熔池过渡的时候也比较平稳，不会有激烈的飞溅，由此这种方法很适合用于高强铝合金的焊接。较之TIG焊接方法，MIG焊接方法一方面具有焊接热输入少，能够缓解接头软化问题的优势，另一方也具有提升生产效率的优势，但是该种焊接方法的劣势也很明显，即不是很稳定。

2.3 等离子弧焊

实验表明，借助电磁、机械以及热这三者的作用进行压缩后，会使电弧的能量变得更加集中。所以随后人们就将这种原理应用于焊接，并称做“等离子弧焊”。这种焊接方法的不足之处在于：焊接的稳定性不强，表现在电弧以及焊缝质量两个方面都不是很稳定。

2.4 真空电子束焊

这种焊接方法是一种较为先进的焊接方法，其优势是：第一，对于焊缝的定位较为精确，在重复性与精度方面的误差可以达到0%；第二，穿透深度达，深宽比也较高，一般来讲，深宽比最高可以大于10:1[3]；第三，焊缝非常纯净，呈现镜面状，不会出现氧化的缺陷，所以比较适宜于焊接活泼金属；第四，这种焊接方法是电子束具有的能量密度比较高，可以把焊接的金属快速加热到较高温度，所以能够用以熔化难熔金属，并且还具有焊速快、变形小、熔深大的优势。

劣势是：第一，焊接对于环境的要求较高，需要在真空室进行，所以工件的形状和尺寸会受此因素的影响；第二，对于焊接之前的装配精度以及加工技艺的要求高；第三，焊接易受散杂磁场干扰而具有不稳定性；第四，在焊接时会产生X射线，容易损害人体健康；第五，所需的焊接设备价格昂贵。

2.5 激光焊

激光焊使用的热源是激光束。激光焊有两种类型，其一是热导焊，这种类型的焊接方法使用的激光功率较小，焊接材料在吸收激光后，表面会逐渐熔化，通过热传导会形成熔池，使用此种焊接方法，熔深浅且深宽小；其二是深熔焊，这种类型的焊接方法使用的激光功率较大，一般来讲，工件在吸收了激光后，会产生熔化甚至汽化的现象[4]，然后被熔化的金属会形成小孔，也即激光通道。

3 质量控制

3.1 针对热裂纹

热裂纹的控制有以下方法：第一，冶金处理法。从冶金的角度对热裂纹进行控制，控制的原理是通过添加与母材不同的焊丝，对焊缝处的成分进行改变，达到调整BTR宽度和延性的目的，但是这种方法存在的问题就是焊缝处的强度不高；第二，预压应力法。这种方法实则是通过施加外部压力来抵消裂性拉伸应力，并降低热裂倾向，具有设备简单易操作的优势，能够很好的防止热裂纹；第三，随焊激冷法。这种焊接方法的原理是：利用冷却收缩的作用，对BTR金属进行横向挤压，使得塑性拉伸应变得以推迟，能够有效降低热裂纹出现的倾向，另外，随焊激冷会让冷却速度大幅度增大，但较之横向压缩，造成的影响则比较小，所以也能有效防止热裂纹的出现；第四，随焊碾压法。这种方法的工作原理与随焊锤击法的工作原理比较相似，一般适用于薄板结构类型的焊接，在焊接时，受横向温度梯度的影响，对焊缝两侧的金属进行碾压，使得焊缝以及热影响区的金属发生横向压缩应变，以此来防治热裂纹的出现。

3.2 针对焊接变形

焊接变形的控制措施有三种：其一是焊前措施。焊前可以采取的措施有：选择焊缝形状与尺寸，避免多个焊缝重叠交叉；焊趾尺寸要小；板厚要小；最适宜的是角焊缝或是断续焊缝；复杂结构应尽可能的用组合焊接；肋板位置与形状要进行选择；要采取预变形措施[5]；其二是随焊调控。随焊调控的具体方法有刚性固定法、减少热输入法、焊接顺序优化、预拉伸法、温差拉伸法、随焊激冷法、随焊锤击法和锤击碾压法；其三是焊后调控。常用的方法有机械方法和加热法两种，机械法是主要应用在大型工件的加工，而加热法主要是用于消除残余应力。

4 结束语

目前高强铝合金焊接技术正在高速发展着，且应用范围也在不断扩大。面对高强铝合金所具备的多项优势，有必要进一步加强对高强铝合金焊接技术的研究，使其能够助力高速列车、航天军工以及新能源汽车等领域的发展。