铝合金热处理工艺分析探讨

刘小东++崔猛

摘 要：铝合金具有很先进的工艺性，同时还具有很好的焊接功能，热处理能够改变金属和合金的性能，一般的铝合金都要通过热处理来提高机械性能和其他性能。同时，使用热处理工艺可以提高耐腐蚀性，增加稳定性，还可以改善焊接加工的性能，铝合金及其热处理工艺在工业上拥有广泛的应用。本文对铝合金热处理工艺进行探讨，并针对铝合金焊接中常见问题及预防措施进行简单论文。

关键词：铝合金 热处理 焊接

1、铝合金分类

铝合金是铝金属与添加材料在高温下共同发生作用后形成的金属材质。一般来讲，铝合金的分类原则是可以从不同的角度进行区分。按照生产工艺的不同可以分为铸造铝合金和变形铝合金；按照热处理能力的不同可以分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金；而按照铝合金材料的性能属性又可以分为高塑性铝合金、高强度铝合金、中强度铝合金、热强铝合金和耐蚀铝合金。

2、铝合金热处理特点

“热处理”这一名词，从广义上讲，是指改变金属产品的机械性能，冶金机构或残余应力状态的任何加热和冷却操作。但是，这名词用于铝合金时，经常仅仅是指，其目的在于提高沉淀硬化锻压和铸造合金的强度和硬度的特定操作。这些合金通常称为“热处理”合金，用于区别那些不可通过加热和冷却而显着强化的合金。即一般所谓“非热处理”合金。后一类合金，当其处于锻压形式时，主要是靠冷加工来提高强度。这两类合金都可以通过加热来降低强度和提高延性（退火）。这是的冶金反映，随合金类型和软化程度而有所不同。

铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度，升到某一相应温度下，保温一定时间，并以一定得速度冷却，从而改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，并增强耐腐蚀性能，提高合金的机械强度和硬度，改善金相组织，保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能。

3、热处理方法

3.1退火处理

内应力作为严重影响铝合金质量的重要因素，常中表现为内应力不均匀，组织结构不稳定，一旦测得金属内有残留内应力，铝合金的综合性能势必大打折扣，可能直接出现塑性降低、耐蚀性减弱、机械性能损失等状况。退火工艺正好能够消除或者减少这些工艺缺陷。其工艺是：将铝合金铸件加热到280 -300℃，保温2-3h，随炉冷却到室温，使固溶体慢慢发生分解，析出的第二质点聚集，从而消除铸件的内应力，达到稳定尺寸、提高塑性、减少变形、翘曲的目的。

3.2淬火

淬火工序就是工业操作中的固溶处理。影响淬火的因素也包含热处理的加热温度，保温时间和冷却温度。一般情况下，如果淬火加热温度值和保温时间取值越大，则强化相溶解的物理过程越充分，晶体的晶格中排列分布合金元素的状态也就是越均匀，晶格中的格局变化后，其空位浓度将相应增加，能较好地促进合金时效作用的提高。

3.3时效处理

时效处理，又称低温回火，是把经过淬火的铝合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷直至室温，使过饱和的固溶体分解，让合金基体组织稳定的工艺过程。

3.4循环处理

把鋁合金铸件冷却到零下某个温度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保温一定时间，再把铸件加热到350℃以下，使合金中度固溶体点阵反复收缩和膨胀，并使各相的晶粒发生少量位移，以使这些固溶体结晶点阵内的原子偏聚区和金属间化合物的质点处于更加稳定的状态，达到提高产品零件尺寸、体积更稳定的目的。这种反复加热冷却的热处理工艺叫循环处理。这种处理适合使用中要求很精密、尺寸很稳定的零件（如检测仪器上的一些零件）。一般铸件均不作这种处理。

4、焊接过程中容易产生的缺陷及成因分析

4.1气孔

经过长时间的实践结果表明，使用纯氩气做保护气体焊接的时候，通过对焊缝接头处断面的微观观察结果显示出现很多的线状气孔；而对使用混合气（He-Ar-N2）做保护气体进行焊接的时候，焊缝接头断面微观结果显示出现的单个的细小气孔甚至无气孔。

气孔的形成原因

高强铝合金用NaOH+HNO3进行表面处理会导致铝合金表面塑性变形层吸氢和形成含水合物的不规则氧化膜，这种不规则氧化膜，对焊缝结合面的任何触摸污染都可造成焊接气孔；空气湿度；对焊缝气孔的产生有很大影响。

4.2裂纹

熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉应力时，就会表现出较好的强度和塑性，在这一阶段产生裂纹的可能性相对来说较小。因此，当温度高于或者低于它的脆性温度区时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，具有较小的裂纹倾向。在一般情况下，杂质较少的金属（包括母材和焊接材料），由于脆性温度区间较窄，拉应力在这个区间作用的时间比较短，使得焊缝的总应变量比较小，因此焊接时产生的裂纹倾向较小。如果焊缝中杂质比较多，则脆性温度区间范围比较宽，拉伸应力在这个区间的作用时间比较长，产生裂纹的倾向较大。

裂纹的形成原因

按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接时高温下产生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起的。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹，它是在焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足不能及时填充，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金；液化裂纹是在热影响区中被加热到高温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。

5、缺陷的防止措施

5.1气孔的防止措施

铝合金是最容易形成焊缝气孔的金属，本文在焊接工艺试验的基础上，分析了铝合金焊接对气孔的敏感性及焊接工艺方法和保护气体对铝合金焊缝中气孔的影响。结果表明：通过对铝合金基材和焊接材料表面状况、保护气体的纯度、焊接工艺参数等的合理控制，可以有效减少铝合金焊缝中的气孔。鉴于MIG焊的工艺特点，其比TIG焊使铝合金焊缝具有更大的气孔倾向。采用混合气体保护可有效改善非平位铝合金焊缝的质量。

5.2裂纹的防止措施

根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理，可以从工艺因素方面进行改进，降低铝合金焊接热裂纹产生的机率。

在工艺因素上，主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序，这些方法都是从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接电流，减慢焊接速度，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应变速度，而增大热裂的倾向。可见，增大焊接速度和焊接电流，都促使增大裂纹倾向。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性，在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。通过预热，可以使得试件相对膨胀量较小，产生焊接应力相应降低，减小了在脆性温度区间的应力；尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序；焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。

参考文献：

[1]赖鸥.焊接材料及工艺对铝合金焊接性能的影响[J].科技创新与应用，2013（6）.

[2]李午申，邸新杰.中国钢材焊接性及焊接材料的进展[J].焊接，2013（3）.