铝合金焊接性能及焊接接头性能

李肇亮 富鹏

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，相对于钢制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。由于其防腐性能优良、低温韧性好的特点，在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的质量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。特别是在交通车辆制造领域，铝合金这种轻型材料的应用能提高运行速度和降低能源消耗，在现在的能源形势下具有特别的意义。焊接在铝合金结构的设计和制造过程中具有非常重要的作用，铝合金焊接技术的不断发展也保证了铝结构的制造质量和生产效率。与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金的结构和焊接制造原则没有变化，都需要通过合理的力学设计和焊接制造来保证产品结构的强度、稳定性和刚度。与传统钢材相比，铝合金在强度、弹性模量、密度、导热系数、热膨胀系数等方面都有显著不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分与钢结构有较大不同。本文基于欧洲规范，从接头的强度设计和细节设计方面介绍铝合金焊接接头的特点。

关键词：铝合金构件;焊接变形;焊接工艺;优化方式

引言

随着近些年来我国社会经济的飞速发展，我国公民的物质生活水平不断提高，对各项社会基础工程的要求也越来越严格，交通运输作为保障各行业稳定发展的基础，但是从特性来看，铝合金构件传热性能较强，膨胀系数比较大，散热速度非常快，在实际焊接的过程中非常容易出现变形量过大的问题。因此工作人员在焊接过程中要重点考量焊接变形问题，通过恰当的技术手段，全面提升焊接的质量和效率。下文中笔者将对此展开进行论述。

一、焊接变形原因

铝合金构件焊接变形的原因主要有四种：①由于焊弧热导致母材融化成池状，也就是我们常说的“熔池”。熔池的大小和具体形态对于铝合金构件焊接效果的影响是非常明显的。如果熔池尺寸比较大的话，会有大量的参与热量导出，这种热量一旦作用于構件焊接部位，就会导致焊接部位出现严重的变形问题;②铝合金构件焊接过程中热加工与冷加工的交替使用。热加工主要的工作目的是将焊接部位进行软化处理，使铝合金构件能够与焊接部位进行充分融合。冷加工主要目的是让焊接部位以最快的速度凝固，避免焊接部位出现变形问题。冷加工与热加工结合焊接方式具有非常高的实践价值，但是在实际使用过程中经常会出现由于操作不当而产生的不良影响，不仅对冷、热加工实际效果造成影响，同时还会直接引发焊接变形问题;③焊接过程中焊接构件在单位时间当中所传递的热量，这也是引发焊接变形的重要原因之一。如果热量的传导效率过大，就会使焊接部位母材熔化速度加快，进而导致焊接成功率大大下降，在后期更是容易出现严重的焊接问题;④焊接过程中热量均匀性把握状况，如果构件的各个部位受热不均匀，就会与其感受到的热量产生多种不同的反应，从而引发变形问题。

二、铝合金构件焊接工艺优化的具体措施

（一）对焊接设计方案进行全面优化设计

现阶段，焊接工程技术的种类呈现多样化趋势，工作人员在生产过程中可选取的焊接技术越来越多，因此工作人员可以充分发挥技术优势，结合铝合金构件焊缝实际状况选择合适的焊接技术。技术方案确定之后，工作人员需要对铝合金构件的尺寸、规格以及形状等基础性参数进行全面而细致的规划，将构件与母材之间的缝隙控制在最小范围之内。这样一来就能够将瞬时变形和残余变形对焊接工作的影响降至最低。焊接技术的不合理使用不仅会导致焊接效率下降，同时还会对铝合金构件本身造成破坏，进而引发焊接成本的上升。在这种情况下工作人员可以借助信息技术，通过模拟焊接的方式明确技术的可操作性，这样一来可以全面提升焊接工作的精确性，信息模拟焊接技术在现阶段焊接工作中已经得到越来越广泛的应用，并在机械装备生产领域得到全面推广。

（二）铝合金的结构体系

目前，工程实用的铝合金的结构体系，主要有网架结构、桁架结构、刚架结构和拱架结构体系。空间网架主要有单层球面网壳、双层网壳和螺栓球节点网架三种类型，其中，网壳杆件主要采用圆管截面和H型截面，杆件之间多采用螺栓连接，连接节点主要采用螺栓球节点、圆盘盖板节点和螺栓连接节点。

（三）铝合金材料设计要求

在钢结构设计中，钢材需要有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量等力学性能及化学成分的合格保证。铝合金结构要求根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、受力状态、连接方式等条件，选用合适的铝合金牌号，对于材料性能方面尚未要求，凡铝合金材料标准中能保证的项目可不要求提供。

（四）对焊接过程进行全面控制

工作人员在焊接工作中要始终遵循焊接工艺的相关设计要求，全面发挥自身焊接工作经验，从细节角度出发对焊接变形现象进行全面控制。例如在结构设计阶段，工作人员可以通过应力形变实验的方式，全面分析应力出现的大小，并结合设计相关标准对焊缝尺寸进行现场调节。在焊接过程中结合实际情况使用反变形以及刚性固定组装的方式实现焊接全面预防。在焊接工作结束之后，为防止出现残余变形的现象，工作人员可以使用加热矫正的方式，也可以利用机械外力对其进行矫正。如果具备一定生产条件的话，建议现场工作人员开展焊接实体试验，准确把握焊接工作中需要优化的细节，并结合铝合金构件的具体参数进行下一步优化，最终使铝合金构件的性能达到最佳。如果焊接试验存在问题的话，工作人员要在第一时间对出现变形现象的构件进行返修处理，在处理过程中要尽量使用能量密度比较高的热源，全面控制焊接的受热面积。

三、结语

虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金结构的设计和焊接制造原则没有变化。但还是要在设计和制造中，针对焊接热影响区强度减弱、接头细节等设计问题，进行合理的设计，才能保证结构的使用安全及其制造的经济性。

参考文献：

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[2]沈祖炎，郭小农，李元齐.铝合金结构研究现状简述[J].建筑结构学报，2007，28（6）：100-109.

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