铝合金焊接质量的评定及工艺优化分析

张祖涛 高健 李大鹏

中车四方车辆有限公司 山东青岛 266000

随着先进制造业的快速发展，传统的金属材料已经不能满足制造业的需求。对于高强度、刚性好、耐腐蚀、可焊接的材料受到制造业的追捧，尤其在航空、航天飞行器、汽车车身、轨道交通等行业对于轻量化材料的应用非常广泛，铝合金材料将其自身优势获得各行业领域的研发应用。

1 铝合金焊接过程中的注意事项

铝合金材料在熔焊接头的过程中由于需要经历冶金反应、热循环以及应力应变等过程，其接头组织会表现出明显的不均匀性，而这种不均匀性直接导致接头力学性能存在较大的差异，再加上残余应力和焊接缺陷等因素，导致焊接接头成为了整个铝合金结构中最为薄弱的部位。因此，在铝合金焊接生产的过程中必须要注意一下几个问题：第一，在铝合金焊接的过程中由于氢在固-液状态的铝合金或者铝中的溶解度相差近20倍，所以，在焊缝当中非常容易产生很多宏观或微观的气孔，这也使得在焊接制造修补缺陷的过程中，气孔缺陷就占了80%左右；第二，由于铝合金材料的热导率和线膨胀系数较大，这使得其在较大焊接电流或者较低焊接速度的工况下，线能量会不断的增大，最终导致焊接接头组织粗化，进而使得热影响区的应力应变变得更加的复杂[1]。

2 铝合金焊接质量的评定及工艺优化分析

2.1 晶粒度测量

晶粒度是金属材料重要的组织参量。晶粒度越小、组织越均匀，金属材料的强度、塑性和韧性越高，材料力学性能、耐腐蚀性越好，焊接过程中材料局部受热，熔池的凝固与材料的散热条件不一致，致使焊接接头的温场、热循环与材料本身的组织存在差异，影响焊缝接头晶粒组织的均匀性、质量和性能。①可采集局部区域截面进行计算分析，对接头组织的平均值与标准值对比，数据说明晶粒尺寸对焊接接头的影响，差异越大，组织越不均匀，接头质量越差。②采用金相图像分析焊缝区的组织状态，直观的观测晶粒的分散情况，通过量化分析进行评定。

2.2 铝合金焊接中气孔率的定量检测

通常情况下会采用X射线探伤的分辨率对焊接中的气孔进行检测，即气孔的直接大于等于0.2mm。通过对铝合金的微观检测之后发现，在轧制和铸锻的过程中，会存在一定数量直径小于等于0.02mm的参与孔洞或者空隙，所以，我们一般会将微观气孔用直径小于0.02mm的气孔进行定义，并以此来对焊接中的气孔率、尺度提及分布等进行观测和评估，然后获得焊接中气孔的数量、状态以及位置等信息，从而提升对接头综合性能影响的认识。在铝合金焊接过程中，焊缝中比较容易出现气孔的位置以及所在位置气孔的密度具有以下特点：能够对接头综合力学性能产生较大影响的气孔位置分别为：熔合线附近、焊缝根部以及焊缝盖面层的焊趾处。这是因为这些位置都具有”固-液”相交界，冷却的速度相比较于熔池的其它部位要快很多，从而导致气体难以快速的溢出，然后这些气体会在冷却和散热比较快的位置进行聚集，然后产生气孔。我们在通过对容易产生气孔的位置进行观测后得出，气孔具有沿断裂线分布的特征[2]。

2.3 焊缝热裂纹处理

铝合金材料焊接过程中的热裂纹缺陷十分常见，而针对这一缺陷的处理措施也十分多样。首先，铝合金材料虽然会在高温及快速冷却条件下出现应力应变，但只要能够提前通过焊接实验确定焊接温度等方面的合理参数，并对焊接顺序进行严格规范，焊缝出现热裂纹的几率仍然是比较低的。其次，针对铝合金材料焊缝结晶裂纹与热影响区液化裂纹，焊接人员可以根据实际焊接情况对铝合金材料的焊接接头进行改进，以降低应力应变对焊接接头的影响。最后，还可以在焊接时向添加金属中添加Ti、Zr、V和B等微量元素作为变质剂，这些变质剂能够形成高塑性的细化晶粒，能够在很大程度上改善铝合金焊缝处的力学性能，使其抗裂性得到提升，从而避免热裂纹的出现。

2.4 铝合金焊接质量优化方法

导致铝合金熔焊接头出现冶金缺陷的影响因素有很多，但是目前铝合金制造方式和质量检测方法对其其危害性的监控能力还是比较弱的，这就需要引进先进的技术来解决铝合金焊接制造的质量问题。而高频耦合脉冲TIG焊电弧能够通过提高电弧能量的密度，来减少和消除焊缝中的气孔，同时还能够有效的细化精力组织。特别是在22-30kHZ脉冲频率下，基本上能够使得焊缝中心和熔合区内的微气孔完全消失，并且还能够使得焊缝和接头组织晶粒得到细化。采用VPTIG焊焊缝的平均晶粒尺寸为30μm左右，而采用高频耦合脉冲TIG焊能够将焊缝的平均晶粒尺寸减少到20μm左右，同时还能够有效的提升接头的强度和伸长率。高频耦合脉冲TIG焊工艺一般以常规的TIG焊电源作为主要的电源，然后并联上一个高频电源，通过高频振动和电磁搅拌能量将EN时段传递到熔池。在该工艺当中只需要将一个高频电源和目前常用的VPTIG进行并联耦合即可，因此，其具有非常强的生产实用性，能够应用于各类铝合金焊接的制造质量当中，同时还能够有效的控制气孔和均匀化组织[3]。

3 结语

综上所述，对铝合金焊接头组织进行定量分析，不仅可以有效的调整和优化铝合金焊接的工艺，同时还能够对焊接头热循环的优化效果以及实现接头性能调控的途径等进行验证。我们通过对铝合金焊接试件的接头和断口进行观察和分析可以得知焊接缝当中的气孔位置以及分布的状态，利用定量来对焊接缝气孔率、分布以及尺度进行表达，是对焊缝气孔分辨和定量的必要补充。在铝合金焊接中采用高配耦合脉冲TIG焊接技术能够有效的减少和消除焊接缝当中的气孔，同时还能够对接头组织进行细化，从而有效的提升焊接接头的综合力学性能。