铝合金焊接加工工铝合金焊接加工工艺及焊接裂纹的防治措施

张祖涛 高健 李大鹏

中车四方车辆有限公司 山东青岛 266000

铝合金产品是现代工业生产中比较常用的一种合金材料，该材料不仅仅具有较高的热电导率和抗腐蚀能力，还具备较强的物理力学性能，在现代工业中的应用范围越来越广，但是在运用过程中还存在一些问题，尤其是在焊接环节，经常出现裂缝。之所以出现这个问题，一方面是因为铝合金自身的化学活性比较强，容易形成氧化膜，具有难溶的特点，增加了焊接的难度，另一方面则是因为工作人员在施工过程中焊接方法以及工艺不达标，没有按照正确的施工顺序开展焊接工作[1]。

1 铝合金材料的焊接难点

极易氧化。在空气中，铝容易同氧化合，生成致密的三氧化二铝薄膜（厚度约0.1-0.2μm），熔点高（约2050℃），远远超过铝及铝合金的熔点（约600℃左右）。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3，约为铝的1.4倍，氧化铝薄膜的表面易吸附水分，焊接时，它阻碍基本金属的熔合，极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷，引起焊缝性能下降。易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及逸出，容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免，氢的来源很多，有电弧焊气氛中的氢，铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明，即使氩气按GB/T4842标准要求，纯度达到99.99%以上，但当水分含量达到20ppm时，也会出现大量的致密气孔，当空气相对湿度超过80%时，焊缝就会明显出现气孔。焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，易产生较大的焊接变形的内应力，对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。铝的导热系数大（纯铝0.538卡/Cm.s.℃）。约为钢的4倍，因此，焊接铝和铝合金时，比焊钢要消耗更多的热量。合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素（如镁、锌、锰等），在高温电弧作用下，极易蒸发烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。高温强度和塑性低。高温时铝的强度和塑性很低，破坏了焊缝金属的成形，有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象[2]。

2 铝合金焊接加工工艺及焊接裂纹的防治措施

2.1 完善工艺流程和系统运行机制

铁路机车类型有很多种，在生产过程中对铝合金制件的要求也会不同，因此在操作的过程中使用的工艺流程也会有所不同。首先需要从焊接的工艺流程入手，对工艺流程进行优化完善，可以使用标签法使得验收人员和焊接人员以及评估人员能够对制件实行统一的处理。此外还需要根据工艺各环节的设计数据收集、技术要求等方面的评估方案，对焊接工作进行整体的评估，焊接施工可以分流到每一个细致的环节，进行更细致的管理与控制，每一个环节的评估机制和工艺设计需要具有较高的匹配度，从而提升焊接质量控制。

2.2 做好焊接前的技术准备工作

在铝合金焊接工作开始之前，要做好焊接坡口两侧面的清理工作，采用科学的化学方法或者是机械手段，对氧化膜进行去除。首先是化学的清洗手段，在化学清洗中，主要使用的是碱或者是酸这种化学原料，不仅可以去除焊缝坡口两侧所覆盖的氧化膜，同时还能够去除油污，但是在清洗的时候需要严格控制这些化学原料的剂量。使用6%-10%的氢氧化钠溶液放入水温为70℃左右的热水中，然后将其浸泡5min。这一清洁工作完成之后，再次放入含有15%浓度硝酸的温水中，再次浸泡1min，然后再次清洁，最后完成氧化膜的清除工作。如果此时铝合金的表面呈现出来的颜色是银白色，并且没有任何光泽，就说明脱模工作已经达到相关的标准和要求。其次是机械手段，机械手段主要是指通过机械设备来完成脱模工作，常见的工具是风动或者电动铣刀，除此之外，还可以使用锉刀，或者是钢丝刷对氧化膜进行清除，在清洁工作完成之后必须马上进行焊接[3]。

2.3 提高焊接工作的质量和效率

在工艺环节，要防止裂缝就必须规划施工流程，要求工作人员按照焊接的工作要求有序开展施工活动，依次做好预热、接头形式以及焊接方面的工作。焊接工艺的参数将会直接影响到铝合金凝固时的组织形式，以及内部应变的增长速度，是裂纹产生与否的关键环节。通过采取热能集中这种焊接方法，可以提高焊接的效率，从而有效防止在焊接活动中出现方向性比较强的粗大壮晶体，从而提高铝合金材料的韧性。另外还可以通过减小焊接的电流，对焊接的速度进行调节，通过减缓速度来降低熔池的温度，减少焊接过程中合金材料的内外温差，防止裂缝的产生。因为在焊接的时候，如果焊接的速度过快，那么焊接接头的应变速度也会呈现同方向发展，从而产生热裂倾向。

2.4 引入先进技术

在焊接仪器和设备方面，可以合理利用先进的设备增加焊接效果，例如卡尺夹具、红外线等设备，从而提高焊接工作的基础设施条件。当前还可以进行焊接变形的预控，主要是使用有限元理论，此理论可以进行操作前模拟，从而预知一些问题和隐患，提前得到焊接的数据，做好充分准备去应付变形。

3 结语

铝合金材料的金属特点使其在压力大的情况下焊接会产生裂纹。这些裂纹不仅影响焊接的美观性，也影响焊接材料的结构，对此要进行工艺优化，以提高焊接质量，保证其铝合金材料的基本性能。铝合金焊接加工工艺直接影响我国制造的可持续发展，影响工业产品的焊接质量，要做好这方面的技术研究，避免产生焊接裂缝，提高焊接的质量以及效率。