论文部分内容阅读
张云龙
辽宁 沈阳 110000
【摘 要】本文首先介绍了铝合金的特点，而由于铝合金的特性，铝合金的焊接一直是工业生产的难点。铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量往往难以达到设计要求。本文对影响铝合金焊接接头性能的各种因素特别是对焊接材料和焊接方法进行了较为深入的分析，对铝合金焊接性能的提升具有一定的意义。
【关键词】焊接性能；焊接材料；铝合金
1 背景
随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产品所使用的材料及性能提出了更高的要求。在这一背景下，具有优良物理、化学特性的铝及铝合金受到了越来越多的关注。铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易于进行表面处理、良好的加工成型性以及高回收再生性等。近40年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大。随着铝合金的生产技术的完善成熟和生产成本的不断降低，铝合金在各个领域的广泛应用推动了铝合金产业的发展，铝合金正在成为代替钢材作为结构材料的理想材料，也是当今所需要的节能、环保绿色材料。
2 铝合金焊接的主要问题
2.1 焊接结晶组织
焊缝金属是激冷的结晶组织，因此会伴随着不平衡结晶而产生偏析。枝状晶轴间距愈小，偏析率愈小，反之，枝状晶轴间距愈大，偏析率亦愈大。
2.2 焊接裂纹问题
焊接裂纹是焊接接头的最主要缺陷之一，可分为焊道金属中的纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹和焊根裂纹以及热影响区中的裂纹、层状撕裂和熔合线区附近的显微裂纹。
2.3 气孔的产生
焊接接头中的气孔是仅次于焊接裂纹的重要缺陷，与其它金属材料相比，铝合金的焊接接头容易产生气孔，这是众所周知的。在焊接时要防止气孔着重减少进入焊接区的水分和污物。因此焊接前表面清理的好坏和保护方式的选择直接影响到是否出现气孔的重要因素。
2.4 夹渣
夹渣是较重要的焊接缺陷，在铝焊缝中有金属的和非金属的两种形式，应尽量避免。
2.5 未熔合、未焊透
未熔合是不允许存在的，未焊透对于双面焊接的焊缝是不允许存在的。在对接焊缝中，未焊透缺陷通常是由于焊接电流太低，坡口或焊接间隙不够而形成的，或者对热输入而言，使用的焊枪的移动速度太高造成的。在填角焊缝中，是由于充填金属跨接于接头的焊边而没有熔透底部造成的。
2.6 合金元素的蒸发
在铝合金的焊接过程中，在合金元素Mg被蒸发的同时，Al的蒸发也是存在的。焊缝合金被过多蒸发，就会造成焊缝金属不足，焊缝表面下凹。
3 焊接材料的影响
一般说来，当焊接合金材料时，填充金属对焊缝金属、焊接接头的物理和化学性能均有颇大的直接影响，因此焊接填充材料的选择极为重要，原则上应该具有能够保证焊接接头的使用性能，保证焊缝金属和焊接热影响区具有良好的力学性能和综合性能；保证焊缝具有一定的致密性，即没有气孔、夹渣、或者气孔和夹渣的数量、尺寸、形状不超过允许值；能够防止在焊接接头内部产生冷裂纹和热裂纹；具有良好的工艺性。
与基体金属同质的线材或由基体金属切成的细长条均可以作添加金属，但从可焊性、尤其是焊接裂纹敏感性和焊接强度等方面考虑，最好制成线材，并进行光化处理。铝合金焊接时的填充金属的选择由以上原则和基体金属的成分来决定的，铝合金焊接的填充材料在大批量生产时应该选用成形的焊丝。
4 焊接方法
目前铝合金的焊接方法较多，原则上所有的焊接方法都适用于铝合金的焊接，如最开始采用的氧乙炔焊接，到后来的电栓焊、点焊、其他接触类型的电阻焊，以及电子焊、摩擦焊、电子束焊、搅拌摩擦焊和超声波焊接等一些焊接方法。但是这些焊接方法在使用和推广过程中都有一些潜在的不足和缺点，如氧乙炔焊接方法的气焊火焰的热量不集中，焊件加热区宽，因此焊缝的收缩应力大，容易形成裂纹等缺陷，同时氧乙炔中的未完全燃烧的氧气很容易与铝合金中的合金元素反应，因此，这种焊接方法只适合焊接不太重要的铝合金薄板结构件及铸件的补焊；点焊、搅拌摩擦焊对焊接接头的形式要求较高，同时使用场合受到限制，该方法的生产设备投入大，对铝合金焊接的推广使用不具有普遍性。
本文根据目前焊接有色金属的焊接方法和各种焊接方法在焊接过程中的可操作性和普遍使用情况，采用使用较为广泛的钨极氩弧焊。使用该焊接方法使得氩气能够有效的隔绝空气，而它本身又不溶入金属或者与金属反应生成其他化合物。钨极氩弧焊过程中电弧具有自动清除工件表面的氧化膜，可以成功地焊接易氧化和化学活性较高的铝合金，同时钨极电弧稳定，即使在很小的电流下仍然可以稳定燃烧，可以对铝合金薄板、超薄板进行焊接；该焊接方法的热源和填充焊丝可以分别控制，因而可以根据焊件的厚度和焊接接头形式调整焊接参数。在焊接的工件上加一个保护气罩，使得从保护气罩出来的气体经过回流网的的作用后在焊接工件周围形成一个立体的氩气氛围，使得焊接工件处于氩气氛围保护当中，降低了空气对焊件的焊接质量的影响。在焊接前首先让保护气罩通气形成氩气氛围，再放入被焊接的工件进行焊接。
5 结论
随着工业技术的发展，铝合金的应用越来越广泛，铝合金结构件的使用也因焊接技术的不断进步变得越来越普遍。但由于铝合金的特性，铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量难以达到设计要求。其中，焊接气孔的存在破坏焊缝金属的致密性及强度，削弱焊缝的有效截面积，减少焊件的承载面积，降低了焊缝金属的力学性能与耐腐蚀性能；焊接结构中的热裂纹则不仅可能直接导致结构在运行中破裂，而且还可能成为疲劳裂纹的裂源。分析焊接气孔和热裂纹的产生机理，采取合适的防止措施，具有重要意义。
参考文献：
[1]彭云.铝合金焊接结晶裂纹的防止.焊接.2005
[2]元恒新，陈海英.铝合金车身的点焊工艺.电焊机.2006
[3]顾曾迪，陈根宝等.有色金属焊接.机械工业出版社.2002
[4]阿荣.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究.兰州理工大学硕士论文.2004
作者简介：张云龙，男，1985年6月出生，从事方向：材料成型与控制的焊接。
辽宁 沈阳 110000
【摘 要】本文首先介绍了铝合金的特点，而由于铝合金的特性，铝合金的焊接一直是工业生产的难点。铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量往往难以达到设计要求。本文对影响铝合金焊接接头性能的各种因素特别是对焊接材料和焊接方法进行了较为深入的分析，对铝合金焊接性能的提升具有一定的意义。
【关键词】焊接性能；焊接材料；铝合金
1 背景
随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产品所使用的材料及性能提出了更高的要求。在这一背景下，具有优良物理、化学特性的铝及铝合金受到了越来越多的关注。铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易于进行表面处理、良好的加工成型性以及高回收再生性等。近40年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大。随着铝合金的生产技术的完善成熟和生产成本的不断降低，铝合金在各个领域的广泛应用推动了铝合金产业的发展，铝合金正在成为代替钢材作为结构材料的理想材料，也是当今所需要的节能、环保绿色材料。
2 铝合金焊接的主要问题
2.1 焊接结晶组织
焊缝金属是激冷的结晶组织，因此会伴随着不平衡结晶而产生偏析。枝状晶轴间距愈小，偏析率愈小，反之，枝状晶轴间距愈大，偏析率亦愈大。
2.2 焊接裂纹问题
焊接裂纹是焊接接头的最主要缺陷之一，可分为焊道金属中的纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹和焊根裂纹以及热影响区中的裂纹、层状撕裂和熔合线区附近的显微裂纹。
2.3 气孔的产生
焊接接头中的气孔是仅次于焊接裂纹的重要缺陷，与其它金属材料相比，铝合金的焊接接头容易产生气孔，这是众所周知的。在焊接时要防止气孔着重减少进入焊接区的水分和污物。因此焊接前表面清理的好坏和保护方式的选择直接影响到是否出现气孔的重要因素。
2.4 夹渣
夹渣是较重要的焊接缺陷，在铝焊缝中有金属的和非金属的两种形式，应尽量避免。
2.5 未熔合、未焊透
未熔合是不允许存在的，未焊透对于双面焊接的焊缝是不允许存在的。在对接焊缝中，未焊透缺陷通常是由于焊接电流太低，坡口或焊接间隙不够而形成的，或者对热输入而言，使用的焊枪的移动速度太高造成的。在填角焊缝中，是由于充填金属跨接于接头的焊边而没有熔透底部造成的。
2.6 合金元素的蒸发
在铝合金的焊接过程中，在合金元素Mg被蒸发的同时，Al的蒸发也是存在的。焊缝合金被过多蒸发，就会造成焊缝金属不足，焊缝表面下凹。
3 焊接材料的影响
一般说来，当焊接合金材料时，填充金属对焊缝金属、焊接接头的物理和化学性能均有颇大的直接影响，因此焊接填充材料的选择极为重要，原则上应该具有能够保证焊接接头的使用性能，保证焊缝金属和焊接热影响区具有良好的力学性能和综合性能；保证焊缝具有一定的致密性，即没有气孔、夹渣、或者气孔和夹渣的数量、尺寸、形状不超过允许值；能够防止在焊接接头内部产生冷裂纹和热裂纹；具有良好的工艺性。
与基体金属同质的线材或由基体金属切成的细长条均可以作添加金属，但从可焊性、尤其是焊接裂纹敏感性和焊接强度等方面考虑，最好制成线材，并进行光化处理。铝合金焊接时的填充金属的选择由以上原则和基体金属的成分来决定的，铝合金焊接的填充材料在大批量生产时应该选用成形的焊丝。
4 焊接方法
目前铝合金的焊接方法较多，原则上所有的焊接方法都适用于铝合金的焊接，如最开始采用的氧乙炔焊接，到后来的电栓焊、点焊、其他接触类型的电阻焊，以及电子焊、摩擦焊、电子束焊、搅拌摩擦焊和超声波焊接等一些焊接方法。但是这些焊接方法在使用和推广过程中都有一些潜在的不足和缺点，如氧乙炔焊接方法的气焊火焰的热量不集中，焊件加热区宽，因此焊缝的收缩应力大，容易形成裂纹等缺陷，同时氧乙炔中的未完全燃烧的氧气很容易与铝合金中的合金元素反应，因此，这种焊接方法只适合焊接不太重要的铝合金薄板结构件及铸件的补焊；点焊、搅拌摩擦焊对焊接接头的形式要求较高，同时使用场合受到限制，该方法的生产设备投入大，对铝合金焊接的推广使用不具有普遍性。
本文根据目前焊接有色金属的焊接方法和各种焊接方法在焊接过程中的可操作性和普遍使用情况，采用使用较为广泛的钨极氩弧焊。使用该焊接方法使得氩气能够有效的隔绝空气，而它本身又不溶入金属或者与金属反应生成其他化合物。钨极氩弧焊过程中电弧具有自动清除工件表面的氧化膜，可以成功地焊接易氧化和化学活性较高的铝合金，同时钨极电弧稳定，即使在很小的电流下仍然可以稳定燃烧，可以对铝合金薄板、超薄板进行焊接；该焊接方法的热源和填充焊丝可以分别控制，因而可以根据焊件的厚度和焊接接头形式调整焊接参数。在焊接的工件上加一个保护气罩，使得从保护气罩出来的气体经过回流网的的作用后在焊接工件周围形成一个立体的氩气氛围，使得焊接工件处于氩气氛围保护当中，降低了空气对焊件的焊接质量的影响。在焊接前首先让保护气罩通气形成氩气氛围，再放入被焊接的工件进行焊接。
5 结论
随着工业技术的发展，铝合金的应用越来越广泛，铝合金结构件的使用也因焊接技术的不断进步变得越来越普遍。但由于铝合金的特性，铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量难以达到设计要求。其中，焊接气孔的存在破坏焊缝金属的致密性及强度，削弱焊缝的有效截面积，减少焊件的承载面积，降低了焊缝金属的力学性能与耐腐蚀性能；焊接结构中的热裂纹则不仅可能直接导致结构在运行中破裂，而且还可能成为疲劳裂纹的裂源。分析焊接气孔和热裂纹的产生机理，采取合适的防止措施，具有重要意义。
参考文献：
[1]彭云.铝合金焊接结晶裂纹的防止.焊接.2005
[2]元恒新，陈海英.铝合金车身的点焊工艺.电焊机.2006
[3]顾曾迪，陈根宝等.有色金属焊接.机械工业出版社.2002
[4]阿荣.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究.兰州理工大学硕士论文.2004
作者简介：张云龙，男，1985年6月出生，从事方向：材料成型与控制的焊接。