铝合金焊接加工工艺及焊接裂纹的防治措施

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铝合金焊接加工工艺及焊接裂纹的防治措施

吕伟光 鞠 良

中车青岛四方机车车辆股份有限公司车体分厂 山东 青岛 266111

摘要:随着经济和科技水平的快速发展,焊接技术在我国社会很多领域中都有涉及,如建筑行业、造船业、桥梁建设等。随着我国科学技术水平的进一步提高,人们加大了对焊接工艺技术的研究,以提高焊接的性能和效率。文章主要就铝合金焊接加工工艺及焊接裂纹的防治措施展开了论述,以供参考。

关键词:铝合金;焊接加工工艺;焊接接头;裂纹

引言

随着近些年铝合金材料的不断升级,涉及到新一代铝合金材料和新型高强度铝合金材料的焊接要求也越来越高,因此对激光焊接的技术也提出了更高的要求,对此通过不断的深入了解和研究激光焊接铝合金材料的方法和工艺,保证激光焊接铝合金材料的焊缝质量,从而加速推进铝合金激光焊接工艺的广泛应用。

1 铝合金材料的特点

铝是一种轻金属材料,颜色为银白色,因为质地比较轻盈所以具有较强的塑造性,同时,作为一种金属材料具有较高的导电性和导热性,而更实用的方面是该材料具有抗氧化以及抗腐蚀的特点,可以适用在很多恶劣的环境。但是在焊接活动中,铝容易产生三氧化二铝薄膜,这种薄膜会严重影响焊接的质量,会在焊缝中产生杂物,破坏焊接物的结构,并且严重降低了铝合金材料的抗腐蚀性能。

2 铝合金材料焊接时的难点

2.1氧化时金属融合质量低

在焊接的时候,铝会和空气中的氧气直接接触,会产生氧化反应,在表面形成0.1um-0.2um的三氧化二铝薄膜,并且此时的熔点要远远大于2050℃,这严重违背了铝合金熔点的规律,一般而言铝合金的熔点是600℃左右的。并且此时氧化铝的密度也比较高,远远超过了普通铝材料的密度值,因此铝薄膜会快速吸收表面的水分,从而在焊接环节造成金属融合困难的现象,最终导致焊接出现气孔,或者是残渣等问题。

2.2焊接环节气孔现象严重

在铝合金焊接工作中还容易产生气孔,而之所以会产生气孔时因为铝在液态的时候可以溶解氢,但是如果铝处于固态,就不具备这种性能。因此,如果熔池的温度比较低,甚至呈现出凝固状态的时候,熔池中的氢无法快速发散到空气中,从而导致铝合金焊接的时候出现气孔。由于氢气孔的特殊性,因此,在焊接活动中是无法完全避免的,这和氢气的来源分不开,因为在焊接活动中不管是铝合板还是焊丝表面都会将空气中所含有的水分进行吸收。就算氢气的程度非常高,甚至接近100%,如果无法完全剔除空气中的水分,那么焊接时也会出现气孔。

2.3其他焊接难点

铝合金材料在焊接的时候所产生的裂缝会出现进一步变形,裂缝的缝隙甚至还会增大,这主要是由铝自身的特点所决定,因为铝的导热性能比较强,线性膨胀系数或者是结晶收缩率要远远高于钢材料,所以焊接的时候会产生相应的内应力,从而产生裂缝并发生相关的变化。另外在焊接活动中,铝合金中的元素也会出现流失的情况,这是因为铝合金是一种合金金属,因此里面除了铝元素以外,还有低沸点的镁元素、锌元素、锰元素等,而这些元素并不耐高温,因此在焊接的时候会蒸发,影响焊接的质量。另外,在焊接过程中无法产生任何的色彩变化,因为铝合金在焊接的时候会从固态转变为液态,如果在这个过程没有发生颜色变化,那么焊接工作者无法科学把控加热的温度。

3 激光焊接铝合金的特点

(1)功率大的激光头能够稳定焊接质量,随着激光加工的深入开发,功能越来越强大的激光头得到快速的应用。由Scansonic和HighYAG所研制的激光头,能够在一定范围内上下左右浮动而不改变光斑大小,也不影响光丝配合,非常利于大批量的生产应用,能改善材料由于加工产生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。(2)合适的焊接参数合理的焊接参数能够很好地保证焊接质量。要获得稳定的焊缝成形,需要匹配合适的焊接参数。1)当给定的每一个激光功率数值时,都会有一个合理的焊接速度相匹配,焊接速度可以在设定的范围内进行调整,同样可以实现成形质量很好的焊缝,此区域定义为焊接稳定区。2)当在一个功率数值时,焊接速度过快,输入的热量变小,导致铝合金材料不能熔透,这时已超过稳定区的范围,此区域定义为未熔透区。3)当在一个功率数值时,焊接速度过慢,输入的热量过大,熔池下塌严重,此区域定义为熔池坍塌区。(3)高要求的装配精度因为铝合金激光焊接加热集中、焊缝深宽比大、焊接结构变形小、激光聚焦光斑直径细小等特点,所以导致工件的组对精度要求较高,一般组对间隙和错边量都必须小于0.1mm或板厚的0.1t,这样大大增加了焊接的操作难度。(4)易产生焊接缺陷由于铝合金熔点低,金属液流动性好,因此在大功率激光的作用下会使金属气化。焊接过程中伴随小孔效应所形成的金属蒸气影响铝合金对激光能量的吸收,这样会出现焊接过程不稳定,焊缝容易产生气孔、表面塌陷、咬边等焊接缺陷。焊缝产生表面塌陷、咬边等缺陷可以通过激光填丝焊接或激光电弧复合焊来实现改善,但是气孔缺陷控制难度比较大。(5)焊接接头强度的影响由于激光焊接的加热和冷却速度快、焊缝硬度高、铝合金激光焊接存在合金元素烧损,因此影响铝合金的强化作用,导致铝合金焊缝存在软化现象,这样就降低了铝合金焊接接头的强度。

4 铝合金焊接裂纹防治措施

4.1增强冶金环节的防裂纹意识

在冶金环节,工作要人员要充分认识到防控裂缝的重要性,在焊缝合金系统中可以适当的加入一些变质剂,通过这些变质剂来控制结晶的温度。铝合金是一种共金型的合金,而裂纹产生主要是由于凝固温度区易熔共晶存在量过大,埋下了裂纹隐患。但是通过一些合金元素,可以对易熔共晶进行制约,从而达到愈合裂缝的效果,尤其是变质剂中的V、B这些微量元素,可以不断增加焊接过程中铝合金的韧性以及可塑造型。

4.2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。另外,在焊接的时候,还可以采取分段焊接的手段,或者是通过焊接前的预热工作,最大限度地降低试件的相对膨胀系数,降低脆性温度区间的应力。如果在焊接过程中出现焊接中断,那么工作人员需要及时做好弧坑的填满工作,同时去除相关的热源,防止弧坑产生裂缝。

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。近年来,焊接事业的发展势头大好,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。

参考文献

[1]聂洪刚,王鑫,孙东东.7A10铝合金焊接裂纹的成因及预防对策探讨[J].中国金属通报,2019(1):133+135.

[2]宋帅帅,王然.铝合金焊接缺陷的修补方法和预防措施[J].中国高新区,2019(1):169+192.

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