[摘 要] 鋁合金密度低，強(qiáng)度大，大量應(yīng)用于高速列車的車體制造。但鋁合金焊接時(shí)變形大，易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，因此需要采取相應(yīng)的措施來(lái)有效地控制鋁合金焊接缺陷，保證高速列車的制造質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 鋁合金；氧化膜；氣孔；裂紋；變形

[作者簡(jiǎn)介] 崔磊，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心助理設(shè)計(jì)師，山東 青島，266111

[中圖分類號(hào)] TG574 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）02-0020-0005

目前鋁合金作為大眾化的金屬材料被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，它具有密度低、強(qiáng)度高、擠壓性及焊接性能良好、回收利用率高等多個(gè)優(yōu)越特點(diǎn)，因此批量應(yīng)用于鐵道車輛制造業(yè)。高速動(dòng)車在速度提高的同時(shí)也要求車體具有更高的承載強(qiáng)度，因此，必須提高鋁合金焊接質(zhì)量，有效地控制缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

一、鋁合金的性能

純鋁是銀白色的輕金屬，密度2.7g/cm3，約為鋼的1/3（鋼的密度為7.87 g/cm3），導(dǎo)電率較高，僅次于金、銀、銅居第4位。熱導(dǎo)率比鋼大2倍左右，熔點(diǎn)為658℃，加熱溶化時(shí)無(wú)明顯顏色變化，具有面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。塑性和冷、熱、壓力加工性能好，但強(qiáng)度低（只有90 MPa左右）。

純鋁的化學(xué)活潑性強(qiáng)，與空氣接觸時(shí)，就會(huì)在其表面生成一層致密的氧化膜（主成分是Al2O3）薄膜，這層氧化膜可防止冷的硝酸及醋酸的腐蝕，但在堿類和含有氯離子的鹽類溶液中被迅速破壞而引起強(qiáng)烈腐蝕。純鋁中隨著雜質(zhì)的增加，其強(qiáng)度增加，而塑性、導(dǎo)電性和耐蝕性下降。

鋁合金是在純鋁中加入合金元素如鎂、錳、硅、銅、鋅等后獲得不同性能的金屬材料。

二、鋁合金的結(jié)構(gòu)件應(yīng)用

目前應(yīng)用于鐵道車輛的鋁合金主要有5000系列、6000系列、7000系列。

（一）Al- Mg合金-5000系

由于Mg的增加直接影響其機(jī)械性能，能增加抗拉強(qiáng)度。含有低Mg的合金主要利用于裝飾材料、建筑材料。含有2.5%Mg的合金具有較好的耐蝕性、加工性、耐海水性、焊接性，主要利用于車輛、船舶的制造。

（二）Al- Mg-Si合金-6000系

主要含有Mg、Si金屬，是熱處理強(qiáng)化性鋁合金。此系列合金具有優(yōu)良的擠壓性，因此制造型材非常有利，且具有良好的耐蝕性、焊接性、具有較高的強(qiáng)度，廣泛利用于鐵道車輛、船舶、建筑用窗框、土木結(jié)構(gòu)材料的制造。

（三）Al-Zn-Mg-合金-7000系

此系列分Al-Zn-Mg-Cu合金和不含Cu的Al-Zn-Mg合金，二者均為熱處理強(qiáng)化性鋁合金。前者在鋁合金當(dāng)中具有最高強(qiáng)度，但焊接性差，所以主要利用于航空行業(yè)。后者焊接性較好，應(yīng)力腐蝕傾向不明顯，而且焊接3個(gè)月后其接頭強(qiáng)度通過(guò)自然時(shí)效能得到部分恢復(fù)，則廣泛利用于鐵道車輛的制造。

三、鋁合金的焊接性

由于鋁合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列困難，具體有以下幾點(diǎn)：

（一）強(qiáng)的氧化能力

鋁與氧的親和力很大，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密結(jié)實(shí)的γ-A12O3薄膜，在焊接過(guò)程中，γ-A12O3薄膜會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易造成夾渣。而且氧化膜還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。因此，為保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過(guò)程中再氧化，對(duì)熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效的保護(hù)，這是鋁合金焊接的一個(gè)重要特點(diǎn)。

（二）較大的熱導(dǎo)率和比熱容

鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容都很大，約比鋼大一倍多，在焊接過(guò)程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因此，焊接鋁合金比鋼要消耗更多的熱量。

（三）線膨脹系數(shù)大

鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)的體積收縮率達(dá)6.5%～6.6%，容易產(chǎn)生焊接變形。焊接某些鋁合金時(shí)，往往由于過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋，這是鋁合金，尤其是高強(qiáng)鋁合金焊接時(shí)最常見(jiàn)的嚴(yán)重缺陷之一。

（四）容易形成氣孔

焊接接頭中的氣孔是鋁合金焊接時(shí)極易產(chǎn)生的缺陷，氫是熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因，為了防止氣孔的產(chǎn)生，以獲得良好的焊接接頭，對(duì)氫的來(lái)源要加以嚴(yán)格控制，使用前要對(duì)焊接材料進(jìn)行干燥處理。

（五）焊接熱對(duì)基體金屬的影響

焊接可熱處理強(qiáng)化的鋁合金時(shí)，由于焊接熱的影響，會(huì)使基體金屬近縫區(qū)某些部位軟化，即力學(xué)性能變壞。采取的措施主要是控制預(yù)熱溫度和層間溫度，焊后熱處理等。

（六）焊接接頭的耐腐蝕性低于母材

鋁合金接頭的耐蝕性的降低很明顯，接頭組織越不均勻，耐蝕性越易降低。焊縫金屬的純度和致密性也影響接頭耐蝕性能。由于雜質(zhì)較多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蝕性就會(huì)明顯下降，不僅產(chǎn)生局部表面腐蝕而且經(jīng)常出現(xiàn)晶間腐蝕。

（七）合金元素的蒸發(fā)和燒損

某些鋁合金中含有低沸點(diǎn)的合金元素如鎂、鋅等，這些元素在高溫作用下極易蒸發(fā)、燒損，從而改變了焊縫金屬的化學(xué)成分，同時(shí)也降低了焊接接頭的性能。

四、鋁合金在車體上的應(yīng)用

鋁合金車體上承載結(jié)構(gòu)普遍使用的鋁合金主要是A5083、6N01、7N01三種材料。A5083因耐蝕性、焊接性好，但擠壓性能差，所以只能用在骨架及板狀的制件；6N01和7N01鋁合金主要用于鋁型材結(jié)構(gòu)，6N01主要用在車頂、側(cè)墻、底架地板、端墻等受力不大的部件的制造；7N01主要用在牽引梁、枕梁、車鉤座、緩沖梁、高度閥座、抗蛇形扭桿座等受力較大的部件制造。

五、鋁合金焊接當(dāng)中出現(xiàn)的問(wèn)題及防止措施

鋁合金焊接當(dāng)中出現(xiàn)的問(wèn)題主要有焊接缺陷以及變形、接頭強(qiáng)度下降等。

（一）氣孔

1. 產(chǎn)生氣孔機(jī)理

產(chǎn)生氣孔氣體有H2、CO、N2等。N2不溶于液態(tài)鋁，而H2是主要來(lái)源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料以及母材所吸收的水分。其中，焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對(duì)焊縫氣孔的產(chǎn)生常常占有突出的地位。焊接時(shí)，氫在液態(tài)鋁中的溶解度為0.7ml/100g，而在660℃凝固狀態(tài)時(shí)，氫的溶解度為0.04 ml/100g，使原來(lái)溶于液態(tài)鋁中的氫大量析出，形成氣泡，但鋁合金本身導(dǎo)熱性強(qiáng)，散熱快，加上鋁合金熔點(diǎn)低，這些氣泡來(lái)不及逸出，在上浮途中被“擱淺”形成氣孔。如圖1所示。

2. 防止措施

（1）適當(dāng)控制焊接環(huán)境的濕度，提供良好的焊接環(huán)境。

（2）焊前對(duì)焊件應(yīng)認(rèn)真清理氧化膜、潮氣和油污，以防止氣孔的形成。特別需要注意的是機(jī)械加工后焊件上的油污務(wù)必清理好，中小零件最好在配好的清洗溶液里用浸泡的方法徹底清理干凈油污。在現(xiàn)場(chǎng)局部地方需要清理的話，可用丙酮或高純度的酒精。

（3）操作方面：焊接過(guò)程盡可能少中斷，在選擇工藝參數(shù)時(shí)選擇強(qiáng)參數(shù)，使熔池高溫存在時(shí)間增長(zhǎng)，使氣泡盡量快速逸出，減少氫氣孔的產(chǎn)生。如焊立焊縫時(shí)，采用由下向上立焊，由于氣泡逸出通道較短，有利于氣泡逸出，如圖2所示。焊接起弧是由于溫度低，散熱快，起弧點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的氣孔，故設(shè)置引弧板或在焊縫以外的母材上引弧，保證焊縫的質(zhì)量，如圖3所示。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：若坡口角度小，則不利于氣泡的逸出，所以設(shè)計(jì)時(shí)坡口角度稍大一點(diǎn)，有利于氣泡的逸出，減少產(chǎn)生氫氣孔的傾向。

（5）焊接材料方面：Ar氣的純度很重要。純度越高越好，最好是純度達(dá)到99.99%以上。

（二）裂紋

鋁合金焊接易產(chǎn)生焊接結(jié)晶裂紋以及近縫區(qū)的液化裂紋，即產(chǎn)生熱裂紋傾向較大。

1. 產(chǎn)生裂紋機(jī)理

鋁的線膨脹系數(shù)是鋼的2倍多，熱傳導(dǎo)率為將近低碳鋼的5倍，因此，鋁焊接件的焊接應(yīng)力大。另外，合金的成分對(duì)熱裂紋的產(chǎn)生有很大影響。合金成分越高，其裂紋傾向越大。原因是鋁合金熔點(diǎn)低，焊接時(shí)加熱、冷卻過(guò)程均迅速，使合金來(lái)不及建立平衡狀態(tài)，現(xiàn)結(jié)晶的固相中合金含量較少，而液相中含較多的合金元素，以致較少的平均濃度下就出現(xiàn)低熔共晶體。若低熔共晶呈薄膜狀展開(kāi)于晶界面時(shí)，增大裂紋傾向。易熔共晶體的存在是鋁合金焊縫產(chǎn)生裂紋的重要原因之一，如圖4所示。

至于近縫區(qū)液化裂紋，同結(jié)晶裂紋一樣，也是晶間低熔共晶的存在有聯(lián)系，是在不平衡的焊接加熱條件下引起偏析而形成的。

2. 防止措施

（1）選擇合理的母材、焊接材料工藝?？刂迫鄢氐暮辖鸪煞郑瑒t涉及到母材成分以及焊接材料的選擇。實(shí)踐證明， 7000系列當(dāng)中的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的裂紋傾向較大，所以盡量避免采用這種材料作為焊接結(jié)構(gòu)件。實(shí)踐證明，7000系列當(dāng)中的不含銅的Al-Zn-Mg鋁合金（7N01）的焊接裂紋傾向低，焊接性較好，已廣泛使用于鐵道車輛行業(yè)。焊接材料方面，應(yīng)選擇抗裂紋性強(qiáng)的焊絲。

（2）控制熔池溫度?？刂迫鄢販囟确矫妫紫瓤刂骗h(huán)境溫度。外部環(huán)境溫度過(guò)低必然加速冷卻速度，應(yīng)控制在15℃以上，必要時(shí)可以預(yù)熱，但不應(yīng)超過(guò)200℃。其次，通過(guò)調(diào)節(jié)焊接規(guī)范來(lái)控制熔池溫度。線能量過(guò)大變形也大，線能量過(guò)低易出現(xiàn)未熔合；綜合考慮應(yīng)采用稍微偏高的線能量為好。

（3）實(shí)際操作方面：焊接收弧易產(chǎn)生弧坑裂紋，通過(guò)操作者的手法填滿弧坑，盡可能減少裂紋傾向。還有采用引弧、收弧板。眾所周知，引弧、收弧時(shí)最容易出現(xiàn)焊接缺陷，因此干脆通過(guò)引弧、收弧板，直接把這些隱患拉到焊件外，焊后打掉引弧、收弧板。鋁合金焊接應(yīng)養(yǎng)成使用引弧、收弧板的習(xí)慣。如圖5a ，5b所示。短焊縫在中間收弧，防止弧坑裂紋，如圖5c所示。

（三）夾渣

1. 形成氧化膜機(jī)理

鋁本身屬活潑金屬，所以鋁合金表面易形成一層難熔的氧化鋁薄膜。這層氧化膜的熔點(diǎn)達(dá)到2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋁合金的熔點(diǎn)（約660℃）。在焊接過(guò)程當(dāng)中，氧化鋁薄膜會(huì)阻礙基本金屬熔化和融合，而且氧化膜的比重大（約為鋁的1.4倍），不易浮出熔池，造成焊縫夾渣。

2. 防止措施

清除焊件表面的氧化膜。表面清理方法有機(jī)械清理法和化學(xué)清理法兩種。鐵道車輛制造行業(yè)這兩種方法都適用。機(jī)械清理法主要是用打磨機(jī)（電動(dòng)、風(fēng)動(dòng)兩種，風(fēng)動(dòng)較活用）或鋼絲刷、刮刀、銼刀打磨坡口的方法清理氧化膜；化學(xué)清理法不僅清理氧化膜，還要起到清理焊件表面的油污的作用。氧化膜清理之后應(yīng)在6小時(shí)之內(nèi)焊接，不然應(yīng)重新處理。大面積清理氧化膜是鋁合金焊接的重要特征。

（四）易燒穿

1. 易燒穿的原因

鋁合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，不像碳鋼那么明顯，無(wú)明顯顏色變化，所以不易判斷熔池的溫度變化，實(shí)際操作時(shí)不好掌握尺度。另外，溫度升高時(shí)，鋁的機(jī)械強(qiáng)度降低，因此焊接時(shí)易導(dǎo)致燒穿。

2. 防止措施

焊縫背面加墊可防止燒穿。根據(jù)不同情況可選用不同的墊。若采用鋁合金板材（一般2～4mm），則屬于直接斷續(xù)焊而永久性跟著焊接件轉(zhuǎn)到下工序（若需要可以通過(guò)機(jī)械加工的方法加工掉）；若采用不銹鋼棒，則屬于反復(fù)利用回收用的，但相對(duì)裝配要求高；若采用粘貼式陶瓷性的，則焊后報(bào)廢屬于一次性的，操作起來(lái)非常方便。前者適合于單面焊雙面成形；后兩者適合于X形坡口。在鋁合金焊接當(dāng)中常用這三種方法。

（五）咬邊

1. 咬邊原因

焊縫沿著焊趾的母材部位燒熔形成的溝槽或凹陷，如圖6所示。咬邊不僅減弱了焊接接頭強(qiáng)度，而且因應(yīng)力集中容易引起裂紋。原因主要是電流過(guò)大，電弧過(guò)長(zhǎng)，焊槍角度不正確等。

2. 防止措施

選擇合適的焊接電流和焊接速度，電弧不能拉得太長(zhǎng)，焊槍角度要適當(dāng)。

（六）未焊透

1. 未焊透原因

未焊透是指焊接時(shí)焊接接頭底層未完全熔透的現(xiàn)象，見(jiàn)圖7。未焊透會(huì)造成應(yīng)力集中，并容易引起裂紋，重要的焊接接頭不允許有未焊透的現(xiàn)象。原因主要是坡口角度或間隙過(guò)小、鈍邊過(guò)大，焊接工藝參數(shù)選用不當(dāng)或裝配不良等。

2. 預(yù)防措施

正確選用和加工坡口尺寸，合理裝配，保證間隙，選擇合適的焊接電流和焊接速度等。

（七）未熔合

1. 未熔合原因

未熔合是指焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未完全熔化結(jié)合的部分，如圖8所示。未熔合直接降低了接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重的未熔合會(huì)使得焊接結(jié)構(gòu)根部無(wú)法承載。原因：鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，散熱快，加上鋁合金本身熔點(diǎn)低，焊接時(shí)很容易出現(xiàn)不熔合現(xiàn)象。若環(huán)境溫度低，這種傾向更加嚴(yán)重，也是鋁合金焊接當(dāng)中較棘手的難題。

2. 防止措施

（1）控制環(huán)境溫度（最好15℃以上）。

（2）適當(dāng)提高焊接線能量，適當(dāng)控制焊接速度。

（3）可以采取預(yù)熱措施。8mm以上板材采取預(yù)熱（不超過(guò)200℃）措施。

（八）焊瘤

1. 焊瘤原因

在焊接過(guò)程中熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材所形成的金屬瘤焊瘤，不僅影響了焊縫的成型，而且在焊瘤的部位，往往還存在夾渣和未焊透。產(chǎn)生原因是熔池溫度過(guò)高，液體金屬凝固較慢，在自重的作用下形成。

2. 防止措施

根據(jù)不同的焊接位置設(shè)置不同的焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制熔孔的大小。

（九）焊接變形

1. 焊接變形原因

鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，線膨脹系數(shù)大，受熱不均，殘余應(yīng)力大且不均勻分布，很容易產(chǎn)生變形，也是個(gè)頗感棘手的問(wèn)題。

2. 防止措施

（1）設(shè)計(jì)方面：選擇合理焊縫形狀、尺寸、數(shù)量、位置。

（2）工藝方面：反變形法、剛性固定法、選擇合理的焊接方法和焊接參數(shù)、選擇合理的裝配和焊接順序。

（3）實(shí)際操作方面：機(jī)械矯正法、火焰矯正法等。

（十）焊后接頭強(qiáng)度偏低

1. 焊后接頭強(qiáng)度偏低原因

鋁合金供貨時(shí)基本都是經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的，但焊接后高溫下易出現(xiàn)材料的“過(guò)時(shí)效”。這不僅出現(xiàn)在焊縫，熔合區(qū)、熱影響區(qū)也都出現(xiàn)受熱而發(fā)生軟化現(xiàn)象而強(qiáng)度降低，使母材與焊接接頭無(wú)法達(dá)到等強(qiáng)度，只能達(dá)到母材的60%～70%。只有不含銅的Al-Zn-Mg鋁合金（7N01）焊后通過(guò)自然時(shí)效能恢復(fù)部分強(qiáng)度。

2. 防止措施

適當(dāng)控制焊接線能量，但目前要完全恢復(fù)原本強(qiáng)度已不大可能。

（十一）焊縫尺寸不符合要求

1. 原因

主要指焊縫余高及余高差、焊縫寬度及寬度差、錯(cuò)邊量、焊后變形量等不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸，焊縫高低不平，寬窄不齊，變形較大等。焊縫寬度不一致，除了造成焊縫成形不美觀外，還影響焊縫與母材的結(jié)合強(qiáng)度；焊縫余高過(guò)大，造成應(yīng)力集中，而焊縫低于母材，則得不到足夠的接頭強(qiáng)度；錯(cuò)邊和變形過(guò)大，則會(huì)使傳力扭曲及產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成強(qiáng)度下降，如圖9所示。原因是機(jī)械加工精度不夠，坡口角度不當(dāng)或鈍邊及裝配間隙不均勻，焊接參數(shù)選擇不合理等。

2. 防止措施

選擇適當(dāng)?shù)钠驴诮嵌群脱b配間隙；提高裝配質(zhì)量；選擇合理的焊接工藝參數(shù)。

六、結(jié) 語(yǔ)

在鋁合金焊接接頭中，焊縫區(qū)易生成氣孔和結(jié)晶裂紋；母材熱影響區(qū)易發(fā)生軟化；熔合區(qū)則是焊接接頭上最薄弱的環(huán)節(jié)，該區(qū)域內(nèi)存在化學(xué)成分和組織不均勻，存在焊接接頭幾何形狀造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為預(yù)防焊縫氣孔，需采取全工藝過(guò)程中的綜合技術(shù)措施，特別是要徹底清理焊絲和零件焊接區(qū)的表面。為了預(yù)防焊接裂紋（結(jié)晶裂紋和液化裂紋）需選擇化學(xué)成分合適的焊絲、合適的接頭形式和尺寸及合適的焊接工藝，減小結(jié)構(gòu)因素及工藝因素形成的拘束度。未預(yù)防構(gòu)件焊接后發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，應(yīng)預(yù)防焊接缺陷（特別是未焊透、焊接裂紋），改善焊接接頭的性能，消除焊接接頭的應(yīng)力集中（特別是焊縫正反面余高向母材急驟過(guò)渡）。

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