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鋁合金電弧焊接頭工藝設(shè)計(jì)的討論

王心紅路浩邢立偉張合禮

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目前鋁合金焊接接頭力學(xué)行為與焊接方法、工藝設(shè)計(jì)密切相關(guān)程度認(rèn)識不深，對焊接接頭分區(qū)、焊縫冶金、接頭力學(xué)行為與方法、工藝密切相關(guān)的程度等方面的特征進(jìn)行總結(jié)。指出鋁合金焊接工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素及其對力學(xué)性能重要影響的原因?？刂茻彷斎?、制定合理焊接工藝、設(shè)計(jì)合理的焊接接頭、合理控制焊接接頭組織對于提高厚板鋁合金焊接接頭力學(xué)性能具有重要意義，在盡量降低熱輸入條件下減少焊道交接面，有利于焊接接頭綜合性能提升；進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要完善的材料制備、環(huán)境測試、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞評估等標(biāo)準(zhǔn)體系。

鋁合金焊接工藝設(shè)計(jì)力學(xué)性能

0 序 言

隨著中國航空航天等國家重大項(xiàng)目的實(shí)施，輕金屬在提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本方面的獨(dú)具優(yōu)勢，成為國家重點(diǎn)發(fā)展與應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)材料[1-2]。由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度，輕金屬(鋁、鈦、鎂合金等)及其焊接結(jié)構(gòu)的使用成為減輕整體結(jié)構(gòu)重量、提高能源利用效率的有效途徑之一[3-4]。

焊接是輕金屬結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵工藝之一，隨著日益嚴(yán)格的服役環(huán)境和高可靠性的需求，對焊接技術(shù)的同步發(fā)展也提出了更高要求[1]。目前，熔化焊和固相焊是輕金屬焊接的主要方法。日益嚴(yán)格的服役環(huán)境和高可靠性需求，對焊接接頭安全性設(shè)計(jì)也提出了更高要求。根據(jù)材料種類不同、服役環(huán)境不同、生產(chǎn)節(jié)拍不同，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)。但是目前國內(nèi)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝試驗(yàn)、焊接冶金及組織分析、焊接質(zhì)量檢驗(yàn)等方面的認(rèn)識不足，以及激光復(fù)合焊、攪拌摩擦焊、激光焊等新技術(shù)工程化應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)性的要點(diǎn)認(rèn)識不深[5-7]。針對以上問題，文中系統(tǒng)總結(jié)了鋁合金焊接工藝的特征，并對下一步工作方向提出了建議。

1 鋁合金焊接工藝認(rèn)識概況

目前鋁合金焊接存在[8-10]：

(1)分區(qū)過于粗糙、簡單，組織與力學(xué)性能不均勻性認(rèn)識不夠。

(2)焊縫冶金的復(fù)雜性認(rèn)識低。焊道界面、晶粒取向、交界、晶內(nèi)枝晶、枝晶氣孔形態(tài)、析出相變化等認(rèn)識不足。

(3)焊接接頭力學(xué)行為與方法、工藝密切相關(guān)的程度、基本規(guī)律認(rèn)識不清。首先，焊道布置、焊接坡口設(shè)計(jì)試驗(yàn)依據(jù)不充分。其次，焊道設(shè)計(jì)參數(shù)、焊接工藝參數(shù)與焊接接頭屈服、抗拉、疲勞，耐腐蝕性能之間的聯(lián)系規(guī)律不清晰。再就是鋁合金焊接的基本原則有爭議，大電流、快速焊與小電流、慢速焊的區(qū)別，厚板是否預(yù)熱，蓋面是否擺動(dòng)等認(rèn)識存在爭議。

(4)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的寬泛。表現(xiàn)為坡口、間隙等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)寬泛。

(5)預(yù)測鋁合金焊接結(jié)構(gòu)斷裂與疲勞壽命的理論和技術(shù)尚不完善。焊接工藝、接頭組織與性能、整體焊接結(jié)構(gòu)性能與壽命關(guān)系不清楚，輕金屬焊接接頭斷裂與疲勞破壞機(jī)理及其對整體焊接結(jié)構(gòu)失效的影響尚不完全清楚，也缺乏相應(yīng)的評價(jià)方法[1-2]。鋁合金焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則需提升。

因此開展輕金屬焊接力學(xué)行為相關(guān)理論基礎(chǔ)研究對于分析焊接接頭力學(xué)特點(diǎn)、優(yōu)化焊接方法和工藝、提高焊接接頭力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)整體服役性能具有重要的指導(dǎo)作用[1-2]。

2 鋁合金焊接工藝關(guān)鍵特征

2.1 鋁合金焊接過程特征

焊接過程是個(gè)熔化、凝固的過程，其主要特征為溫度變化的速度快、非平衡條件下的不均勻性。熔化和凝固在某一溫度區(qū)間發(fā)生，焊絲、母材的熔化開始溫度，結(jié)束終了溫度不同。例如某系列鋁合金組合的凝固溫度區(qū)間：焊絲575～667 ℃，母材611～670 ℃，如圖1所示。焊絲最后凝固，這是抵抗熱裂紋的關(guān)鍵因素。低應(yīng)力焊絲承受更低的殘余應(yīng)力，熱裂傾向低。

圖1 焊接過程的熔化與凝固

液相線溫度(Liquidus)、共晶線溫度(Eutectic)之間分為下述幾個(gè)過程：①凝固剛開始，枝晶可以自由移動(dòng)，外界的收縮變形可以通過液體金屬流動(dòng)或晶粒的重新排列補(bǔ)償；②枝晶可以互相接觸，液態(tài)金屬包圍枝晶周圍，自由流動(dòng)抵消外界變形(Coherency過程)。此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變可以保持、傳遞，被認(rèn)為是累積應(yīng)變的開始時(shí)間；③枝晶骨架稠密，阻礙枝晶周圍液體金屬的自由流動(dòng)，枝晶周圍液體金屬變?yōu)楸印Ｗ杂傻囊耗た梢宰杂闪鲃?dòng)；④最終階段，固固界面增加，液體薄膜變?yōu)楦髯元?dú)立的類似口袋部分(Coalescence階段)。在上述過程中自由的液膜流動(dòng)受阻，塑性應(yīng)變可以積累，液相金屬的流動(dòng)壓力下降，被認(rèn)為是熱裂紋的開端。自由的液膜流動(dòng)不受阻，就不產(chǎn)生熱裂紋。

圖2為焊縫區(qū)域的縱向冶金剖面，可以看到熔池及后方的區(qū)域非常復(fù)雜，根據(jù)溫度的不同分為多個(gè)區(qū)域。液相線溫度焊絲低于母材(TLW

焊接過程中(熱裂紋形成)拘束、熔合比、降溫速率等因素發(fā)揮重要的作用，實(shí)際是工藝制定的問題，影響到了關(guān)鍵的焊縫冶金成分及性能。

2.2 焊接接頭分區(qū)

根據(jù)組織演變及熱循環(huán)特征，鋁合金焊接接頭分為：焊縫、未混合區(qū) (UMZ)、部分熔化區(qū)(PMZ)、真實(shí)熱影響區(qū)和母材等區(qū)域。

對于鋁合金焊接，焊接速度、焊接參數(shù)的匹配決定了熔池形狀，由此決定了焊縫組織中晶粒的大小和晶粒生長方向。溫度梯度G、生長速率R決定了凝固顯微組織特征。從熔化邊角到焊縫中心，G/R比值逐漸降低，焊縫組織特征，焊縫熔化區(qū)中凝固方式由平面、包狀、柱狀、等軸晶生長演變[11]。G×R決定了焊縫凝固組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，一次枝晶和二次枝晶間距[11]。

圖2 焊縫區(qū)域的縱向冶金剖面

未混合區(qū)UMZ為熔化后重新凝固的母材金屬，并未與焊縫金屬充分混合[11]。使用與母材成份差異較大的焊絲時(shí)，未混合區(qū)的成份與性能及焊縫區(qū)(熔融區(qū)、混合區(qū))差異非常明顯[11]。

部分熔化區(qū)易形成晶界液化現(xiàn)象，在科勒試劑腐蝕時(shí)易誤判為裂紋，晶界液相呈現(xiàn)朝焊縫方向的定向凝固[11]。部分熔化區(qū)PMZ定義為焊縫鄰近區(qū)域發(fā)生晶界液化的區(qū)域。合金元素遷移擴(kuò)散偏析引起的成份液化擴(kuò)大了母材金屬的熔化溫度區(qū)間，液相線和“有效”固溶線的寬度反映了部分熔化區(qū)PMZ的寬窄。

真實(shí)熱影響區(qū)處于部分熔化區(qū)PMZ和母材之間，無熔化和凝固反應(yīng)，只發(fā)生固相反應(yīng)，包括：重結(jié)晶、晶粒長大、析出和固態(tài)相變[11]。熱輸入和散熱影響熱影響區(qū)的尺寸和特性。低熱輸入和高熱擴(kuò)散系數(shù)形成窄熱影響區(qū)，高熱輸入和散熱條件不良時(shí)形成寬熱影響區(qū)[11]。熱影響區(qū)強(qiáng)度對鋁合金接頭性能有重要影響。

接頭分區(qū)中晶粒取向、晶界交界、晶內(nèi)枝晶大小、枝晶氣孔形態(tài)等是非常復(fù)雜的。焊道界面、晶粒取向、交界、晶內(nèi)枝晶、枝晶氣孔形態(tài)、析出相變化等對最終的接頭性能影響很大。對于厚板多層多道焊接接頭，焊道交界處、焊縫區(qū)的焊接缺陷也是薄弱地帶，如圖3所示。

2.3 接頭各區(qū)冶金

鋁合金的相極為復(fù)雜，按生成溫度鋁合金的相分成3類，即結(jié)晶相、沉淀相和時(shí)效相。在合金結(jié)晶開始和結(jié)晶終了溫度范圍內(nèi)生成的粗大化合物即第一類質(zhì)點(diǎn)，稱為結(jié)晶相。該相尺寸為0.1～0.30 μm，如：(CuFeMn)Al6,MgZn2,(FeMn)Al6。按結(jié)晶時(shí)的反應(yīng)類型，結(jié)晶相又可以分為：初晶相、共晶相、包共晶生成物、包晶生成物。在低于結(jié)晶終了溫度、高于時(shí)效溫度的溫度區(qū)間內(nèi)形成具有中間尺寸的質(zhì)點(diǎn)為沉淀相，即第二類質(zhì)點(diǎn)。該相尺寸為0.01～0.5 μm，如： Al20Cu，MnAl6。在時(shí)效溫度下沉淀的微細(xì)質(zhì)點(diǎn)，即第三類質(zhì)點(diǎn)，尺寸一般為0.001～0.1 μm，過時(shí)效時(shí)，晶界可出現(xiàn)1 μm的粗大質(zhì)點(diǎn)。

析出相在各溫度范圍存在形式不同，熱影響區(qū)各部位距離熔合線遠(yuǎn)近不同，經(jīng)歷熱循環(huán)曲線不同，因此冷卻時(shí)熱影響區(qū)各部位強(qiáng)化相析出程度或長大程度取決于焊接過程中經(jīng)歷的冷卻速率及焊前成份，其焊后狀態(tài)決定了熱影響區(qū)的硬度、強(qiáng)度等性能[11]，并對長期使用穩(wěn)定性有重要影響，如圖4所示。

圖3 鋁合金焊接接頭典型分區(qū)

圖4 鋁合金焊接接頭組織演變

對某焊接方法接頭組織各分區(qū)析出相進(jìn)行觀察，如圖5a～5b所示。不僅強(qiáng)化相大小、分布狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，而且晶界之間無析出帶(PFZ)也發(fā)生了明顯變化，這些將顯著改變不同區(qū)域的耐腐蝕性能。同樣，觀察不同焊絲種類焊縫內(nèi)部的金相照片，單位面積的蝕刻坑(蝕刻坑密度)反映出晶體點(diǎn)陣中的位錯(cuò)密度，如圖5c～5d所示。

2.4 焊接接頭力學(xué)行為與方法、工藝密切相關(guān)程度

目前國內(nèi)鋁合金焊接工藝研究基礎(chǔ)薄弱，焊接接頭組織演變規(guī)律欠缺[12]。合理的焊接工藝及焊道布置，對于焊接質(zhì)量提升極為重要。傳統(tǒng)的認(rèn)為采用多焊道布置，降低每層焊道的焊接熱輸入，提升焊接接頭性能[12]。也有部分觀點(diǎn)認(rèn)為鋁合金宜采用大電流、快速焊，以降低厚板焊接中的未熔合[12]。

焊接接頭力學(xué)行為與方法、工藝密切相關(guān)的程度認(rèn)識不深，基本規(guī)律認(rèn)識不清，主要表現(xiàn)為：①焊道設(shè)計(jì)：坡口、間隙隨意要求；②忽視鋁合金焊接的熔透特點(diǎn)：根部熔透性差；③焊接接工藝：擺動(dòng)、焊速、電流、焊道匹配欠佳；④焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：忽視結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、焊接工藝的適應(yīng)性；⑤忽視數(shù)字化電源的復(fù)雜性，雙弧、復(fù)合焊等技術(shù)的難度。

圖5 鋁合金焊接接頭薄弱區(qū)域

焊道較少時(shí)，焊槍進(jìn)行周期圓圈型擺動(dòng)，以保證熔化金屬填充，圓圈形擺動(dòng)路徑使周期性的二次加熱區(qū)位于焊縫的一側(cè)，從而使焊接過程中的溫度場隨焊接過程的進(jìn)行呈現(xiàn)周期性變化，二次加熱區(qū)出現(xiàn)溫度場的峰值[12]，如圖6a所示。焊槍采用擺動(dòng)工藝焊縫經(jīng)歷的溫度峰值高，且擺動(dòng)工藝電弧靠近坡口邊緣，可使母材的熔化量更多。 擺動(dòng)焊確實(shí)可在一定程度上提高效率，但是擺動(dòng)幅度和停留時(shí)間應(yīng)該限制在一定范圍以內(nèi)，否則就可能造成拉伸、疲勞等性能下降。

已有數(shù)據(jù)證明，針對鋁合金厚板焊道設(shè)計(jì)，4層4道拉伸力學(xué)性能最優(yōu)；3層4道接頭疲勞性能最優(yōu)，綜合力學(xué)性能最好；3層3道疲勞性能、抗拉性能最低[12]。母材、焊接條件、焊絲、拘束度、熔合比及稀釋率、層間溫度和對力學(xué)性能的關(guān)系極為密切，如圖6b所示。

2.5 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)分析

現(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)較大坡口,間隙寬泛，焊道深寬比等細(xì)節(jié)不清，GB/T 25343.3—2010《軌道車輛及其零部件的焊接第3部分：設(shè)計(jì)要求》等互相引用，更為寬泛。例如標(biāo)準(zhǔn)ISO 9692-3—2000《焊接及相關(guān)工藝——推薦的焊接坡口》中厚度12 mm，單HV坡口，未考慮余高，不同間隙量進(jìn)行的金屬填充量見表1?？梢钥吹?，對比不同間隙的焊接填充量差別很大，影響到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的總體熱輸入、焊后矯形量和熱裂紋的解決措施，因此對于鋁合金的焊道設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

圖6 鋁合金焊接接頭設(shè)計(jì)與力學(xué)性能

間隙d/mm金屬填充量/mm235°45°55°半U(xiǎn)274.496126.8—386.4108138.8—498.4120150.8126

3 焊接工藝設(shè)計(jì)

目前鋁合金弧焊工藝設(shè)計(jì)存在：①焊縫設(shè)計(jì)只考慮尺寸設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)寬泛不完善，不考慮焊縫尺寸的工藝設(shè)計(jì)；②焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)與整體結(jié)構(gòu)受力缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算。

根據(jù)行業(yè)承載特征、運(yùn)營環(huán)境特征，針對特定目的來設(shè)計(jì)焊接工藝。產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)流程應(yīng)分解到接頭設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)。按照材料種類不同、服役環(huán)境不同、生產(chǎn)節(jié)拍不同，進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的正向設(shè)計(jì)。依據(jù)接頭設(shè)計(jì)、力學(xué)性能、制造工藝、結(jié)構(gòu)損傷、服役性能建立關(guān)聯(lián)的基本準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)最優(yōu)質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

通過以上討論及歸納，控制熱輸入，制定合理焊接工藝，設(shè)計(jì)合理的焊接接頭，合理控制焊接接頭組織，對于提高厚板鋁合金焊接接頭力學(xué)性能具有重要意義。在盡量降低熱輸入條件下減少焊道交接面，有利于焊接接頭綜合性能提升。蓋面避免焊槍擺動(dòng)有利于提高接頭疲勞性能。對下一步工作進(jìn)行展望：

(1)鋁合金焊接接頭設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與其力學(xué)性能之間關(guān)聯(lián)緊密，對于重大裝備，需要進(jìn)行踏實(shí)、持續(xù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)試驗(yàn)工作。

(2)弧焊接頭性能設(shè)計(jì)需要考慮接頭熔合比、強(qiáng)化析出相變化等多方面因素。

(3)進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)科學(xué)的正向設(shè)計(jì)，需要完善的材料制備、環(huán)境測試、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞評估等標(biāo)準(zhǔn)體系。

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2016-09-05

十二五國家科技支撐計(jì)劃高速列車綜合節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與集成應(yīng)用項(xiàng)目(2013BAG24B02)

TG431

王心紅，1962年出生，大學(xué)本科，高級工程師。主要從事高速動(dòng)車工藝設(shè)計(jì)、研發(fā)及工藝規(guī)劃工作，已發(fā)表論文8篇。