铝合金焊接接头的设计特点

铝合金焊接接头的设计特点

摘要：就我国社会的不断发展进步，带动了我国各个行业领域进步。相对于钢

制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势。

虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金的结构和焊接制造原则没有

变化，但与传统钢材相比，铝合金在强度、弹性模量、密度、导热系数、热膨胀

系数等方面都有显著的不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分都与钢

接头有较大不同。本文主要关注焊接热影响区强度减弱、焊接接头细节包括坡口

形式、背面保护等问题。

关键词：钢结构；铝合金焊接接头；焊接热影响区；强度下降

引言

随着计算机科技的发展，有限元模拟技术日渐成为预测铝合金焊接残余应力的一种有效

手段，有效提高数值模拟的计算精度是目前面临的主要问题之一，其中材料模型的建立和运

用是解决该问题的重要手段。提出了5052铝合金屈服强度随温度变化的经验表达式，结果

表明屈服强度基于温度的变化对残余应力和变形的计算精度具有重要影响。对2024-T3铝合

金在原始状态和完全固溶状态下的硬度和屈服强度进行线性插值的方式建立了软化模型并将

其运用于FSW接头的残余应力数值计算中，结果表明接头软化导致焊缝中心线处的残余应力出现较大程度的下降。通过高温拉伸试验建立了5A06铝合金基于温度和温度历史的软化模

型并将其运用于航天筒状结构的残余应力模拟，结果表明不同屈服强度的变化过程导致了不

同的纵向应力演变历程。基于数字图像相关技术（Digitalimagecorrelation）获得了2219铝合

金GTAW焊接接头不同区域的局部本构关系，但由于该方法的局限性仅能在断裂位置处获得

完整的应力应变曲线，因此对于接头其他区域还需进一步研究其本构关系从而建立完整的2219铝合金GTAW接头软化模型。由以上研究结果可知，国内外学者大多通过经验公式、数学插值及曲线外延等估算方式建立铝合金接头软化模型，缺乏通过实测的方式获得材料模型，因此建立的材料模型易与实际的材料性能参数存在差异。此外，对于2219铝合金焊接接头

软化模型的研究较少。

1铝合金焊接接头表征的作用

在汽车工业生产过程中，质量安全是非常重要的部分，也是社会重点关注的问题，在汽

车工艺设计生产过程中，要充分权衡车体的整体重量以及安全性。首先需要保障车身结构具

备静态材料力学性能。而焊接工艺技术对保障整个结构安全性有着重要的作用，在实际焊接

过程当中，存在一些缺陷，如焊接热裂纹、不透彻等将会严重影响汽车材质的安全。此外，

焊接工艺技术和方法、材料性能差异性也是其中重要的影响因素，传统力学性能表征不能精

确描述不均匀，因此，进一步探索新材料的表征特性，能够描述材料产生的不均匀性。

2焊接接头的强度设计

铝合金结构中最常用的母材为5系列、6系列、7系列，这些铝合金经过形变强化或者

是热处理强化获得了一定的强度。但焊接热循环过程必然会造成对强化组织的改变，造成焊

接热影响区软化，比如6系列时效强化铝合金，由于强化相粒子在焊接热影响区发生过时效

而粗化，造成该区域软化，所以焊接接头设计时必须考虑焊接热影响区软化造成的强度下降

问题。正是因为以上原因，欧洲规范（EN1999-1-1）中规定，在焊接结构设计中使用形变强

化或热处理强化的铝合金时，焊接热影响区强度下降是允许的。但在供货状态为O（退火）

或F（制造）状态下，其临近焊缝热影响区无强度下降现象，这是因为O或F状态意味着材

料并没有经过形变强化或热处理强化的工艺过程，材料强度仅通过固溶强化获得，焊接热循

环不会破坏固溶强化组织，也就不存在热影响区强度下降的问题。

3设计方法

由于结构形式和尺寸问题，通常无法使用后续热处理的方式解决热影响区强度下降的问题，这就要求结构设计时就应通过强度计算确定热影响区的强度下降将对结构使用产生的影响，并采取相应的措施，比如通过增加材料尺寸的方式解决。从经济角度考虑，整体增加板

厚是不可取的。通常可以通过增加局部板厚的方式解决（见图1），通过挤压成型技术，铝

合金较容易实现板材局部加厚。

6焊缝热裂纹处理

铝合金材料焊接过程中的热裂纹缺陷十分常见，而针对这一缺陷的处理措施也十分多样。首先，铝合金材料虽然会在高温及快速冷却条件下出现应力应变，但只要能够提前通过焊接

实验确定焊接温度等方面的合理参数，并对焊接顺序进行严格规范，焊缝出现热裂纹的几率

仍然是比较低的。其次，针对铝合金材料焊缝结晶裂纹与热影响区液化裂纹，焊接人员可以

根据实际焊接情况对铝合金材料的焊接接头进行改进，以降低应力应变对焊接接头的影响。

最后，还可以在焊接时向添加金属中添加Ti、Zr、V和B等微量元素作为变质剂，这些变质

剂能够形成高塑性的细化晶粒，能够在很大程度上改善铝合金焊缝处的力学性能，使其抗裂

性得到提升，从而避免热裂纹的出

结语

虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金结构的设计和焊接制造原则没有变化。但还是要在设计和制造中，针对焊接热影响区强度减弱、接头细节等设计问题，进行合

理的设计，才能保证结构的使用安全及其制造的经济性。

参考文献：

[1]朱继华，苏玫妮，杨立伟.铝合金结构性能与设计方法研究[M].武汉：武汉大学出版社，2017.

[2]姜澜，王炎金，王宇新.高速列车用6005A合金焊接接头组织与性能研究[J].材料与冶

金学报，2002，1（4）：302-306.

[3]张宏.车用铝合金焊接接头及基本单元件的大变形力学行为研究[D].兰州理工大学，2018.

[4]邓景煜，刘红兵，李昊，等.铝合金T型接头双激光束焊接断裂行为研究[J].航空制造

技术，2017，484（s1）.