铝合金及其焊接性

铝合金及其焊接性

作者：

单位：天津大学材料成型及控制工程

通讯地址：天津大学材料学院

【摘要】

铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。铝合金在车辆部件中的应用情况、发展趋向及其在组焊中存在很多问题。对铝合金及其异种金属焊接接头进行了焊接性试验研究结果表明，其焊接接头有满意的力学性能、抗裂性及抗应力腐蚀性能，适合用于制造轻轨车辆，航空航天领域的广泛应用。

【关键字】

铝合金焊接性气孔热裂纹等强性

【正文】

虽然已经应用铝及其合金焊成许多重要产品，但实际上并不是没有困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性”【1】等

1.铝合金焊接中的气孔

氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因,已为实践所证明。弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。其中，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水份，对焊缝气孔的产生，常常占有突出的地位。

1.1弧柱气氛中水分的影响

弧柱空间总是或多或少存在一定数量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，可成为焊缝气孔的主要原因。这时所形成的气孔，具有白亮内壁的特征。

1.2 氧化膜中水分对气孔的影响

在正常的焊接条件下，焊丝或工件的氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。而氧化膜不致密、吸水性强的铝合金，主要是Al-Mg合金，要比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。因为Al-Mg合金的氧化膜中含有不致密的MgO，焊接时，在熔透不足的情况下，母材坡口端部未除净的氧化膜中所吸附的水分，常常是产生焊缝气孔的主要原因。

1. 3 减少焊缝气孔的途径

避免熔池吸氢是消除或减少焊接气孔的有效方法【2】。为防止焊缝气孔，可从两方面着手:第一，限制氢溶入熔融金属，或者是减少氢的来源，或者减少氢同熔融金属作用的时间；第二，尽量促使气孔自熔池逸出。为了在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出，这就要改善冷却条件以增加氢的逸出时间Hidetoshi Fujii等在失重条件下进行焊接试验，发现气孔明显较重力下多【3】。

（1）减少氢的来源

所有使用的焊接材料(包括保护气体、焊丝、焊条、焊剂等)要严格限制含水量，使用前均需干燥处理。一般认为，氩气中的含水量小于0.08%时不易形成气孔【1】。（2）控制焊接工艺

焊接工艺参数的影响比较明显，但其影响规律并不是一个简单的关系，须进行具体分析。焊接工艺参数的影响主要可归结为对熔池在高温存在时间的影响，也就是对氢的溶入时间和氢的析出时间的影响。焊接时，焊接工艺参数的选择，一方面尽量采用小线能量以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，同时又要能充分保证根部熔合，以利根部氧化膜上的气泡浮出。所以采用大的焊接电流配合较高的焊接速度是比较有利的【4】。

2. 铝合金的焊接热裂纹

铝及其合金焊接时，焊缝金属和近缝区所发现的热裂纹主要是焊缝金属结晶裂纹，也可在近缝区见到液化裂纹。

2.1铝合金焊接热裂纹的特点

铝合金属于典型的共晶型合金，最大裂纹倾向正好同合金的“最大”凝固温度区间相对应。但是由平衡状态图的概念得出的结论和实际情况是有较大出入的。因此，裂纹倾向最大时的合金组元均小于它在合金中的极限溶解度。这是由于焊接时的加热和冷却速度都很迅速，使合金来不及建立平衡状态，在不平衡的凝固条件下，相图中的固相线一般要向左下方移动，以致在较少的平均浓度下就出现共晶体，且共晶温度比平衡冷却过程将有所降低。至于近缝区的“液化裂纹”，同焊缝凝固裂纹一样，也是与晶间易熔共晶的存在有联系，但这种易熔共晶夹层并非晶间原已存在的，而是在不平衡的焊接加热条件下因偏析而熔化形成的，所以称为晶间“液化”。

2.2防止焊接热裂纹的途径

对于液化裂纹目前还无行之有效的防止措施，一般的办法是减小近缝区过热。对于焊缝金属的结晶裂纹主要是通过合理选定焊缝的合金成分并配合适当的焊接工艺来进行控制。

（1）控制成分

从抗裂角度考虑，调整焊缝合金系统的着眼点在于控制适量的易熔共晶并缩小

结晶温度区间。由于现有铝合金均为共晶型合金，少量易熔共晶的存在总是增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金成分，以便能产生愈合作用。

（2）在焊丝中添加变质剂

铝合金焊丝中几乎都有Ti、Zr、B、V等微量元素，一般都是作为变质剂加入的。不仅可以细化晶粒而改善塑性、韧性，并可显著提高抗裂性能。Ti、Zr、B、V、Ta等元素的共同特点是都能同铝形成一系列包晶反应生成细小的难熔质点，可成为液体金属凝固时的非自发凝固的晶核，从而可以产生细化晶粒的作用。（3）合理选用焊接工艺参数

焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性【5】。减小焊接电流、降低拘束度、改善装配间隙对减小热裂倾向都是有利的。而焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应变速度，而增大热裂的倾向。增大焊接速度和和焊接电流，都可促使增大裂纹倾向。

3.焊接接头的等强性

时效强化铝合金，除了Al-Zn-Mg合金，无论是退火状态下还是时效状态下焊接，若焊后不经热处理，强度均低于母材。所有时效强化的铝合金，焊后不论是否经过时效处理，其接头塑性均未能达到母材的水平【1】。就焊缝而言，由于是铸造组织，即使在退火状态以及焊缝成分同母材基本一样的条件下，强度可能差别不大，但焊缝塑性一般都不如母材。若焊缝成分不同于母材，焊缝性能将主要决定于所用的焊接材料。为保证焊缝强度与塑性，固溶强化型合金系统要优于共晶型合金系统。一般说来，焊接线能量越大，焊缝性能下降的趋势也越大【1】。对于熔合区，在时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，还可能因晶界液化而产生显微裂纹。所以，熔合区的变化主要是恶化塑性。

总之，铝合金应为具有重量轻、抗腐蚀、易成型等优点；随着新型硬铝、超