焊接工艺对铝合金焊接性能的影响

焊接工艺对铝合金焊接性能的影响

摘要：随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产

品所使用的材料及性能提出了更高的要求。同时降低能源消耗、减少环境污染、

节约地球有限资源成为产品设计师面临的十分重要与紧迫的任务，在这一背景下，具有优良物理、化学特性的铝及铝合金受到了越来越多的关注。

关键词：焊接工艺；铝合金焊接

铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易进行表面处理、

良好的加工成型性以及高回收再生性等。铝在地球中的储量极其丰富，仅在氧和

硅之后蕴藏量居第三位。因此，在工程领域内，铝一直被认为是“机会金属”、“希

望金属”，铝工业则一直被认为是“朝阳工业”。

近40年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种

结构方面的应用在不断扩大。随着铝合金的生产技术的完善成熟和生产成本的不

断降低，铝合金在各个领域的广泛应用推动了铝合金产业的发展，铝合金正在成

为代替钢材作为结构材料的理想材料，也是当今所需要的节能、环保绿色材料。

该系合金虽是非热处理气强化的材料，但因它们不易产生热裂纹而作为可热处理

强化合金的重要填加材料使用。此时，根据基体金属的具体情况，将与基体金属

的合金成分组成新的合金，往往可使焊缝金属具有可热处理强化合金的特性。在

这种情况下，可以通过重新热处理的方法来提高焊接接头的机械性能，但是，焊

接接头的延伸率和韧性却会降低。

1焊接方法的选择

铝合金焊接方法主要有气焊、氢弧焊、电阻焊、电子束焊、电渣焊和钎焊等。气焊是最早用来焊铝的方法之一，在某些器具和装饰性产品上仍然用气焊这种方法，但必须采用焊剂；氢弧焊，如手工钨极氢弧焊、熔化极半自动氢弧焊是当前

应用最广泛的焊接方法；电阻焊对高强度的可热处理强化合金的焊接特别有用；

电子束焊能量密度高，穿透性能强，热影响区非常小，可对大厚度的铝合金进行

施焊，焊后接头力学性能良好，但焊接可热处理强化合金时易产生裂纹；大厚度

铝件采用电渣焊很有成效；大多数铝合金均可进行钎焊，可以采用钎焊料或硬钎

焊片进行炉中钎焊、火焰钎焊、浸渍钎焊和真空钎焊等。

考虑到当前焊接铝合金等有色金属所采用的普遍焊接工艺方法存在的普遍缺陷，比如裂纹缺陷、场地限制等，所以文章主要推荐的是钨极氩弧焊工艺焊接法。该焊接工艺应用较为广泛，主要原理是通过氩气隔绝空气效果，由于其本身不融

于金属，具有不能产生其他化合物的特性，所以其电弧清除焊接工件的氧化膜效

果较为可靠，能够对易于氧化的铝合金予以成功焊接，具有良好的电弧稳定性，

甚至在较为微小的电流下仍能维持燃烧状态，对诸如超薄合金板的焊接效果较为

理想。因此，选用该焊接工艺时，可以着重考虑焊接工件的厚度及接头调整参数等。

由于铝合金本身的化学活泼性表现明显，所以其金属材料发生化学反应的可

能性较高，在焊接时特别容易和空气中的水分加以产生氧气反应。因此，考虑到

采用钨极氩弧焊的作业焊枪其保护范畴较小，可能影响到焊缝金属保护效果，处

于热影响区受热作用下易与空气发生气体反应，在焊接时产生气孔或其他氧化物

等缺陷。基于此，一般采用该焊接工艺会在焊接工件上设置必要的保护气罩，使

其自气罩出来的气体能够回流到焊件周围形成一个立体空间的氩气保护氛围，故

此能够降低空气对其焊接工艺表现出的气孔或氧化物等缺陷影响。

2焊接材料及工艺应用对铝合金焊接性能的主要影响

2.1焊接接头裂缝及其主要特征

由于铝合金材料应用在焊接工艺下的材料种类差异性存在，以及采取的焊接

工艺性质不同，所以在其焊接接头中可能会表现出诸多形式上的各类缺陷裂纹。

这些裂纹缺陷分布特征相对复杂，主要结合生产需求不同将其划分为两种裂纹缺

陷方式：

一类属于焊缝金属裂纹，主要有横向或纵向裂纹、弧坑裂纹、弧状裂纹、以

及多层焊接时的显微裂纹等缺陷形式。

二是焊接工艺操作时的热影响区裂纹。这种裂纹缺陷主要有焊趾裂纹、熔合

线区域内的显微裂纹、以及层状结构裂纹等。同时，这些裂纹结合热影响区又可

以分为热裂纹与冷裂纹。比如，热裂纹一般是在高温作业下通过晶界上合金金属

偏析或者存在一些熔点较低的物质引起的。当然，考虑到金属材料差异性存在，

其实际上产生的裂纹形态也表现不同，即在裂纹表现形态上又可以分为结晶、液化、多边化裂纹等。热裂纹中主要以结晶裂纹为主，它一般是在焊缝结晶过程时，基于在固相线区域内的凝固金属收缩，并且又没有多余液体金属加以填充，所以

则在凝固收缩作用下促成了沿晶开裂；发生这种现象多以一些低碳合金钢为主；

再如，液化裂纹的形成也与其金属收缩应力作用相关，即在其加热到高温时发生

晶界凝固而产生液化裂纹。

2.2热裂纹产生的过程及其机理

焊接过程可以说是一种矛盾的工艺加工过程，在其焊接作业过程中许多不平

衡的工艺综合杂糅到一起，故而造成了焊接接头、金属冶金、及力学作用的综合

表现。换言之，铝合金在焊接工艺下的冶金过程属于物理、化学及材料组织上的

综合反应过程，其中夹杂着熔渣、气体成分等。所有这些现象发生，都会存在着

裂纹的形成动机，但去裂纹型号曾最为紧密关联的则属于冶金因素。事实上，从

力学角度来看，焊接工艺属于热循环状态，在这种状态下其共同存在着温度梯度

变化与对应的冷却速度变化，焊件在一定作业条件下其接头始终保持应力到应变

的这一变化形态，所以则为裂纹的形成提供了契机与必要条件。

因此，在焊接过程中，要控制冶金因素及力学应力变化过程下所出现的裂纹

缺陷，应能考虑金属材料的强化与弱化关系。比如，在冷却时期，焊接接头属于

一种对外建立的强度联系。如果，此时在作业条件下保持其能够顺从应力变化，

使其焊缝和焊缝区的材料工件能够承受其内在应力与残存应力，就不会造成裂纹

出现。反之，当工件不能承受其应力变化作用时，其材料强度联系就会中断，故

而促成裂纹缺陷发生。同样，随着温度的逐渐冷却，冶金及力学因素也会对应发

生改变，在不同温度区域内其接头金属表现的强度也不同，比如结晶温度区间较大，且固相线温度低时，其晶粒间在残存的低溶液态金属处则更容易造成应力集中，致使其出现固相金属裂纹。因此，针对于此，实际焊接合金材料时应能综合

考虑接头裂纹缺陷形成条件等，以选用适宜的焊接工艺及材料。

3结语

基于铝合金自有的焊接优越性能存在，所以在各领域中得到的广为应用。并且，随着如今焊接工艺技术的持续发展与快速进步，铝合金的焊接构件使用需求