铝合金焊接接头的软化及改善措施

区的 软 化 主要 是 由 于在 焊 接 高 温 作 用 下 发 生 “ 时 过 效 ”所致 ，即热影 响区第 二相 （ 强化 相 ）脱溶 析 出并 集 聚长 大 ．使 强化 效果 消 失 ，形 成 “ 时效 ” 软化 ， 过 这也 是在熔 焊条 件下很 难 避免 的 。对于热 处理 强化 铝 合金 ．由于产生 热裂 纹 的倾 向较大 ，为 防止热影 响 区
接 头 强度 Ｅ；另 一方 面 是从 力学 角 度考 虑 ，采 用 时效 ３ ３
强 化 、随焊 碾压 强化 、挤 压强 化 、锤击 强化 、温 差拉
伸 、局 部补 强 等方法 来改 善焊 接接 头 的性 能 ］ 。
０ １ ０ ２ ０
距 离／ ｍｍ
从 冶金 学角 度采 用焊 后热 处理 可使 在焊 接过 程 中
吴志生，靳鹏飞 ，高 珊 ，刘翠 荣 ，赵 菲
（ 原 科 技 大 学 材料 科 学 与 工 程 学 院 ，山 西 太 原 ０ ０２ ） 太 ３ ０ ４
摘 要 ：铝 合金 焊 接 接 头 的软 化 问题 是 铝 舍金 在 焊 接 结 构 中应 用的 一 大 难题 ，故 就 铝 合金 焊 接 接 头 的软 化 问题 及 其 产 生原 因做 了简要 分析 ， 提 出了一 种 采 用深 冷 处理 工 艺来 强化 铝 合金 焊 接接 头的 新 方 法 。 关 键 词 ：铝 合金 ； 焊接 接 头 ；软 化 ； 改善 措 施
中 图 分 类 号 ：Ｔ ４ ７１ Ｇ５ ． ４
文 献标 志码 ：Ａ
铝合金 焊接 线膨胀 系数 大 ，易产 生焊 接变形 ；铝合金
０ 概 述
热导 率 大 （ 为钢 的 ４倍 ） 约 ，相 同焊 接 速度 下 ，热输 入要 比焊接 钢材 时大 ２ ４倍 。 ～ 其 中，铝合 金焊 接接头 产生 软化 ．强度 系数 大大
而造 成 的 。热影 响 区 的峰值 温 度 超 过再 结 晶温度 （ 大
２
・ 题 综述 ・ 专
焊 接 技 术
第３ ９卷第 １ ２ １ 期 ０ ０年 １月
约 ２ ０ ３ ０ｏ的 区域 ）就 产生 明显 的软 化 现象 ，如 图 ０ ～０ Ｃ
１ 示 Ｅ。 所 ２ ３
３ 改 善措施
十分理 想 。
３２ 深冷 处理 ．
深冷 处理是 上世纪 ６ ０年 代 从 普 通 冷 处 理 （ ～ ０
１ ０ｏ ） 的基础 上 发 展起 来 的一 门新技 术 ，是 在 一 ３ ０ Ｃ １０
ｃ ｃ以下对材 料进 行处 理 的一 种方 法 。它 是最 新 的材 料
强 韧 化 处 理 工 艺 之 一 。 深 冷 处 理 可有 效 提 高 钢 铁 金 属 、非 铁金 属及 复合 材料 的力 学性 能 和使用 寿命 、稳
铝 合金具 有 密度小 、比强度 高 、无 磁性 、 良好 的
耐腐蚀 性 、低 温韧 性及 成形性 等 特点 而被广 泛地 应用
于各种焊 接结 构 中 ，成 为理想 的轻 量化 材料 。磁 悬浮 列 车车体 、轻 轨 电车 、全铝 车身汽 车及 各种 航空 航天
降低 ，接头 强度远 低 于母材 ．导 致接 头性 能降低 ．从
求 ，适 合 于 中大型 构件 ，小 型构件 不 宜使用 。 以上 措 施 无 论 是 从 焊 接 工艺 方 面 还 是 焊 后 热 处 理 等 方 面 入 手 ，均 能 在 一 定 程 度 上 提 高 铝 合 金 焊 接
示 为焊 接热输 入对 接头 强度 的影 响［。 ２ ３
接 头 的强 度 ，但 也 存 在 着 一 些 不 足 ，解 决 效 果 并 不
焊 接时 ，接 头强 度严重 低 于母材 。对 于热处 理强 化铝
合 金 ，无 论是 在退 火 状 态下 还 是在 时 效 状态 下 焊接 ，
１ 铝合金 焊接 中存 在 的问题
焊 后若 不经过 热处 理 ，接头 强度均 低 于母材 ，特别 是 在 时效 状态下 焊 接 的硬 铝 ，即使 焊后 经过人 工 时效处 理 ，接 头强度 仍 不超 过母 材 强度 的 ６ ％Ｃ。 由于发 生 ０ 软 化 ，接头强 度 降低 了很 多 。达不 到 与母材 等强 的要 求 ，从 而影 响了整 个工 件 的使 用 寿命 。 ２１ 非热处 理强 化铝 合金 的接 头软化 ．
收 稿 日期 ：２０ — １ １ ０９ １－ ５
非 热处 理强 化铝 合金 焊接 接头 软化 主要 是 由焊 接 热 影 响 区晶粒粗 大和 焊接 接头局 部冷 作硬 化效 果消 失
基 金 项 目 ： 山 西 省 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ｏ ９ １０ ８ ２ ； 山 ２ ｏ０ １２ — ） 西 省 留学 基 金 资 助项 目 （０ ６ ０ ；中 国焊 接 学 会 创 ２０ ８） 新 思 路 预 研 奖 学 金 （ ｒＩ０ ９ ０ ５ ＵＩ１ ０ ｏ ６ ） Ｔ ２
钢 ，硬质合 金 ，铝 合金 等非 铁 金属材料 的深冷处 理研 究较少 。本 文针对 铝合 金 焊接 接头 的软化采 用深 冷处 理技术使 其 强化 ．在 国 内外 研究 中尚属 空 白。 笔 者对 ５ ０ Ａ ６铝 合金 ＭＩ Ｇ焊焊接 接头 做 了深 冷处
理 试 验 ，研究 发 现 。深冷 处 理后 ．５ ０ Ａ ６铝合 金 焊 接 接 头力学性 能得 到显 著 改善 ，抗拉 强度 提高 ，硬 度有 所 降低 ，焊缝 区 晶粒 得 到细化 ，第 二相 在基体 中弥散
而 ．在 一定 程度上 限制 了铝 合金 在焊 接结构 中的广泛
轻量 化装 备等 ，均采 用 铝合金 代替 钢材 料焊 接 ，在相
同 刚 度 和 强 度 要 求 下 ，结 构 质 量 可 减 轻 ６ ％左 右 ， ０
可大 大实现 产 品结构 的轻量 化 ，节约 材料 。
应 用 。为此 ，本 文针对 铝合 金焊 接接 头 的软化 问题及 其产 生原 因做 了简要 分析 。并 就铝 合金 焊接 接头 的软
用 于薄壁 焊 接结构 件 ，应用 受 到较 大 的限制 ；随 焊锤 击 可改善 薄板 结构 焊缝 及焊 趾 的力学 性 能 ，但 由于锤
２２ 热处 理强 化铝 合金接 头 的软化 ． 热处 理强 化铝合 金 焊接后 接 头会产 生 明显 的软化
现象 ．其 原 因主要是 由于焊缝 和热影 响 区 的组 织 与性 能在 焊接 高温 环境影 响下 发生 变化 而引 起 的。热影 响
容 易 出现焊 接变形 和存 在残余 应 力 ，同 时 由于在 焊缝 和熔合 区中存在 重结 晶及热 影 响区 晶粒 的粗化 ，造成 焊接 热影 响 区软 化 ，且 焊缝 的最终 组 织 为铸 态 组 织 ，
易形成 气孔 、缩松 等缺 陷 ，致 使 焊接接 头强 度大 大 降 低 。严重 影 响构件 的使 用性 能 。
・ 题综 述 ・ ３ 专
破 坏工件 、无 污染 、成本 低 。 目前 ，国内外对 工模 具 钢深 冷处理 的研 究较 多 ，其性 能改善 显著 ，而 对结 构
冷 处 理 的焊 接 接 头 相 比 ，抗 拉 强 度 提 高 了 １ ． ％。 ５２ ５ 深 冷处 理 ８ｈ后 ，相对 于 深冷 处理 ４ｈ的试 样 ，其 强
研 究 表 明 ，铝 合 金 焊接 中 主 要存 在 以 下 几 大 难 点 ：铝合金 焊 接接头 软化严 重 ，强度 系数 低 ；铝 合金 表 面易 产生 难熔 的氧化 膜 （ １ ，需采 用 大 功率 密 Ａ ） Ｏ 度 的焊 接工 艺 ；铝 合金 焊 接容 易 产 生气 孔 和 热 裂纹 ；
减 弱或 消失 的热处 理 强化 效果 得到 一定 恢复 ．但 其 只
圈 １ 冷 作 硬 化 铝 合 金 接 头 软 化 与峰 值 温 度 的关 系 （ — ＡＩＭｇ合 金
产生 软化后 ，焊 接接 头 的硬度 大为 降低 ，甚 至抵 消 了冷作硬 化 的强化效 果 。因此 ，焊 前母 材冷作 硬 化
度 有所 降低 。 由 于本 次 试 验 过 程 中深 冷 处 理 的 时 间
并 不充 分 长 ，所 以长 时 间深 冷 处 理 后 的 强 度 是 否 会
明显 降低 还不 能确 定 。
表 １ 未 深 冷 处理 和 深冷 处 理 ５ ６铝 合 金 焊 接 接 头 拉 伸 试 验 结 果 Ａ０
Ｗｅ ｉ ｅ ｈ ｏ ｇ ｏ ３ ｏ１ Ｊ ｎ ２ １ ｌ ｎ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ Ｖ １ ９ Ｎ ． ａ ． ０ ０ ｄ ｇ ｏ ．
文章编号 ：０ ２ ０ ５ （０ ００ － ０ １ ０ １０ — ２ Ｘ２ １）１ ０ ０ — ４
・ 题综述 ・ １ 专
铝 合 金 焊 接 接 头 的 软 化 及 改 善 措 施
３１ 常用 改善措 施 ．
目前 ，国 内外 对 铝合金 焊 接接头 强 化 的研 究 主要
集 中在两 个方 面 ：一方 面是从 冶 金学 角度 考虑 ，采 用 焊接 热模 拟 的方法 ，通 过改 变 焊丝 的成分 、进 行 热处
理 等方法 研究 和改 善焊 接接头 区的组 织 和性 能 ，提高
效 果 可能会 全部 消失 。
化 ，使 晶粒粗 化 ，降低 接头 强度 ；随焊碾 压可 降低 焊
缝 及 近缝 区 的 残余 应 力 ，但 其 由 于靠 轮 轴 传 递 碾 压
力 ，而碾 压轮 尺寸 较大 ，与 焊枪互 相 干涉 ，容 易产 生 打弧 现象 ，加之 设 备庞 大很难 用 于实 际生产 ；随焊旋 转 挤压 能够 降低 接头 残余 应力 和变形 ，但此 方法 只适
的程 度越高 ，焊 后接 头 的软化程 度就 越严 重 ，这种 软
适 合 于小型 焊件 ，且 易产 生较 大变 形 ，应用 受到 一定
限 制 。从 力学 角度 采用 的 时效强 化 ，在一 定 范围 内可 提 高 接 头 强度 ，但 此 种 方法 也 易 出 现 “ 时 效 ” 软 过
化现 象在熔 焊条 件下 是不 可避免 的。尤其 是对 经冷 作 硬化产 生强 化效 果 的薄板铝 合金 的焊接 ，焊后其 强化
２ 焊 接接 头软化 的原 因
铝及 铝合金 焊接 后 ，存在 着不 同程度 的接 头软 化 问题 ，特别 是热 处理 强化 铝合 金 的焊接接 头 软化 问题 尤为严 重 。非热 处理 强化 铝合金 ，在 退火状 态 下焊接 时 ，接 头 与母 材 基本 上是 等强 的 ；在 冷作 硬化状 态下
的软化 ．焊 接时应 采用 较小 的焊 接热输 入 ，以减 小热 影 响 区的高温 停 留时 间 ，避免 晶粒 在焊 接高 温下再 次
长 大而形 成较 大 的粗 晶区 ，产 生接 头软 化 。如 图 ２所
尖 直 接 锤 击 在 焊 道 两侧 和 焊 道 表 面 ，所 以 锤 击 面 粗 糙 ，且需 要 附加装 置 ，控制 比较 复杂 ；温 差拉 伸法 生 产效 率低 ，成 本较 高 ，工作 环境 差 ，使用 不方 便 ，而 且 由于其 加大 了焊 缝 区的横 向收 缩 ，不适用 于 封 闭焊 缝 的焊接 ；局 部补 强可 使构 件总 承载 能力 达到设 计要
化 问题提 出 了一 种采 用深 冷处 理工 艺 的强 化措 施 ，以
铝合金 具有 优 良的导热 性 能 ，在 焊接 铝合金 时必 须 有较 大 的热输入 ，方能形 成 良好 的焊接熔 池 。在焊
提高 焊接 接头 强度 。
接 过 程 中 ，由于 热输 入 较 大或 焊接 工 艺 不 当等 原 因 ，
热 输 入 ／ｋ ・ｍ ） （Ｊｃ 图 ２ 焊 接 热 输 入 对 铝 合 金 接 头 强 度 的 影 响
定 尺 寸 、改 善均 匀性 、减 小变 形 ，而且 操作 简便 、不
Ｗｅ ｉ ｅ ｈ ｏ ｇ ｏ．９ ｏ１ Ｊ ｎ ２ １ ｌ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｖ １Βιβλιοθήκη Baidu Ｎ ． ａ ． ０ ０ ｄ ｇ ｏ ３