中国中车长春轨道客车股份有限公司 吉林省长春市 130062
摘要：铝合金具密度小、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优点，其在轨道客车车体结构方面的应用在不断扩大。而由于铝合金的特性，铝合金的焊接一直是工业生产的难点。铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量往往难以达到设计要求。因此，研究铝合金焊接问题成为推动该工程材料广泛使用最为迫切的课题。
本论文针对铝合金在焊接过程中所容易产生的缺陷采取两种不同气体：1、混合气；2、纯氩气，进行试验，研究总结出造成后者焊接性能大幅度下降的原因是在焊接过程中产生了大量内部组织缺陷，致使焊接时容易产生大量夹杂和少量气孔及焊缝结晶裂纹。焊缝金属拉伸试验结果表明，在拉伸应力的作用下，焊缝金属内的夹杂诱发了大量微裂纹，是造成其焊接接头的力学性能显著下降的主要原因。本文对铝合金的焊接缺陷特别是对焊接气孔和焊接裂纹的形成机理进行了较为深入的分析，同时也探讨了提高铝合金焊缝性能的一些方法和措施。试验结果显示，只要采用合适的焊接工艺参数，通过合适的焊前准备，铝合金焊接时的大部分缺陷是可以避免的。
关键词：铝合金、裂纹、气孔、微观组织
引言
随着铝合金的焊接工艺要求的日益完善，铝合金焊接的性能也在不断的提高，所以通过对铝合金焊接缺陷的研究，逐步提高铝合金的焊接性能，从而促进生产。
一、铝合金的焊接性质：铝及其合金具有较高的比强度，良好的耐蚀性及导电、导热性，在工业中应用广泛。本文涉及的铝是一种变形铝合金，通过加工硬化，可提高力学性能。铝的化学活泼性强，与空气接触时表面会生成一层致密的Al2o3薄膜，铝及其合金较强的氧化能力也会阻碍金属之间的良好结合，给焊接带来一定的困难。铝合金熔化温度低，薄壁铝合金管焊接时更易熔化，焊缝成形困难，易产生裂纹和气孔等缺陷。
二、铝合金的焊接操作方法：铝及铝合金的焊接方法主要有MIG焊和TIG焊两种，并且这两种焊接方法能达到不同的工艺要求，之中MIG焊的运枪方法有多种，包括直线式运枪法，小圈式运枪法，直线往返式运枪法和停顿时运枪法。针对不同的工艺要求采取不同的焊接方法和运枪方法。
三、焊接过程中的缺陷分析
1、气孔 ：经过长时间的实践结果表明，使用纯氩气做保护气体焊接的时候，通过对焊缝接头处断面的微观，观察结果显示断面上出现很多的线状气孔；而对使用混合气（He-Ar-N2）做保护气体进行焊接的时候，焊缝接头断面微观结果显示，断面仅出现单个的细小气孔甚至无气孔。
2、裂纹 ：熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉应力时，就会表现出较好的强度和塑性，在这一阶段产生裂纹的可能性相对来说较小。因此，当温度高于或者低于它的脆性温度区时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，具有较小的裂纹倾向。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在一般情况下，杂质较少的金属（包括母材和焊接材料），由于脆性温度区间较窄，拉应力在这个区间作用的时间比较短，使得焊缝的总应变量比较小，因此焊接时产生的裂纹倾向较小。如果焊缝中杂质比较多，则脆性温度区间范围比较宽，拉伸应力在这个区间的作用时间比较长，产生裂纹的倾向较大。
四、常见气孔和裂纹形成原因
1、气孔的形成原因：高强铝合金用NaOH+HNO3进行表面处理会导致铝合金表面塑性变形层吸氢和形成含水合物的不规则氧化膜，这种不规则氧化膜，对焊缝接合面的任何触摸污染都可造成焊接气孔；空气湿度；对焊缝气孔的产生有很大影响；
2、裂纹的形成原因：按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接时
高温下产生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起的。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹，它是在焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足不能及时填充，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金；液化裂纹是在热影响区中被加热到高温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。
焊接缺陷的处理方法
1、气孔的防止措施：铝合金是最容易形成焊缝气孔的金属，本文在焊接工艺试验的基础上，分析了铝合金焊接对气孔的敏感性及焊接工艺方法和保护气体对铝合金焊缝中气孔的影响。结果表明：通过对铝合金基材和焊接材料表面状况、保护气体的纯度、焊接工艺参数等的合理控制，可以有效减少铝合金焊缝中的气孔。鉴于MIG焊的工艺特点，其比TIG焊使铝合金焊缝具有更大的气孔倾向。采用混合气体保护可有效改善非平位铝合金焊缝的质量。
2、裂纹的防止措施：根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理，可以从工艺因素方面进行改进，降低铝合金焊接热裂纹产生的机率。
在工艺因素上，主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序，这些方法都是从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。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。采用小的焊接电流，减慢焊接速度，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。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。可见，增大焊接速度和焊接电流，都促使增大裂纹倾向。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性，在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。通过预热，可以使得试件相对膨胀量较小，产生焊接应力相应降低，减小了在脆性温度区间的应力；尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序；焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。对于 5000 系合金多层焊的焊接接头，往往由于晶间局部熔化而产生显微裂纹，因此必须控制最后一层焊道焊接时的层间温度。从而减少裂纹的产生的机率。
六、结论
1、铝合金焊接前必须进行打磨处理，以破除合金表面的氧化膜。
2、厚板焊前必须进行预热处理，用以消除残余水份和消除应力。
3、焊缝收弧应填满弧坑以防止产生弧坑裂纹。
铝合金焊接作为一门专业性很强的技术。在制造业占有很重要的位置，随着社会的发展，焊接技术在不断的更新，焊接的质量和要求也在不断的提高，铝合金的应用平台也在进一步拓宽，在不久的将来铝合金焊接水平一定能上一个新的台阶。
参考文献
[1]《铝合金车体焊接工艺》王炎金 机械工程出版社（2010.1）
[2]《铝合金及应用》化学工业出版社 张丁非（2006.1）
[3]《中国新材料产业发展报告（2005）》西南铝业（集团）
[4]《铝及铝合金的焊接》周万盛 要君山 机械工业出本社
论文作者:徐海坤,任海涛,张庆臣,王立国
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/20
标签：裂纹论文; 铝合金论文; 气孔论文; 应力论文; 缺陷论文; 金属论文; 区间论文; 《建筑学研究前沿》2017年第32期论文;