摘要：随着我国高速铁路和城市轨道交通的快速发展，高速列车的速度不断的提升、城市轨道交通运载效率提高的必然要求，车体生产材料也从传统的碳钢变成高强度的铝合金材料，其本身具有的物理特性、耐腐蚀、可焊性及表面易于处理良好的加工成型性可再生的诸多优点。使其在高速列车和城市轨道交通车体应用上备受青睐。然而铝合金本身的一些特性又成为制约铝合金焊接进行工业化生产的难点：铝及其合金化学活泼性很强，表面易形成氧化膜，具有难熔性质，焊接时容易造成不熔合现象；氧化膜密度同铝的密度极其接近，容易成为焊缝金属的夹杂物和焊接裂纹；同时，氧化膜可以吸收较多的水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一；铝合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生焊接变形。焊接缺陷的存在严重降低了焊接结构的承载能力也会影响车体结构的使用寿命，因此研究铝合金焊接缺陷为获得高强度焊接结构和优质焊接接头质量，制定焊接工艺提供可靠依据。
本文针对铝合金在焊接过程中容易产生的缺陷，进行试验研究总结出造成焊接性能大幅度下降的原因是焊接过程中产生了大量内部组织缺陷。在焊接应力和外加载荷作用下诱发焊接结构产生裂纹，是造成焊接性能下降的主要原因。因此本文特别对焊接缺陷气孔和裂纹的形成机理进行了较为深入的分析，同时提出了铝合金焊缝性能的方法和措施。
关键词：铝合金焊接；焊接缺陷；裂纹；气孔
引言
随着科学技术的迅速发展，焊接研究的不断深入，自动化程度也越来越高，但手工电弧焊的位置仍然是无法被替代的。这也成为制约焊接质量的一个瓶颈。在铝合金焊接工艺日益完善的今天，铝合金的性能也在不断提高，以此通过对铝合金缺陷的研究，进一步优化提高铝合金的焊接性，更好的服务于生产、提高车体的使用寿命。
一 铝及铝合金的焊接性分析：铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。
铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。
二、车体的焊接缺陷
气孔：焊接时熔池中的气孔在凝固时未能逸出而留下来所形成的空穴称为气孔。在MIG焊接过程中，气孔是不可避免的，只能尽量减少它的存在。
夹渣：焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣。夹渣会降低焊接接头的塑性韧性，还会引起应力集中，根据ISO10042标准规定，夹渣是绝对不允许存在的。
裂纹：在焊接应力及其他因素共同作用，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏形成新界面而产生的缝隙称为焊接裂，铝合金焊接裂纹通常都是热裂纹。根据ISO10042标准规定，所有裂纹都是不允许存在的。
未熔合：焊接时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分称为未熔合。
咬边：由于焊接参数选择不当，或操作技术不正确，沿焊趾的母材部位生沟槽或凹陷称为咬边。根据ISO10042标准规定，咬边长缺陷（100mm内长度>25mm的一个或多个缺陷）的深度不能>0.2mm，短缺陷（100mm风长度<25mm的一个或多个缺陷）的深度不能>0.5mm。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
三、车体焊接缺陷产生的机理
3.1气孔：氢是熔焊时产生气孔的主要原因，铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体，高温下溶入的大量氢气，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔，弧柱气氛中的水份、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水份都是焊缝中氢的主要来源。
3.2保护气体：保护气体流量不足或过量也会引起气孔的出现。保护气体流量不足不能排除弧柱气氛中的空气，空气中的水分将分解成氢进入熔池中产生氢气孔；反之保护气体流量过大又会将空气卷入弧柱区和熔池，同样会使焊缝气孔趋势增。提前送气和焊后延时送气的时间设置对焊接接头气孔的产生也有很大关系。
四．缺陷的控制措施
4.1气孔的预防措施
（1）焊前认真清理焊件表面的油污、水份和氧化膜，并尽量在短时间内焊接。
（2）保证气体纯度和适当的流量，并且要有良好的保护效果。
（3）采用水平位置焊接，焊前在试板上试焊，确定合适电压和电流等参数。
（4）双面焊接时，背面要清根后再焊接。
（5）焊缝的首尾端和断弧处易出现气孔，因此，要尽量采用引板起弧和熄弧。
4.2裂纹的预防措施：冶金因素方面，为了防止焊接时产生晶间热裂纹，主要通过调整焊缝合金系统或向填加金属中添加变质剂。调整焊缝合金系统的着眼点，从抗裂角度考虑，在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于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，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组元，以便能产生“愈合”作用。而作为变质剂向填加金属中加入Ti、Zr、V 和 B 等微量元素，企图通过细化晶粒来改善性，并达到防止焊接热裂纹的目的尝试，在很早以前就开始了，并且取得了效果。这种细小的难熔质点，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作用。
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，因此必须控制后一层焊道焊接热输入量。
五．结论
焊接前对母材坡口两侧的氧化膜进行打磨，合理的焊接顺序和大厚焊件的焊前预热焊后热处理方法去除焊接残余应力，利用焊机自身的电流衰减方法填满弧坑等。这些方法都可对车体焊接生产时所产生的焊接缺陷是可以从工艺方法上进行控制，尽可能规避焊接缺陷对车体尺寸和疲劳强度的影响。达到车体的正常使用期限。并随着对铝合金焊接工艺研究的不断深入，相信在不久的未来铝合金的焊接技术会有更大的突破。更好的服务于焊接生产。
参考文献：
《铝及铝合金的焊接》（2006年）周万盛、姚君山 著
《铝合金车体焊接工艺》（2010年）机械工程出版社 王炎金 著
《焊接冶金与焊接性》（2008年）机械工业出版社 刘会杰 著
论文作者:孙一伟,封强,于斌,艾启文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/26
标签：裂纹论文; 气孔论文; 铝合金论文; 缺陷论文; 车体论文; 合金论文; 熔池论文; 《基层建设》2018年第15期论文;