摘要：铝及其合金具有特殊和优异的物理化学特性、力学特性和工艺特性。文中以国产 6000铝合金为研究对象，借助扫描显微电镜、金相分析仪器和常规的力学性能试验等技术手段，从预热温度、保护气体和焊接热输入三个方面对 6000 铝合金焊接接头产生的综合性能影响做了对比研究，为实际生产和后续的焊接工艺优化提供一定的理论依据。分析了高速动车组车体焊接接头产生的裂纹原因，并提出相应的解决措施，保证了产品的焊接质量。
关键词：6000铝合金；焊接接头；综合性能；裂纹分析
引言
和其他金属相比，铝合金具有特殊和优异的物理化学特性、力学特性和工艺特性成为当前研究和应用的热点之一。虽然其抗拉强度和弹性模量不比传统的钢铁材料，但是经过热处理强化后的铝合金由于比强度和比模量高等一些其它钢铁材料无可比拟的优点被广泛应用于国内外轨道交通产品中以实现轻量化和现代化。
一、6000铝合金焊接接头与其焊接工艺概述
中等强度铝合金6000具有热挤压成形性、耐蚀性好和焊接性能优良的特点，可用于挤压车辆用大型铝型材。德国的ICE和法国的高速列车车体主要采用6000系列，英国和日本等也已开始应用该合金。6000焊接接头强度一方面取决于合金成分配比及时效处理等关键因素，另一方面，在焊接过程中由于焊接热的影响，焊接接头的组织和性能会发生很大的变化，导致合金时效强化的效果大部分损失掉。我国对6000铝合金焊接性能的研究还处于起步阶段。
关于铝合金的研究和应用是目前的热点之一，其在列车及相关配套设备应用的比重在不断上升，尤其是可热处理 6000 系列铝合金板材，能够很好的满足车体和有关配套设备的框架结构要求。6000铝合金是高速动车组车体制造中的主要材料，在焊接过程中，应重点关注：焊缝中氢气孔产生、焊后变形所带来的装配问题、焊接热循环对母材机械性能的损伤以及产生热裂纹的倾向。以上技术问题的解决对此类材料在实际应用中的大规模推广和本土化生产过程中的重要意义不言而喻。所以，展开对此系列铝合金的焊接工艺和裂纹机理系统研究，优化焊接工艺，提高焊接质量成为目前企业所迫切面对的课题之一，这也正是本文的研究目的。
二、焊接工艺对6000铝合金焊接接头的综合性能和裂纹的影响
本文在企业现有的焊接工艺基础之上，采用 TIG 焊接方法，通过 T 型接头焊接性试验评定现有工艺下焊接接头的裂纹倾向性，焊前不同预热温度的选取，不同类型的保护气体以及焊接线能量下所制得的焊接接头组织和力学性能的对比，优化焊接工艺。
1、预热温度的影响
焊缝在热输入作用下一般会经历以下几个过程：加热熔化、结晶、固态相变。由于铝合金不存在同素异构转变，因此，铝合金焊接接头熔敷金属只经历上述前两个过程。对于一定合金成分的合金焊缝中温度梯度起主要决定性作用。分别观察不同预热温度下焊缝及熔合区的显微组织，发现焊缝金属的结晶组织均为等轴晶，这是由于焊缝中心在受热循环作用下，处于峰值状态，冷却较慢，所以结晶形式多为等轴晶。所以熔合区的结晶组织为柱状树枝晶，由于焊缝的散热方向与熔合面是近乎垂直的，所以带有一定的方向性，并且与焊缝的柱状晶连接在一起形成连生结晶，同时这个部位也称之为过热区。
随着预热温度的提高，试件的抗拉强度却降低，强度损失现象越严重。从断裂位置距离熔合线的距离来看，随着预热温度的提高，断裂位置距离熔合线的距离却增长，在受静载时，此处是最薄弱的区域。现实生产工艺中，6000铝合金的焊接预热温度为 230℃左右，如此高的预热温度必定会给 6000 铝合金焊接接头强度带来不利的影响，因此，建议在保证熔合性的前提下，尽量避免预热或者采取低温预热。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
无论是那种预热温度下的焊接接头其热影响区都会出现不同程度的“软化”现象，而且随着预热温度的逐渐提高，“软化”程度越严重，此结果与接头拉伸试验结果保持一致，也就是说：预热温度过高对接头的强度会出现“热损伤”。所以焊接类似 6000可热处理铝合金时，HAZ 不同程度的过时效软化是一个重要问题，至少目前无法避免此问题的出现，但是可以从改进焊接工艺措施的角度来考虑尽量降低 HAZ 的软化程度。
2、不同保护气体的影响
弧焊过程中，保护气体的首要功能是对持续的低压电弧提供合适的导电介质介质以保证焊接过程的稳定，同时对电弧施加保护避免受到周围环境的污染。第二个功能，包括焊缝的成型、熔化特性与组织和性能的控制与前者同样重要。
对比相同保护气体下最低预热温度接头的抗拉强度值，He和Ar相比近似相等。所有的焊接接头都是在热影响区断裂的，距离熔合线的距离约为 5～17mm。富氦的混合气体使用在某种程度上减少了接头的补强值，而且能够增加焊接速度，这是因为 He 从电弧转移热量比 Ar 更加有效，提高焊接速度进而可以减少热影响区的尺寸。
随着 He 的比例适当提高，6000 铝合金焊接接头的硬度会有所改善。这是因为：He 从电弧转移热量比 Ar 更有效，可以提高焊接速度。焊接速度对如 6000可热处理强化铝合金的焊接接头性能影响比较显著，高的焊接速度不仅减少了热影响区的宽度，而且对接头焊缝及热影响区的微观组织产生一定的影响。目前商业生产纯 He 大多数是从 He 含量超过 4%的天然气种萃取，生产价格比较昂贵，虽然三元气体的综合保护效果比较出色，但是考虑到纯 He的生产成本以及多元气体的配比工艺的复杂性，从实际应用成本考虑，多元气体一般应用在对焊接接头质量要求较高和铝合金板厚超过一定尺寸的特殊场合。
3、不同焊接热输入的影响
一般来说，随着线能量的不断降低，焊缝组织细化，低熔点共晶体弥散分布且比较均匀。从熔合区晶粒类型及大小分布情况来看，熔合区的显微组织为固溶体+析出相（Mg2Si）。
焊接热循环会对 6000可热处理铝合金的热影响区强度产生不同程度的影响。晶粒越小，强度越大。焊接热影响区内合金元素不会出现因电弧热作用而蒸发损失，它们在热影响区存在的方式和类型决定于不同焊接热循环和冷却速度。6000可热处理铝合金的供货品级为 T6（固溶处理+人工时效），时效状态下合金的显微组织特点是存在大量的超显微粒子弥散分布于固溶体中。铝合金的热导率较高，离熔合线相对较远的区域，焊接热循环条件下产生的温度低于固溶处理温度但高于人工时效的温度，随着焊接热循环的持续作用，温度会逐步升高，合金元素组成的强化相不断的聚集长大、析出。虽然组成相的成分不会发生变化，但是改变了点阵畸变，晶粒度的粗化和点阵畸变的弱化所以导致了 6000铝合金焊接接头热影响区的强度损失。因此，在焊接 6000—T6 状态下的铝合金时，应该尽量限制焊接线能量。
结束语
本文主要介绍了不同预热温度、保护气体、焊接热输入的焊接接头的组织和力学性能，就不同工艺对 6000铝合金焊接接头组织和力学性能的影响做了具体的分析。文中展开对此系列铝合金的焊接工艺和裂纹机理系统研究，旨在优化焊接工艺，提高焊接质量，具有十分重要的应用价值。
参考文献：
[1]罗传孝.6082-T6铝合金电子束焊接工艺及其接头组织与性能[D].南京航空航天大学，2013.
[2]元恒新.焊接材料及工艺对铝合金焊接性能的影响[D].重庆大学，2006.
[3]常艳君.铝合金、钛合金电子束焊接接头组织、性能和焊接性能研究[D].内蒙古工业大学，2005.
[4]程东亮.焊接及热处理对2205双相不锈钢焊接接头腐蚀行为的影响[D].江苏科技大学，2012.
论文作者:臧铁军,刘森,白石
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：铝合金论文; 温度论文; 组织论文; 合金论文; 性能论文; 气体论文; 裂纹论文; 《基层建设》2018年第31期论文;