铝合金车体焊接缺陷控制

[摘 要]铝合金密度低,强度大,大量应用于高速列车的车体制造.但铝合金焊接时变形大,易产生气孔、裂纹等缺陷,因此需要采取相应的措施来有效地控制铝合金焊接缺陷,保证高速列车的制造质量.

[关 键 词]铝合金；氧化膜；气孔；裂纹；变形

[作者简介]崔磊,南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心助理设计师,山东青岛,266111

[中图分类号]TG574[文献标识码]A[文章编号]1007-7723（2013）02-0020-0005

目前铝合金作为大众化的金属材料被广泛地应用于各个行业,它具有密度低、强度高、挤压性及焊接性能良好、回收利用率高等多个优越特点,因此批量应用于铁道车辆制造业.高速动车在速度提高的同时也要求车体具有更高的承载强度,因此,必须提高铝合金焊接质量,有效地控制缺陷的产生,达到设计要求.

一、铝合金的性能

纯铝是银白色的轻金属,密度2.7g/cm3,约为钢的1/3（钢的密度为7.87g/cm3）,导电率较高,仅次于金、银、铜居第4位.热导率比钢大2倍左右,熔点为658℃,加热溶化时无明显颜色变化,具有面心立方结构,无同素异构转变.塑性和冷、热、压力加工性能好,但强度低（只有90MPa左右）.

纯铝的化学活泼性强,与空气接触时,就会在其表面生成一层致密的氧化膜（主成分是Al2O3）薄膜,这层氧化膜可防止冷的硝酸及醋酸的腐蚀,但在碱类和含有氯离子的盐类溶液中被迅速破坏而引起强烈腐蚀.纯铝中随着杂质的增加,其强度增加,而塑性、导电性和耐蚀性下降.

铝合金是在纯铝中加入合金元素如镁、锰、硅、铜、锌等后获得不同性能的金属材料.

二、铝合金的结构件应用

目前应用于铁道车辆的铝合金主要有5000系列、6000系列、7000系列.

(一)Al-Mg合金-5000系

由于Mg的增加直接影响其机械性能,能增加抗拉强度.含有低Mg的合金主要利用于装饰材料、建筑材料.含有2.5%Mg的合金具有较好的耐蚀性、加工性、耐海水性、焊接性,主要利用于车辆、船舶的制造.

(二)Al-Mg-Si合金-6000系

主要含有Mg、Si金属,是热处理强化性铝合金.此系列合金具有优良的挤压性,因此制造型材非常有利,且具有良好的耐蚀性、焊接性、具有较高的强度,广泛利用于铁道车辆、船舶、建筑用窗框、土木结构材料的制造.

(三)Al-Zn-Mg-合金-7000系

此系列分Al-Zn-Mg-Cu合金和不含Cu的Al-Zn-Mg合金,二者均为热处理强化性铝合金.前者在铝合金当中具有最高强度,但焊接性差,所以主要利用于航空行业.后者焊接性较好,应力腐蚀倾向不明显,而且焊接3个月后其接头强度通过自然时效能得到部分恢复,则广泛利用于铁道车辆的制造.

三、铝合金的焊接性

由于铝合金具有独特的物理化学性能,在焊接过程中会产生一系列困难,具体有以下几点：

铝与氧的亲和力很大,在空气中极易与氧结合生成致密结实的γ-A12O3薄膜,在焊接过程中,γ-A12O3薄膜会阻碍金属之间的良好结合,并易造成夹渣.而且氧化膜还会吸附水分,焊接时会促使焊缝生成气孔.因此,为保证焊接质量,焊前必须严格清理焊件表面的氧化物,并防止在焊接过程中再氧化,对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护,这是铝合金焊接的一个重要特点.

(二)较大的热导率和比热容

铝合金的导热系数和比热容都很大,约比钢大一倍多,在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部,因此,焊接铝合金比钢要消耗更多的热量.

(三)线膨胀系数大

铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍,凝固时的体积收缩率达6.5%～6.6%,容易产生焊接变形.焊接某些铝合金时,往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹,这是铝合金,尤其是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一.

(四)容易形成气孔

焊接接头中的气孔是铝合金焊接时极易产生的缺陷,氢是熔焊时产生气孔的主要原因,为了防止气孔的产生,以获得良好的焊接接头,对氢的来源要加以严格控制,使用前要对焊接材料进行干燥处理.

(五)焊接热对基体金属的影响

焊接可热处理强化的铝合金时,由于焊接热的影响,会使基体金属近缝区某些部位软化,即力学性能变坏.采取的措施主要是控制预热温度和层间温度,焊后热处理等.

(六)焊接接头的耐腐蚀性低于母材

铝合金接头的耐蚀性的降低很明显,接头组织越不均匀,耐蚀性越易降低.焊缝金属的纯度和致密性也影响接头耐蚀性能.由于杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出等,耐蚀性就会明显下降,不仅产生局部表面腐蚀而且经常出现晶间腐蚀.

(七)合金元素的蒸发和烧损

某些铝合金中含有低沸点的合金元素如镁、锌等,这些元素在高温作用下极易蒸发、烧损,从而改变了焊缝金属的化学成分,同时也降低了焊接接头的性能.

四、铝合金在车体上的应用

铝合金车体上承载结构普遍使用的铝合金主要是A5083、6N01、7N01三种材料.A5083因耐蚀性、焊接性好,但挤压性能差,所以只能用在骨架及板状的制件；6N01和7N01铝合金主要用于铝型材结构,6N01主要用在车顶、侧墙、底架地板、端墙等受力不大的部件的制造；7N01主要用在牵引梁、枕梁、车钩座、缓冲梁、高度阀座、抗蛇形扭杆座等受力较大的部件制造.

五、铝合金焊接当中出现的问题及防止措施

铝合金焊接当中出现的问题主要有焊接缺陷以及变形、接头强度下降等.（一）气孔

1.产生气孔机理

产生气孔气体有H2、CO、N2等.N2不溶于液态铝,而H2是主要来源,主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸收的水分.其中,焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分,对焊缝气孔的产生常常占有突出的地位.焊接时,氢在液态铝中的溶解度为0.7ml/100g,而在660℃凝固状态时,氢的溶解度为0.04ml/100g,使原来溶于液态铝中的氢大量析出,形成气泡,但铝合金本身导热性强,散热快,加上铝合金熔点低,这些气泡来不及逸出,在上浮途中被“搁浅”形成气孔.如图1所示.

2.防止措施

（1）适当控制焊接环境的湿度,提供良好的焊接环境.

（2）焊前对焊件应认真清理氧化膜、潮气和油污,以防止气孔的形成.特别需要注意的是机械加工后焊件上的油污务必清理好,中小零件最好在配好的清洗溶液里用浸泡的方法彻底清理干净油污.在现场局部地方需要清理的话,可用丙酮或高纯度的酒精.

（3）操作方面：焊接过程尽可能少中断,在选择工艺参数时选择强参数,使熔池高温存在时间增长,使气泡尽量快速逸出,减少氢气孔的产生.如焊立焊缝时,采用由下向上立焊,由于气泡逸出通道较短,有利于气泡逸出,如图2所示.焊接起弧是由于温度低,散热快,起弧点会产生大量的气孔,故设置引弧板或在焊缝以外的母材上引弧,保证焊缝的质量,如图3所示.

（4）结构设计：若坡口角度小,则不利于气泡的逸出,所以设计时坡口角度稍大一点,有利于气泡的逸出,减少产生氢气孔的倾向.

（5）焊接材料方面：Ar气的纯度很重要.纯度越高越好,最好是纯度达到99.99%以上.

(二)裂纹

铝合金焊接易产生焊接结晶裂纹以及近缝区的液化裂纹,即产生热裂纹倾向较大.

1.产生裂纹机理

铝的线膨胀系数是钢的2倍多,热传导率为将近低碳钢的5倍,因此,铝焊接件的焊接应力大.另外,合金的成分对热裂纹的产生有很大影响.合金成分越高,其裂纹倾向越大.原因是铝合金熔点低,焊接时加热、冷却过程均迅速,使合金来不及建立平衡状态,现结晶的固相中合金含量较少,而液相中含较多的合金元素,以致较少的平均浓度下就出现低熔共晶体.若低熔共晶呈薄膜状展开于晶界面时,增大裂纹倾向.易熔共晶体的存在是铝合金焊缝产生裂纹的重要原因之一,如图4所示.

至于近缝区液化裂纹,同结晶裂纹一样,也是晶间低熔共晶的存在有联系,是在不平衡的焊接加热条件下引起偏析而形成的.

2.防止措施

（1）选择合理的母材、焊接材料工艺.控制熔池的合金成分,则涉及到母材成分以及焊接材料的选择.实践证明,7000系列当中的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的裂纹倾向较大,所以尽量避免采用这种材料作为焊接结构件.实践证明,7000系列当中的不含铜的Al-Zn-Mg铝合金（7N01）的焊接裂纹倾向低,焊接性较好,已广泛使用于铁道车辆行业.焊接材料方面,应选择抗裂纹性强的焊丝.

（2）控制熔池温度.控制熔池温度方面,首先控制环境温度.外部环境温度过低必然加速冷却速度,应控制在15℃以上,必要时可以预热,但不应超过200℃.其次,通过调节焊接规范来控制熔池温度.线能量过大变形也大,线能量过低易出现未熔合；综合考虑应采用稍微偏高的线能量为好.

（3）实际操作方面：焊接收弧易产生弧坑裂纹,通过操作者的手法填满弧坑,尽可能减少裂纹倾向.还有采用引弧、收弧板.众所周知,引弧、收弧时最容易出现焊接缺陷,因此干脆通过引弧、收弧板,直接把这些隐患拉到焊件外,焊后打掉引弧、收弧板.铝合金焊接应养成使用引弧、收弧板的习惯.如图5a,5b所示.短焊缝在中间收弧,防止弧坑裂纹,如图5c所示.

(三)夹渣

1.形成氧化膜机理

铝本身属活泼金属,所以铝合金表面易形成一层难熔的氧化铝薄膜.这层氧化膜的熔点达到2050℃,远远超过铝合金的熔点（约660℃）.在焊接过程当中,氧化铝薄膜会阻碍基本金属熔化和融合,而且氧化膜的比重大（约为铝的1.4倍）,不易浮出熔池,造成焊缝夹渣.

2.防止措施

清除焊件表面的氧化膜.表面清理方法有机械清理法和化学清理法两种.铁道车辆制造行业这两种方法都适用.机械清理法主要是用打磨机（电动、风动两种,风动较活用）或钢丝刷、刮刀、锉刀打磨坡口的方法清理氧化膜；化学清理法不仅清理氧化膜,还要起到清理焊件表面的油污的作用.氧化膜清理之后应在6小时之内焊接,不然应重新处理.大面积清理氧化膜是铝合金焊接的重要特征.

(四)易烧穿

1.易烧穿的原因

铝合金由固态转变为液态时,不像碳钢那么明显,无明显颜色变化,所以不易判断熔池的温度变化,实际操作时不好掌握尺度.另外,温度升高时,铝的机械强度降低,因此焊接时易导致烧穿.

2.防止措施

焊缝背面加垫可防止烧穿.根据不同情况可选用不同的垫.若采用铝合金板材（一般2～4mm）,则属于直接断续焊而永久性跟着焊接件转到下工序（若需要可以通过机械加工的方法加工掉）；若采用不锈钢棒,则属于反复利用回收用的,但相对装配要求高；若采用粘贴式陶瓷性的,则焊后报废属于一次性的,操作起来非常方便.前者适合于单面焊双面成形；后两者适合于X形坡口.在铝合金焊接当中常用这三种方法.

(五)咬边

1.咬边原因

焊缝沿着焊趾的母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷,如图6所示.咬边不仅减弱了焊接接头强度,而且因应力集中容易引起裂纹.原因主要是电流过大,电弧过长,焊角度不正确等.

2.防止措施

选择合适的焊接电流和焊接速度,电弧不能拉得太长,焊角度要适当.（六）未焊透

1.未焊透原因

未焊透是指焊接时焊接接头底层未完全熔透的现象,见图7.未焊透会造成应力集中,并容易引起裂纹,重要的焊接接头不允许有未焊透的现象.原因主要是坡口角度或间隙过小、钝边过大,焊接工艺参数选用不当或装配不良等.

2.预防措施

正确选用和加工坡口尺寸,合理装配,保证间隙,选择合适的焊接电流和焊接速度等.

(七)未熔合

1.未熔合原因

未熔合是指焊道与母材之间或焊道与焊道之间,未完全熔化结合的部分,如图8所示.未熔合直接降低了接头的力学性能,严重的未熔合会使得焊接结构根部无法承载.原因：铝合金导热性强,散热快,加上铝合金本身熔点低,焊接时很容易出现不熔合现象.若环境温度低,这种倾向更加严重,也是铝合金焊接当中较棘手的难题.

2.防止措施

（1）控制环境温度（最好15℃以上）.

（2）适当提高焊接线能量,适当控制焊接速度.

（3）可以采取预热措施.8mm以上板材采取预热（不超过200℃）措施.

（八）焊瘤

1.焊瘤原因

在焊接过程中熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材所形成的金属瘤焊瘤,不仅影响了焊缝的成型,而且在焊瘤的部位,往往还存在夹渣和未焊透.产生原因是熔池温度过高,液体金属凝固较慢,在自重的作用下形成.

2.防止措施

根据不同的焊接位置设置不同的焊接参数,严格控制熔孔的大小.

（九）焊接变形

1.焊接变形原因

铝合金导热性强,线膨胀系数大,受热不均,残余应力大且不均匀分布,很容易产生变形,也是个颇感棘手的问题.

2.防止措施

（1）设计方面：选择合理焊缝形状、尺寸、数量、位置.

（2）工艺方面：反变形法、刚性固定法、选择合理的焊接方法和焊接参数、选择合理的装配和焊接顺序.

（3）实际操作方面：机械矫正法、火焰矫正法等.

（十）焊后接头强度偏低

1.焊后接头强度偏低原因

铝合金供货时基本都是经过时效处理的,但焊接后高温下易出现材料的“过时效”.这不仅出现在焊缝,熔合区、热影响区也都出现受热而发生软化现象而强度降低,使母材与焊接接头无法达到等强度,只能达到母材的60%～70%.只有不含铜的Al-Zn-Mg铝合金（7N01）焊后通过自然时效能恢复部分强度.

2.防止措施

适当控制焊接线能量,但目前要完全恢复原本强度已不大可能.

（十一）焊缝尺寸不符合要求

1.原因

主要指焊缝余高及余高差、焊缝宽度及宽度差、错边量、焊后变形量等不符合标准规定的尺寸,焊缝高低不平,宽窄不齐,变形较大等.焊缝宽度不一致,除了造成焊缝成形不美观外,还影响焊缝与母材的结合强度；焊缝余高过大,造成应力集中,而焊缝低于母材,则得不到足够的接头强度；错边和变形过大,则会使传力扭曲及产生应力集中,造成强度下降,如图9所示.原因是机械加工精度不够,坡口角度不当或钝边及装配间隙不均匀,焊接参数选择不合理等.

2.防止措施

选择适当的坡口角度和装配间隙；提高装配质量；选择合理的焊接工艺参数.

六、结语

在铝合金焊接接头中,焊缝区易生成气孔和结晶裂纹；母材热影响区易发生软化；熔合区则是焊接接头上最薄弱的环节,该区域内存在化学成分和组织不均匀,存在焊接接头几何形状造成的应力集中现象.为预防焊缝气孔,需采取全工艺过程中的综合技术措施,特别是要彻底清理焊丝和零件焊接区的表面.为了预防焊接裂纹（结晶裂纹和液化裂纹）需选择化学成分合适的焊丝、合适的接头形式和尺寸及合适的焊接工艺,减小结构因素及工艺因素形成的拘束度.未预防构件焊接后发生低应力脆性断裂,应预防焊接缺陷（特别是未焊透、焊接裂纹）,改善焊接接头的性能,消除焊接接头的应力集中（特别是焊缝正反面余高向母材急骤过渡）.

[参考文献]

[1]周万盛,姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京：机械工业出版社,2006.

[2]黄望福,黄金刚.铝及铝合金焊接指南[M].长沙：湖南科学技术出版社,2004.