铝合金焊接接头的设计特点--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

铝合金焊接接头的设计特点

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：乔文辉

[导读] 摘要：相对于钢制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。

        河南中烟工业有限责任公司黄金叶生产制造中心河南省郑州市 450000
        摘要：相对于钢制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。由于其防腐性能优良、低温韧性好的特点，在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的质量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。特别是在交通车辆制造领域，铝合金这种轻型材料的应用能提高运行速度和降低能源消耗，在现在的能源形势下具有特别的意义。
        关键词：铝合金；焊接；接头；设计
        1 焊接接头的强度设计
        铝合金结构中最常用的母材为5系列、6系列、7系列，这些铝合金经过形变强化或者是热处理强化获得了一定的强度。但焊接热循环过程必然会造成对强化组织的改变，造成焊接热影响区软化，比如6系列时效强化铝合金，由于强化相粒子在焊接热影响区发生过时效而粗化，造成该区域软化，所以焊接接头设计时必须考虑焊接热影响区软化造成的强度下降问题。正是因为以上原因，欧洲规范（EN1999-1-1）中规定，在焊接结构设计中使用形变强化或热处理强化的铝合金时，焊接热影响区强度下降是允许的。但在供货状态为O（退火）或F（制造）状态下，其临近焊缝热影响区无强度下降现象，这是因为O或F状态意味着材料并没有经过形变强化或热处理强化的工艺过程，材料强度仅通过固溶强化获得，焊接热循环不会破坏固溶强化组织，也就不存在热影响区强度下降的问题。
        那么在焊接结构设计时，如果使用了经过形变强化或热处理强化的铝合金，我们必须知道焊接热影响区的强度下降有多少，区域有多大，并采取相应的设计和制造措施，才能保证结构的安全性。
        由于结构形式和尺寸问题，通常无法使用后续热处理的方式解决热影响区强度下降的问题，这就要求结构设计时就应通过强度计算确定热影响区的强度下降将对结构使用产生的影响，并采取相应的措施，比如通过增加材料尺寸的方式解决。从经济角度考虑，整体增加板厚是不可取的。通常可以通过增加局部板厚的方式解决（见图1），通过挤压成型技术，铝合金较容易实现板材局部加厚。

        图1局部增加板厚的焊接接头
        另外，在设计时还应注意，如果设计是基于本文1.2的某些特定要求（例如强度下降区域宽度是基于道间温度60℃条件下），必须在图纸中或相应的技术文件中给予规定。
        2 焊接接头设计细节的几个问题
        由于钢和铝有较大的物理性能差异，所以在钢和铝焊接接头细节设计和制造也会有差异：由于铝的热传导较快（是结构钢的3倍以上），相同情况下焊接铝时用于熔化金属的热量低于焊接钢，所以在坡口设计时，相对于钢应有较大的坡口角度，这样可以减少需要熔化的母材金属，以避免可能产生的未熔合，特别在MIG焊时尤其要注意这一点。另外在多层焊操作时必须注意前一焊道表面不能突度过大，否则容易产生层间未熔合。
        例如在ISO9692-1（焊接及相关工艺—接头准备—钢的焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、气焊、TIG焊和能量束焊）中推荐的对接接头V型坡口的角度为40°～60°（针对MAG焊，见表1），通常以60°居多。而在ISO9692-2（焊接及相关工艺—接头准备—铝的熔化极惰性气体保护焊和TIG焊）推荐为60°～90°（针对MIG焊，见表1），通常以70°居多。
        焊接全熔透对接接头时，应尽量使用背面熔池保护，可采用的背面熔池保护形式如图2所示，使用的背面保护材料可以为奥氏体不锈钢、铝合金、铜或陶瓷。铝合金可以实现单面焊双面成型，但由于铝合金高温下强度低，焊接接头在无背面保护时容易过度下榻，所以其背面成型效果不好（特别是薄板焊接时），背面余高通常较大。
                          表1 坡口形式的比较

                                 图2背面保护
        例如同为板厚3 mm的全熔透对接接头，在相同的焊接质量要求条件下，钢的背面余高限值为小于1+0.1b左右，通常在1.2 mm以下，而铝及其合金为固定值3 mm，实际会接近3 mm（见表2），所以焊缝金属和母材过渡处的应力集中非常大。
        当时使用MIG焊且要求背面熔透时，为了使根部更好地熔合，可在根部一侧开斜边（见图3），否则容易出现图4a所示的背面成型，背面焊缝中间有明显的尖锐凹陷，建议使用熔池保护装置。
                        表2 背面余高的比较

                             图3 根部形式
        3 结论
        虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金结构的设计和焊接制造原则没有变化。但还是要在设计和制造中，针对焊接热影响区强度减弱、接头细节等设计问题，进行合理的设计，才能保证结构的使用安全及其制造的经济性。
        参考文献：
        [1]EN1090-3：2008，Execution of steel structures and aluminums structures-Part 2：Technical requirements for aluminums structures[S].
        [2]EN1999-1-1：2005，aluminums structures：General rules and rules for buildings[S].