赵硕 荆玉杨
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111
摘要：近年来，城镇化进程的加快，我国的各类工程建设数量也在不断增加。近年来，随着工业及制造业的蓬勃发展，汽车、火车、飞机等现代交通工具也逐渐进入大众视野和生活当中，人们的生活水平不断提高的同时，对交通出行的各方面要求也在不断增加。其中汽车行业便是增长最快的行业之一，然而，面对能源紧张的问题，在现代工业生产过程中，机械设备轻量化已经逐渐成为重点发展环节，铝合金材料因其综合性能的特点，如高强度及延伸性好等，逐渐成为汽车制造行业中的重要材料，除了节约成本之外，还能够大幅度减少材料的消耗，减轻结构重量，有效提升经济效益，也极大的推动了铝合金材料及焊接技术工艺的快速发展。本文就铝合金焊接接头的设计特点展开探讨。
关键词：铝合金焊接接头；设计；焊接性能
引言
铝合金材料具有着较强的化学活泼性及导热性，氧化膜密度则相对较低，这些特性使得铝合金在焊接过程中很容易出现问题，而要想对这些焊接问题进行有效处理，保证铝合金焊接质量，则需要明确铝合金焊接性能及其焊接接头性能，并在焊接过程中进行针对性的处理。
1 铝合金焊接接头表征的作用
在汽车工业生产过程中，质量安全是非常重要的部分，也是社会重点关注的问题，在汽车工艺设计生产过程中，要充分权衡车体的整体重量以及安全性。首先需要保障车身结构具备静态材料力学性能。而焊接工艺技术对保障整个结构安全性有着重要的作用，在实际焊接过程当中，存在一些缺陷，如焊接热裂纹、不透彻等将会严重影响汽车材质的安全。
2 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。
3 铝合金焊接过程特征
焊接过程是个熔化、凝固的过程，其主要特征为温度变化的速度快、非平衡条件下的不均匀性。熔化和凝固在某一温度区间发生，焊丝、母材的熔化开始温度，结束终了温度不同。例如某系列铝合金组合的凝固温度区间:焊丝575～667℃，母材611～670℃。焊丝最后凝固，这是抵抗热裂纹的关键因素。低应力焊丝承受更低的残余应力，热裂倾向低。液相线温度(Liquidus)、共晶线温度(Eutectic)之间分为下述几个过程：（1）凝固刚开始，枝晶可以自由移动，外界的收缩变形可以通过液体金属流动或晶粒的重新排列补偿；（2）枝晶可以互相接触，液态金属包围枝晶周围，自由流动抵消外界变形(Coherency过程)。此时应力应变可以保持、传递，被认为是累积应变的开始时间；（3）枝晶骨架稠密，阻碍枝晶周围液体金属的自由流动，枝晶周围液体金属变为薄层。
自由的液膜可以自由流动；（4）最终阶段，固固界面增加，液体薄膜变为各自独立的类似口袋部分(Coalescence阶段)。在上述过程中自由的液膜流动受阻，塑性应变可以积累，液相金属的流动压力下降，被认为是热裂纹的开端。自由的液膜流动不受阻，就不产生热裂纹。焊接过程中(热裂纹形成)拘束、熔合比、降温速率等因素发挥重要的作用，实际是工艺制定的问题，影响到了关键的焊缝冶金成分及性能。
4 焊接工艺的影响
焊接工艺不当会是造成焊接接头应力集中的主要原因之一，学者们对焊接工艺对疲劳性能的影响方面进行了一系列的研究，以其选择合适焊接工艺来提高焊接接头的疲劳强度。研究了单脉冲、双脉冲焊接工艺对A5083铝合金焊接接头疲劳性能的影响，结果表明，采用双脉冲焊接工艺制备的焊接接头的疲劳性能高于单脉冲焊接工艺的疲劳性能。采用超声冲击法对2A12铝合金焊接接头进行全覆盖强化处理后的疲劳性能进行了研究，结果表明，超声冲击处理使2A12铝合金焊接接头疲劳强度提高了38．5%。通过采用焊条电弧焊的方法对7N01铝合金焊接试板进行TIG熔修后的疲劳性能进行了研究，结果表明:经TIG熔修后铝合金焊接接头疲劳寿命略有降低。对6061-T6铝合金TIG焊缝和热影响区，利用高功率高重复率的Nd:YAG激光进行冲击强化处理后的疲劳性能进行了研究。结果表明，激光冲击强化使6061-T6铝合金焊接接头安全寿命提高117．1%。采用不同的固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间对7075铝合金板材搅拌摩擦焊接接头进行了热处理，分析了固溶时效工艺对焊接接头疲劳性能的影响规律。结果表明，随着固溶温度从420℃提高至480℃，固溶时间从1h延长至4h，或时效温度从90℃增加至130℃，焊接接头的疲劳性能先提高后下降;随着时效时间从12h延长至36h，焊接接头的疲劳性能先提高后基本不变。上述研究表明:焊接工艺对铝合金焊接接头的疲劳性能的影响是显著的，所有要选择合理的焊接工艺来提高焊接接头的疲劳性能。
5 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2），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，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。
结语
总而言之，受铝合金材料焊接性能及焊接接头性能影响，其在焊接过程中很容易出现气孔、塌陷、裂纹等缺陷，而要想避免这些缺陷的形成，则还需要在焊接工序、焊接工艺、焊接材料等方面采取针对性的处理措施。
参考文献
[1]朱继华，苏玫妮，杨立伟.铝合金结构性能与设计方法研究[M].武汉：武汉大学出版社，2018.
[2]姜澜，王炎金，王宇新.高速列车用6005A合金焊接接头组织与性能研究[J].材料与冶金学报，2018，1（4）：302-306.
[3]周万盛，姚君山．铝及铝合金的焊接［M］．北京:机械工业出版社，2019．