韩佳彬 臧铁军 杨忠孝
中车长春轨道客车股份有限公司
摘要：铝合金焊接在轨道车辆车体生产制造领域占有举足轻重的地位，本文根据铝合金的物理、化学性能及焊接特点简要分析了铝合金焊接时影响焊接的关键因素，缺陷产生的原因及防止措施。
关键词：铝合金 焊接材料 焊接方法 焊接性 焊接缺陷
一．铝合金的物理及化学性质
铝合金具有如下物理特点：密度小、熔点低、电阻小、导热系数大、热膨胀系数大、延展率高、塑性好。
铝合金具有活泼的化学特点，铝合金在和空气接触时，会形成一层很薄致密且坚硬的氧化铝薄膜。这层氧化膜的存在，可以防止金属继续氧化，保护金属不受破坏，有利于自然防腐。但表面氧化膜会给焊接带来困难，这是铝及铝合金焊接时的一个重要特点。
铝合金的力学性能随其纯度变化而变化，纯度越高，强度越低，塑性越高。
纯铝的抗拉强度很低，因而不能用纯铝制造承受载荷的结构零件。生产实际中，铝合金是最重要的铝材料，为得到力学性能优良的铝合金是通过向纯铝中加入适量的锰、镁、铜、硅和锌等得到的。铝合金车体一般采用铝镁合金，铝合金具有较高的强度，如果再经过冷加工和热处理，还可以进一步提高其抗拉强度，相当于低合金钢的强度。铝及铝合金具有良好的耐腐性、较高的强度及一定的导电性和导热性,在工业领域得到了广泛的应用。因此,掌握铝及铝合金的性能,各种焊接方法的特点、焊接材料的选择原则、焊接设备性能、焊接接头质量检验方法、缺陷的形成及预防措施等是十分必要的。
二．铝合金的焊接性
铝合金车体生产中常用的铝合金是5系铝镁合金,属非热处理强化型铝合金。这种合金的特点是强度中等、塑性好、具有满意的焊接性、良好的耐振性和耐腐蚀性,故又称为防锈铝合金。铝合金由于其独特的物理化学性能,因此在焊接过程中会带来一系列的困难,具体表现有以下几点:1.强的氧化能力，铝和氧的亲和力很强,铝在空气中容易与氧结合生成致密的三氧化二铝薄膜,这层薄膜的熔点高达2050℃,密度3.95~4.10t/m3(约为铝的1.4倍),它易吸附空气中的水分,并在焊接过程中稀出大量的氢形成气孔、夹渣等缺陷,从而降低焊接接头的机械性能。2.高的热导率和导电性，铝及铝合金的热导率、热容、熔化潜热大,热导率为225.3W/ (m·K),比钢大一倍多,在焊接过程中大量的热能被迅速传入到母材内部,因此焊接铝和铝合金时要比钢消耗更多的热量。为了获得高质量的焊接接头,必须采用能量集中、功率大的热源,且焊接大于8mm厚板材应采取焊前预热措施，预热温度80-120℃。3.容易形成热裂纹，铝的线膨胀系数为23.6×10-6/℃,约比钢大2倍,凝固体积收缩率达6.5%~6.6%,因此在焊接某些铝合金时往往由于过大的收缩内应力而导致裂纹。4.容易形成气孔，铝合金的熔池很容易在高温下溶入大量氢气,在焊后冷却凝固过程中来不及逸出而凝集在焊缝中而形成气孔。5.高温下的强度和塑性低，以致不能承受液体金属重量而使焊缝成型不良,甚至形成塌陷、烧穿等缺陷。6.合金元素易蒸发和烧损，某些铝合金中含有低沸点的合金元素如镁、锌等,这些元素在高温火焰或电弧的作用下极易蒸发、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。7.颜色无明显变化，铝合金从固态变成液态时无明显的色泽变化,因此在焊接过程中操作者不易观察焊缝成形给操作带来不少困难。
三. 铝合金的焊接方法
铝合金的焊接方法很多,各种方法适用不同场合。
因此,必须根据铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构、生产条件以及接头质量要求等因素加以选择，铝合金车体焊接一般采用两种焊接方法：熔化极（MIG）和非熔化极氩弧焊（TIG）。钨极氩弧焊(TIG)适用于薄板焊接（小于等于3mm）这种方法是在氩气保护下进行焊接,热量比较集中、电弧燃烧稳定、焊缝金属致密、接头强度和塑性较高,因而在工业中应用越来越广泛，用这种方法焊成的焊件变形量小、接头区的热影响区小、接头质量高,适合薄板全位置焊接。熔化极氩弧焊(MIG) 这种方法分为半自动和自动熔化极氩弧焊,电弧功率大、热量集中、热影响区小、生产率比手工钨极氩弧焊可提高4-6倍,可焊接3-30mm厚度的工件,操作简单容易获得满意的焊缝。半自动熔化极氩弧焊操作不受位置限制，应用灵活方便，适用于点固焊缝、空间位置狭小焊件及结构形状不规则的焊件，也适用长焊缝的焊接。
四. 铝合金车体焊接材料的选择
铝合金焊接时填充焊丝成分与接头的机械性能、抗裂性及耐蚀性等有很大的关系,在选择焊丝时,必须首先考虑基本金属的化学成分、产品的基本要求及施工条件,除了要满足接头的机械性能、耐腐蚀性能外,还应考虑结构的刚性及抗裂性等问题,所以焊接铝镁合金时,应选用含镁量与母材相同或比母材高的焊丝。
五.铝合金车体焊接常见缺陷
铝及铝合金焊接接头常见缺陷有焊缝成型不良,咬边、裂纹、气孔、未焊透、未熔合、烧穿、夹渣等。这些缺陷中最难解决的是气孔,因为气孔的产生和焊接周围环境密切相关与操作方法影响不大，要求风速低于5m/s，湿度低于60％，温度高于18℃，造成返修及废品的原因大多为气孔超标。本文针对缺陷问题重点解析气孔的产生原因及解决方法。
气孔
铝合金在车体焊接过程中极易产生气孔,这是铝合金焊接的难点之一。气孔的种类很多,气孔断面呈圆形,内壁光滑并带有亮白色。气孔的形成不但会降低焊缝的致密性,减少接头的承载面积,而且使接头的强度、塑性降低,特别是冷弯角和冲击韧性降低很多,所以,深入了解气孔的成因,并在此基础上制定相应对策,提高焊接质量,就显得十分必要了。
普遍认为气孔的形成与铝合金焊缝中存在的氢有密切的联系。氢的溶解度随着温度的下降而急剧减少,因此在焊缝凝固过程中氢从熔池中逸出形成气泡上浮,当焊缝的凝固速度过快气泡来不及浮出焊缝金属表面时就会形成气孔。从X射线和渗透探伤的结果表明,焊缝中的气孔形态大致分为三类:第一类是分布较为集中的小气孔群,有时小气孔群还掺杂着少量大气孔,主要分布在焊接开始的起弧处或附近的区域,并且位于焊缝与母材之间的熔合区内。第二类为孤立分布的大气孔。这种气孔最为常见,大多数分布在焊缝内部,并且一般在焊缝的中部。第三类为链状分布的气孔群,或称为蜂窝状气孔。这种气孔在熔合区内以及焊缝内部同时出现,该类气孔的产生也往往使焊缝的气孔总量急剧地增加,但一般并不常见。控制气孔产生的措施：(1)正确选择工艺规范参数,如尽量采用高的输入热量,延长熔池存在时间,为气泡逸出提供条件;(2)增大焊接电流以改善根部的焊透程度,增强熔池的搅动,使根部的气泡容易逸出;(3)焊接厚板(8mm以上)时采用钨极双面同步氩弧焊法,有利加强氩气保护效果和熔池搅拌作用减少空气侵入熔池,有利于氢气从熔池中分离出去;(4)对工件进行预热,不但可减少接头坡口表面上的水分,同时也可以降低熔池的冷却速度,改善气体逸出条件;(5)对焊件坡口两侧50mm宽度及坡口根部用不锈钢碗刷打磨、焊丝保证干燥清洁，打磨后的焊件焊接的时间间隔不得超过8小时超过8小时重新打磨。（6）保证焊接场地风速不大于5M/S，湿度低于60％，温度不低于18℃；(7)必须采用高纯度(纯度≥99.96%以上)氩气且气体流量控制在18-22L/min，氩气管路系统要经常检查,保持干燥,不得有泄漏现象,以免混入潮湿空气。
参考文献
[1]《铝合金焊接培训教程》王炎金 中国劳动社会保障出版社 （2008.11）
[2] 航空材料焊接性能编写组编.航空材料焊接性能手册.国防工业出版社, （1978）
[3]《 铝及铝合金的焊接》冶金工业出版社，（1985）