铝合金强制冷却焊接工艺研究

铝合金强制冷却焊接工艺研究

宗育飞 牟正伟

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111

摘要：近年来我国科技水平的提升，人们对建设行业的要求也在越来越高。城市轨道交通车辆的车体材料主要包括铝合金、不锈钢和碳素钢。其中，采用铝合金制作的车体具有质量轻、耐腐蚀、外观平整度好、可二次利用、环保、自动化焊接范围大等诸多优点。铝及铝合金的热导率和比热容均比碳素钢高，在焊接铝及铝合金时，焊接过程中产生的大量热量会迅速传导到基体金属内部，热输入量过多容易使焊件晶粒粗大。因此，如何在保证焊接接头熔合良好的前提下控制热输入量，对于保障铝合金材料的焊接质量具有重要的意义。本文就铝合金强制冷却焊接工艺展开探讨。

关键词：铝合金；强制冷却；焊接工艺

引言

随着科学技术的发展和科技社会的日新月异，铝合金焊接技术也在不断发展和创新。铝合金焊接技术具有导热性好、延展性好、抗氧化能力强等优点，并被广泛地应用于我国各项重工业之中。

1 铝合金焊接技术的应用

随着铝合金在社会各个行业的广泛应用，铝合金焊接技术也得到了快速发展，在众多的铝合金焊接技术中，以穿孔性等离子弧立焊以及双焊枪TIG焊等为代表的铝合金焊接技术应用最为广泛，很多新型的铝合金焊接技术也得到了比较广泛的应用，新型的铝合金焊接技术对传统的焊接技术进行了改进，是非常优秀的铝合金焊接技术。此外，激光铝合金焊接技术也得到了工业界的广泛认可，综合激光焊接技术优势和电弧焊接技术优势的激光—电弧复合焊接技术也开始受到人们的广泛关注。随着我国经济的快速发展，我国交通运输事业以及航空航天事业也越来越注重低污染、高效率的生产模式，所以如何实现车辆、飞机、火箭等质量的降低，提升燃料的使用效率成为相关产业重点考虑的因素。铝合金是一种性能优良的金属，它不仅具有很高的强度，而且具有美观的外形、极强的抗腐蚀性和良好的延展性，能够促进我国相关产业的快速发展。有研究发现，铝合金在我们的生产和生活中的应用越来越广泛，也为我们的生产和生活带来了很大的便利，所以我们要加强对铝合金焊接技术的应用和研究，提高铝合金的焊接效率，提升铝合金在我们生产和生活中的应用效率。铝合金的焊接技术包括很多种，传统的铝合金焊接技术主要有TIG焊、MIG焊以及等离子焊等，这些传统的铝合金焊接技术已经经历了很长时期的发展过程，技术应用也已经相当成熟。TIG焊又叫非熔化极惰性气体钨极保护焊，这种焊接技术在金属焊接领域的应用非常广泛，在使用TIG焊技术进行焊接时，以金属材料作为正极，以钨极作为负极，利用电弧作为焊接的能量来源，当电压和电流升高时，能够使钨极在惰性气体的保护下产生电弧，把金属材料焊接在一起。并且在使用TIG焊技术进行焊接的过程中，产生的电弧还能够清除金属材料表面的氧化膜，对铝合金材料的质量起到一定的保护作用。MIG焊又叫熔化极惰性气体保护焊，MIG焊技术和TIG技术具有很大的相似之处，但是在使用MIG焊技术对金属材料进行焊接时，负极使用的并不是钨极，而是采用能够熔化的负极材料，比如金属丝等。在使用MIG焊技术对铝合金进行焊接时，负极焊接材料会熔化到焊接池中与铝合金材料融合在一起，由于在使用MIG焊技术对金属材料进行焊接时，需要一定的惰性气体进行保护，所以一定要注意防止空气进入焊接环境中。使用MIG焊进行铝合金焊接的工艺非常简单不会对铝合金本身的性质造成影响。等离子焊也是铝合金焊接中常用的焊接方式，早期等离子焊是以平焊方式出现的，但是后来人们发现立焊能够增加铝合金的可焊厚度，还能够提高焊缝的成型稳定性，所以等离子立焊开始在铝合金焊接领域广泛应用。随着现代科技的不断发展，传统的焊接技术也越来越满足不了现代化的铝合金焊接需求，需要我们加强对铝合金焊接技术的革新与完善，推动铝合金行业和相关产业不断发展和进步。

2 铝合金焊接技术的特点

（1）熔点。铝合金的熔点高，很稳定，在焊接的过程中，能够起到吸潮的作用。但同时，焊接的过程中，铝金属的表面极易产生气泡等缺陷，所以在焊接的过程中要注意随时清除铝合金表面的氧化铝薄膜，防止气泡影响到最终的产品质量。（2）抗氧化。铝合金焊接的过程中，会达到铝的熔点，表面铝金属融化，由于金属铝极易氧化，在已经融化的铝金属即将滴落时，铝金属会和空气中的氧气迅速结合，形成致密的氧化铝薄膜，附着在金属表面，阻止内部已融化的铝金属进一步低落。此时，若是想要进一步进行铝合金的焊接过程，就要换用功率更大的焊接仪器，采用大功率密度的焊接工艺。

3 强制冷却焊接工艺的研究现状与意义

目前已有众多学者对强制冷却焊接工艺进行了研究，发现在采用强制冷却焊接工艺后，焊缝的热影响区范围明显缩小，焊核晶粒尺寸明显减小，且焊接材料的抗拉强度和塑性延伸率明显高于常规自然冷却状态下的焊接质量。由此可知，强制冷却焊接工艺有助于降低铝合金焊缝的热影响区和晶粒尺寸，对于提高铝合金材料焊接质量具有重要的意义。

4 冷却介质对FSW接头性能的影响

由于FSW热循环引起的沉淀强化的恶化而形成了由焊核区(WNZ)，热机影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)组成的软化区，从而使FSW接头的力学性能低于母材。因此，要提高接头的力学性能，就要降低焊接热循环对接头的软化效果，而冷却介质在这一方面具有较好的作用。对2219铝合金进行了水下FSW，结果表明，TMAZ和HAZ的沉淀强化效应弱化程度明显减弱，从而使软化区明显变窄，硬度值也有所提高。焊接速度在50～150mm/min范围内，接头的最大抗拉强度达到347MPa，达到母材的80%。分别在空气和水中对超细晶累积叠轧焊铝合金进行了FSW。研究表明，空气中的FSW接头由于晶粒长大而引起晶粒粗化，导致焊核区的硬度值低于母材。水环境中与搅拌头轴肩接触的FSW接头表面，由于此区域在剧烈塑性变形的同时具有极高的冷却速度，硬度值甚至高于母材的平均硬度值。在拉伸实验中，两种试样的断裂部位均位于焊核区，这与它们最小硬度值的出现的位置相吻合。水下FSW接头的抗拉强度约为母材的85%，空气中FSW接头的抗拉强度仅为母材的63%。这表明通过水下FSW，接头的抗拉强度比空气中FSW接头显著提高。分别在空气、热水(约90℃)和冷水(约8℃)中对热轧后经自然时效处理的7075铝合金进行FSW。研究结果表明，热水对焊接接头热影响区第二相粗化的限制作用较冷水的限制作用更为明显，从而使接头获得了更好的拉伸性能，抗拉强度达到了母材的92%，伸长率为150%。与空气中FSW接头相比，在冷水和热水中的FSW接头的抗拉强度分别提高了5%和14%，而在冷水中的FSW接头的伸长率却有所下降。这表明在热水中进行FSW是提高焊接接头强度及伸长率的最好方法。在三种环境下的断裂均发生在焊接接头的最低硬度值出现的位置，冷水和热水中的FSW接头拉伸断口呈现出韧窝断口和准解理断口的混合形态，而在空气中的断口形态仅为韧窝断口。

结语

随着现代化科学技术的发展，很多新型的铝合金焊接技术也开始逐渐得到越来越广泛的应用，对铝合金焊接技术的发展产生了很大的推动，铝合金焊接新技术也将促进铝合金在我们生产与生活中得到越来越广泛的应用。

参考文献

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