铝合金电弧焊接头工艺设计的讨论

铝合金电弧焊接头工艺设计的讨论

刘诗科 王磊  李强

中车青岛四方机车车辆股份有限公司

摘要：目前铝合金焊接接头力学行为与焊接方法、工艺设计密切相关程度认识不深，对焊接接头分区、焊缝冶金、接头力学行为与方法、工艺密切相关的程度等方面的特征进行总结。指出铝合金焊接工艺设计的关键因素及其对力学性能重要影响的原因。控制热输入、制定合理焊接工艺、设计合理的焊接接头、合理控制焊接接头组织对于提高厚板铝合金焊接接头力学性能具有重要意义，在尽量降低热输入条件下减少焊道交接面，有利于焊接接头综合性能提升；进行系统科学的焊接结构设计，需要完善的材料制备、环境测试、结构设计、疲劳评估等标准体系。

关键词：铝合金焊接；电弧焊接头；工艺设计

引言

随着中国航空航天等国家重大项目的实施，轻金属在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面的独具优势，成为国家重点发展与应用的新型结构材料。由于具有高比强度、高比刚度，轻金属(铝、钛、镁合金等)及其焊接结构的使用成为减轻整体结构重量、提高能源利用效率的有效途径之一。焊接是轻金属结构制造的关键工艺之一，随着日益严格的服役环境和高可靠性的需求，对焊接技术的同步发展也提出了更高要求。目前，熔化焊和固相焊是轻金属焊接的主要方法。日益严格的服役环境和高可靠性需求，对焊接接头安全性设计也提出了更高要求。根据材料种类不同、服役环境不同、生产节拍不同，应当加强系统科学的产品正向设计。但是目前国内铝合金焊接结构设计、焊接工艺试验、焊接冶金及组织分析、焊接质量检验等方面的认识不足，以及激光复合焊、搅拌摩擦焊、激光焊等新技术工程化应用风险性的要点认识不深。针对以上问题，文中系统总结了铝合金焊接工艺的特征，并对下一步工作方向提出了建议。

1 铝合金焊接工艺认识概况

目前铝合金焊接存在：

(1)分区过于粗糙、简单，组织与力学性能不均匀性认识不够。

(2)焊缝冶金的复杂性认识低。焊道界面、晶粒取向、交界、晶内枝晶、枝晶气孔形态、析出相变化等认识不足。

(3)焊接接头力学行为与方法、工艺密切相关的程度、基本规律认识不清。首先，焊道布置、焊接坡口设计试验依据不充分。其次，焊道设计参数、焊接工艺参数与焊接接头屈服、抗拉、疲劳，耐腐蚀性能之间的联系规律不清晰。再就是铝合金焊接的基本原则有争议，大电流、快速焊与小电流、慢速焊的区别，厚板是否预热，盖面是否摆动等认识存在争议。

(4)现有标准的宽泛。表现为坡口、间隙等设计细节宽泛。

(5)预测铝合金焊接结构断裂与疲劳寿命的理论和技术尚不完善。焊接工艺、接头组织与性能、整体焊接结构性能与寿命关系不清楚，轻金属焊接接头断裂与疲劳破坏机理及其对整体焊接结构失效的影响尚不完全清楚，也缺乏相应的评价方法。铝合金焊接结构设计原则需提升。

因此开展轻金属焊接力学行为相关理论基础研究对于分析焊接接头力学特点、优化焊接方法和工艺、提高焊接接头力学性能及结构整体服役性能具有重要的指导作用。

2.铝合金电弧焊接头的原理与应用

铝合金电弧焊接是一种通过电弧产生高温熔化铝合金接头部位的工艺方法。这种方法广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造以及日常家电制造等领域。铝合金电弧焊接能够确保接头的强度和密封性，从而满足不同应用场景对强度和耐腐蚀性的要求。

3.工艺设计考虑的因素

在铝合金电弧焊接工艺设计中，需要考虑多种因素，包括材料的种类和性能、待焊接件的厚度、形状以及所需的接头强度等。这些因素将直接影响焊接方法的选择、焊接参数的设定以及焊接过程中可能遇到的问题，

4.常用铝合金电弧焊焊接方法及优缺点分析

1.TIG焊(钨极惰性气体保护焊)

优点:焊接质量高，焊缝成形美观，适用于薄板和高强度铝合金的焊接。

缺点:生产效率低，对操作技能要求高，设备成本和维护成本较高。

2.MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)鳛砺

优点:生产效率高，焊接速度快，适用于中厚板铝合金的焊接。

缺点:对焊接参数的控制要求较高，容易产生焊接缺陷。

3.手工电弧焊

优点:设备简单，操作灵活，适用于各种位置和形状的焊接。

缺点:焊接质量不稳定，生产效率低，对焊工技能要求高。

5.针对不同场景和要求推荐合适的焊接策略与技巧

1.薄板铝合金焊接推荐采用TIG焊，选择合适的焊接电流和焊接速度，确保焊缝成形美观且质量高。

2.中厚板铝合金焊接推荐采用MIG焊，注意控制焊接参数，避免产生焊接缺陷。

3.高强度铝合金焊接对于高强度铝合金，建议采用预热和后热措施，减少焊接应力和变形。

6.讨论在实际工程中可能遇到的问题和挑战

在实际工程中，铝合金电弧焊接可能遇到的问题包括焊接变形、热裂纹、气孔和未熔合等缺陷。这些问题可能由材料成分、焊接参数、操作技能等多种因素引起，

7.针对这些问题提出相应的解决

方案和建议

1.焊接变形通过合理的装配和固定措施，减少焊接过程中的约束应力和热应力，从而控制焊接变形。

2.热裂纹选择合适的焊接材料，控制焊接参数，生过大的热应力，以减少热裂纹的产生，

3.气孔确保焊接区域的清洁度，采用合适的保护措施，避免气体侵入焊缝，从而减少气孔的产生。

4.未熔合通过调整焊接参数，增加焊接电流和焊接速度，确保焊缝充分熔化并形成良好的接头。

8.结论

铝合金电弧焊接作为一种重要的连接工艺，在实际应用中具有广泛的应用前景。针对铝合金电弧焊接工艺设计，需要综合考虑材料、厚度、形状等因素，选择合适的焊接方法和参数，以确保焊接质量和效率。同时，针对实际工程中可能遇到的问题和挑战，需要采取相应的解决方案和建议，不断提高铝合金电弧焊接技术水平。随着科技的不断进步，未来铝合金电弧焊接技术将在更多领域得到应用，并朝着更高效率、更高质量和更低成本的方向发展。

参考文献：

[1] 张建勋,巩水利,李晓延，等.轻金属焊接学术前沿及其研究领域[J].焊接，2008(12)：5-10.

[2] 李晓延，王国彪.轻金属焊接若干关键基础问题[J].焊接，2009(1)：7-10.

[3] 李刚卿, 邢立伟, 郑浩敏. 高速列车制造焊接技术应用展望[J]. 焊接,2011(5):16-19.

[4] 路 浩，陶传琦.高铁制造中的虚拟焊接技术[J].兵器材料科学与工程,2016,39(3):52-56.

[5] 路 浩,邢立伟,徐会庆.高速列车用铝合金三元气体保护焊技术[J].焊接学报，2013,34(8):105-108.

[6] 路 浩.铝合金焊接接头金相[J].焊接, 2014(11)：3.

[7] 路 浩.铝合金三元气体温度场特征与接头组织[J].焊接学报, 2015,36(6):69-72.

[8] 路 浩.铝合金冷金属过渡焊接技术研究[J].兵器材料科学与工程, 2015,38(3):69-73.

[9] 路 浩.高速列车用铝合金冷金属过渡焊接工艺疲劳性能[J].焊接, 2015(6)：64-67.

[10] 路 浩.铝合金三元气体保护焊焊接接头金相[J].焊接, 2015(8)：3.

[11] 邢立伟，路 浩.铝合金熔化极焊接接头组织分区[J].宇航材料工艺，2017(2)：67-70.

[12] 路 浩，邢立伟.焊道设计对铝合金焊接接头组织及力学性能影响[J].金属加工(冷加工)，2016(S1):564-567.

2016-09-05