[摘 要] 鋁合金密度低，強(qiáng)度大，大量應(yīng)用于高速列車的車體制造。但鋁合金焊接時變形大，易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，因此需要采取相應(yīng)的措施來有效地控制鋁合金焊接缺陷，保證高速列車的制造質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 鋁合金；氧化膜；氣孔；裂紋；變形

[作者簡介] 崔磊，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心助理設(shè)計(jì)師，山東 青島，266111

[中圖分類號] TG574 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1007-7723（2013）02-0020-0005

目前鋁合金作為大眾化的金屬材料被廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)，它具有密度低、強(qiáng)度高、擠壓性及焊接性能良好、回收利用率高等多個優(yōu)越特點(diǎn)，因此批量應(yīng)用于鐵道車輛制造業(yè)。高速動車在速度提高的同時也要求車體具有更高的承載強(qiáng)度，因此，必須提高鋁合金焊接質(zhì)量，有效地控制缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

一、鋁合金的性能

純鋁是銀白色的輕金屬，密度2.7g/cm3，約為鋼的1/3（鋼的密度為7.87 g/cm3），導(dǎo)電率較高，僅次于金、銀、銅居第4位。熱導(dǎo)率比鋼大2倍左右，熔點(diǎn)為658℃，加熱溶化時無明顯顏色變化，具有面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。塑性和冷、熱、壓力加工性能好，但強(qiáng)度低（只有90 MPa左右）。

純鋁的化學(xué)活潑性強(qiáng)，與空氣接觸時，就會在其表面生成一層致密的氧化膜（主成分是Al2O3）薄膜，這層氧化膜可防止冷的硝酸及醋酸的腐蝕，但在堿類和含有氯離子的鹽類溶液中被迅速破壞而引起強(qiáng)烈腐蝕。純鋁中隨著雜質(zhì)的增加，其強(qiáng)度增加，而塑性、導(dǎo)電性和耐蝕性下降。

鋁合金是在純鋁中加入合金元素如鎂、錳、硅、銅、鋅等后獲得不同性能的金屬材料。

二、鋁合金的結(jié)構(gòu)件應(yīng)用

目前應(yīng)用于鐵道車輛的鋁合金主要有5000系列、6000系列、7000系列。

（一）Al- Mg合金-5000系

由于Mg的增加直接影響其機(jī)械性能，能增加抗拉強(qiáng)度。含有低Mg的合金主要利用于裝飾材料、建筑材料。含有2.5%Mg的合金具有較好的耐蝕性、加工性、耐海水性、焊接性，主要利用于車輛、船舶的制造。

（二）Al- Mg-Si合金-6000系

主要含有Mg、Si金屬，是熱處理強(qiáng)化性鋁合金。此系列合金具有優(yōu)良的擠壓性，因此制造型材非常有利，且具有良好的耐蝕性、焊接性、具有較高的強(qiáng)度，廣泛利用于鐵道車輛、船舶、建筑用窗框、土木結(jié)構(gòu)材料的制造。

（三）Al-Zn-Mg-合金-7000系

此系列分Al-Zn-Mg-Cu合金和不含Cu的Al-Zn-Mg合金，二者均為熱處理強(qiáng)化性鋁合金。前者在鋁合金當(dāng)中具有最高強(qiáng)度，但焊接性差，所以主要利用于航空行業(yè)。后者焊接性較好，應(yīng)力腐蝕傾向不明顯，而且焊接3個月后其接頭強(qiáng)度通過自然時效能得到部分恢復(fù)，則廣泛利用于鐵道車輛的制造。

三、鋁合金的焊接性

由于鋁合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在焊接過程中會產(chǎn)生一系列困難，具體有以下幾點(diǎn)：

（一）強(qiáng)的氧化能力

鋁與氧的親和力很大，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密結(jié)實(shí)的γ-A12O3薄膜，在焊接過程中，γ-A12O3薄膜會阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易造成夾渣。而且氧化膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫生成氣孔。因此，為保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再氧化，對熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效的保護(hù)，這是鋁合金焊接的一個重要特點(diǎn)。

（二）較大的熱導(dǎo)率和比熱容

鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容都很大，約比鋼大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因此，焊接鋁合金比鋼要消耗更多的熱量。

（三）線膨脹系數(shù)大

鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時的體積收縮率達(dá)6.5%～6.6%，容易產(chǎn)生焊接變形。焊接某些鋁合金時，往往由于過大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋，這是鋁合金，尤其是高強(qiáng)鋁合金焊接時最常見的嚴(yán)重缺陷之一。

（四）容易形成氣孔

焊接接頭中的氣孔是鋁合金焊接時極易產(chǎn)生的缺陷，氫是熔焊時產(chǎn)生氣孔的主要原因，為了防止氣孔的產(chǎn)生，以獲得良好的焊接接頭，對氫的來源要加以嚴(yán)格控制，使用前要對焊接材料進(jìn)行干燥處理。

（五）焊接熱對基體金屬的影響

焊接可熱處理強(qiáng)化的鋁合金時，由于焊接熱的影響，會使基體金屬近縫區(qū)某些部位軟化，即力學(xué)性能變壞。采取的措施主要是控制預(yù)熱溫度和層間溫度，焊后熱處理等。

（六）焊接接頭的耐腐蝕性低于母材

鋁合金接頭的耐蝕性的降低很明顯，接頭組織越不均勻，耐蝕性越易降低。焊縫金屬的純度和致密性也影響接頭耐蝕性能。由于雜質(zhì)較多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蝕性就會明顯下降，不僅產(chǎn)生局部表面腐蝕而且經(jīng)常出現(xiàn)晶間腐蝕。

（七）合金元素的蒸發(fā)和燒損

某些鋁合金中含有低沸點(diǎn)的合金元素如鎂、鋅等，這些元素在高溫作用下極易蒸發(fā)、燒損，從而改變了焊縫金屬的化學(xué)成分，同時也降低了焊接接頭的性能。

四、鋁合金在車體上的應(yīng)用

鋁合金車體上承載結(jié)構(gòu)普遍使用的鋁合金主要是A5083、6N01、7N01三種材料。A5083因耐蝕性、焊接性好，但擠壓性能差，所以只能用在骨架及板狀的制件；6N01和7N01鋁合金主要用于鋁型材結(jié)構(gòu)，6N01主要用在車頂、側(cè)墻、底架地板、端墻等受力不大的部件的制造；7N01主要用在牽引梁、枕梁、車鉤座、緩沖梁、高度閥座、抗蛇形扭桿座等受力較大的部件制造。

五、鋁合金焊接當(dāng)中出現(xiàn)的問題及防止措施

鋁合金焊接當(dāng)中出現(xiàn)的問題主要有焊接缺陷以及變形、接頭強(qiáng)度下降等。

（一）氣孔

1. 產(chǎn)生氣孔機(jī)理

產(chǎn)生氣孔氣體有H2、CO、N2等。N2不溶于液態(tài)鋁，而H2是主要來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料以及母材所吸收的水分。其中，焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對焊縫氣孔的產(chǎn)生常常占有突出的地位。焊接時，氫在液態(tài)鋁中的溶解度為0.7ml/100g，而在660℃凝固狀態(tài)時，氫的溶解度為0.04 ml/100g，使原來溶于液態(tài)鋁中的氫大量析出，形成氣泡，但鋁合金本身導(dǎo)熱性強(qiáng)，散熱快，加上鋁合金熔點(diǎn)低，這些氣泡來不及逸出，在上浮途中被“擱淺”形成氣孔。如圖1所示。

2. 防止措施

（1）適當(dāng)控制焊接環(huán)境的濕度，提供良好的焊接環(huán)境。

（2）焊前對焊件應(yīng)認(rèn)真清理氧化膜、潮氣和油污，以防止氣孔的形成。特別需要注意的是機(jī)械加工后焊件上的油污務(wù)必清理好，中小零件最好在配好的清洗溶液里用浸泡的方法徹底清理干凈油污。在現(xiàn)場局部地方需要清理的話，可用丙酮或高純度的酒精。

（3）操作方面：焊接過程盡可能少中斷，在選擇工藝參數(shù)時選擇強(qiáng)參數(shù)，使熔池高溫存在時間增長，使氣泡盡量快速逸出，減少氫氣孔的產(chǎn)生。如焊立焊縫時，采用由下向上立焊，由于氣泡逸出通道較短，有利于氣泡逸出，如圖2所示。焊接起弧是由于溫度低，散熱快，起弧點(diǎn)會產(chǎn)生大量的氣孔，故設(shè)置引弧板或在焊縫以外的母材上引弧，保證焊縫的質(zhì)量，如圖3所示。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：若坡口角度小，則不利于氣泡的逸出，所以設(shè)計(jì)時坡口角度稍大一點(diǎn)，有利于氣泡的逸出，減少產(chǎn)生氫氣孔的傾向。

（5）焊接材料方面：Ar氣的純度很重要。純度越高越好，最好是純度達(dá)到99.99%以上。

（二）裂紋

鋁合金焊接易產(chǎn)生焊接結(jié)晶裂紋以及近縫區(qū)的液化裂紋，即產(chǎn)生熱裂紋傾向較大。

1. 產(chǎn)生裂紋機(jī)理

鋁的線膨脹系數(shù)是鋼的2倍多，熱傳導(dǎo)率為將近低碳鋼的5倍，因此，鋁焊接件的焊接應(yīng)力大。另外，合金的成分對熱裂紋的產(chǎn)生有很大影響。合金成分越高，其裂紋傾向越大。原因是鋁合金熔點(diǎn)低，焊接時加熱、冷卻過程均迅速，使合金來不及建立平衡狀態(tài)，現(xiàn)結(jié)晶的固相中合金含量較少，而液相中含較多的合金元素，以致較少的平均濃度下就出現(xiàn)低熔共晶體。若低熔共晶呈薄膜狀展開于晶界面時，增大裂紋傾向。易熔共晶體的存在是鋁合金焊縫產(chǎn)生裂紋的重要原因之一，如圖4所示。

至于近縫區(qū)液化裂紋，同結(jié)晶裂紋一樣，也是晶間低熔共晶的存在有聯(lián)系，是在不平衡的焊接加熱條件下引起偏析而形成的。

2. 防止措施

（1）選擇合理的母材、焊接材料工藝?？刂迫鄢氐暮辖鸪煞郑瑒t涉及到母材成分以及焊接材料的選擇。實(shí)踐證明， 7000系列當(dāng)中的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的裂紋傾向較大，所以盡量避免采用這種材料作為焊接結(jié)構(gòu)件。實(shí)踐證明，7000系列當(dāng)中的不含銅的Al-Zn-Mg鋁合金（7N01）的焊接裂紋傾向低，焊接性較好，已廣泛使用于鐵道車輛行業(yè)。焊接材料方面，應(yīng)選擇抗裂紋性強(qiáng)的焊絲。

（2）控制熔池溫度?？刂迫鄢販囟确矫?，首先控制環(huán)境溫度。外部環(huán)境溫度過低必然加速冷卻速度，應(yīng)控制在15℃以上，必要時可以預(yù)熱，但不應(yīng)超過200℃。其次，通過調(diào)節(jié)焊接規(guī)范來控制熔池溫度。線能量過大變形也大，線能量過低易出現(xiàn)未熔合；綜合考慮應(yīng)采用稍微偏高的線能量為好。

（3）實(shí)際操作方面：焊接收弧易產(chǎn)生弧坑裂紋，通過操作者的手法填滿弧坑，盡可能減少裂紋傾向。還有采用引弧、收弧板。眾所周知，引弧、收弧時最容易出現(xiàn)焊接缺陷，因此干脆通過引弧、收弧板，直接把這些隱患拉到焊件外，焊后打掉引弧、收弧板。鋁合金焊接應(yīng)養(yǎng)成使用引弧、收弧板的習(xí)慣。如圖5a ，5b所示。短焊縫在中間收弧，防止弧坑裂紋，如圖5c所示。

（三）夾渣

1. 形成氧化膜機(jī)理

鋁本身屬活潑金屬，所以鋁合金表面易形成一層難熔的氧化鋁薄膜。這層氧化膜的熔點(diǎn)達(dá)到2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁合金的熔點(diǎn)（約660℃）。在焊接過程當(dāng)中，氧化鋁薄膜會阻礙基本金屬熔化和融合，而且氧化膜的比重大（約為鋁的1.4倍），不易浮出熔池，造成焊縫夾渣。

2. 防止措施

清除焊件表面的氧化膜。表面清理方法有機(jī)械清理法和化學(xué)清理法兩種。鐵道車輛制造行業(yè)這兩種方法都適用。機(jī)械清理法主要是用打磨機(jī)（電動、風(fēng)動兩種，風(fēng)動較活用）或鋼絲刷、刮刀、銼刀打磨坡口的方法清理氧化膜；化學(xué)清理法不僅清理氧化膜，還要起到清理焊件表面的油污的作用。氧化膜清理之后應(yīng)在6小時之內(nèi)焊接，不然應(yīng)重新處理。大面積清理氧化膜是鋁合金焊接的重要特征。

（四）易燒穿

1. 易燒穿的原因

鋁合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，不像碳鋼那么明顯，無明顯顏色變化，所以不易判斷熔池的溫度變化，實(shí)際操作時不好掌握尺度。另外，溫度升高時，鋁的機(jī)械強(qiáng)度降低，因此焊接時易導(dǎo)致燒穿。

2. 防止措施

焊縫背面加墊可防止燒穿。根據(jù)不同情況可選用不同的墊。若采用鋁合金板材（一般2～4mm），則屬于直接斷續(xù)焊而永久性跟著焊接件轉(zhuǎn)到下工序（若需要可以通過機(jī)械加工的方法加工掉）；若采用不銹鋼棒，則屬于反復(fù)利用回收用的，但相對裝配要求高；若采用粘貼式陶瓷性的，則焊后報廢屬于一次性的，操作起來非常方便。前者適合于單面焊雙面成形；后兩者適合于X形坡口。在鋁合金焊接當(dāng)中常用這三種方法。

（五）咬邊

1. 咬邊原因

焊縫沿著焊趾的母材部位燒熔形成的溝槽或凹陷，如圖6所示。咬邊不僅減弱了焊接接頭強(qiáng)度，而且因應(yīng)力集中容易引起裂紋。原因主要是電流過大，電弧過長，焊槍角度不正確等。

2. 防止措施

選擇合適的焊接電流和焊接速度，電弧不能拉得太長，焊槍角度要適當(dāng)。

（六）未焊透

1. 未焊透原因

未焊透是指焊接時焊接接頭底層未完全熔透的現(xiàn)象，見圖7。未焊透會造成應(yīng)力集中，并容易引起裂紋，重要的焊接接頭不允許有未焊透的現(xiàn)象。原因主要是坡口角度或間隙過小、鈍邊過大，焊接工藝參數(shù)選用不當(dāng)或裝配不良等。

2. 預(yù)防措施

正確選用和加工坡口尺寸，合理裝配，保證間隙，選擇合適的焊接電流和焊接速度等。

（七）未熔合

1. 未熔合原因

未熔合是指焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未完全熔化結(jié)合的部分，如圖8所示。未熔合直接降低了接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重的未熔合會使得焊接結(jié)構(gòu)根部無法承載。原因：鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，散熱快，加上鋁合金本身熔點(diǎn)低，焊接時很容易出現(xiàn)不熔合現(xiàn)象。若環(huán)境溫度低，這種傾向更加嚴(yán)重，也是鋁合金焊接當(dāng)中較棘手的難題。

2. 防止措施

（1）控制環(huán)境溫度（最好15℃以上）。

（2）適當(dāng)提高焊接線能量，適當(dāng)控制焊接速度。

（3）可以采取預(yù)熱措施。8mm以上板材采取預(yù)熱（不超過200℃）措施。

（八）焊瘤

1. 焊瘤原因

在焊接過程中熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材所形成的金屬瘤焊瘤，不僅影響了焊縫的成型，而且在焊瘤的部位，往往還存在夾渣和未焊透。產(chǎn)生原因是熔池溫度過高，液體金屬凝固較慢，在自重的作用下形成。

2. 防止措施

根據(jù)不同的焊接位置設(shè)置不同的焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制熔孔的大小。

（九）焊接變形

1. 焊接變形原因

鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，線膨脹系數(shù)大，受熱不均，殘余應(yīng)力大且不均勻分布，很容易產(chǎn)生變形，也是個頗感棘手的問題。

2. 防止措施

（1）設(shè)計(jì)方面：選擇合理焊縫形狀、尺寸、數(shù)量、位置。

（2）工藝方面：反變形法、剛性固定法、選擇合理的焊接方法和焊接參數(shù)、選擇合理的裝配和焊接順序。

（3）實(shí)際操作方面：機(jī)械矯正法、火焰矯正法等。

（十）焊后接頭強(qiáng)度偏低

1. 焊后接頭強(qiáng)度偏低原因

鋁合金供貨時基本都是經(jīng)過時效處理的，但焊接后高溫下易出現(xiàn)材料的“過時效”。這不僅出現(xiàn)在焊縫，熔合區(qū)、熱影響區(qū)也都出現(xiàn)受熱而發(fā)生軟化現(xiàn)象而強(qiáng)度降低，使母材與焊接接頭無法達(dá)到等強(qiáng)度，只能達(dá)到母材的60%～70%。只有不含銅的Al-Zn-Mg鋁合金（7N01）焊后通過自然時效能恢復(fù)部分強(qiáng)度。

2. 防止措施

適當(dāng)控制焊接線能量，但目前要完全恢復(fù)原本強(qiáng)度已不大可能。

（十一）焊縫尺寸不符合要求

1. 原因

主要指焊縫余高及余高差、焊縫寬度及寬度差、錯邊量、焊后變形量等不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸，焊縫高低不平，寬窄不齊，變形較大等。焊縫寬度不一致，除了造成焊縫成形不美觀外，還影響焊縫與母材的結(jié)合強(qiáng)度；焊縫余高過大，造成應(yīng)力集中，而焊縫低于母材，則得不到足夠的接頭強(qiáng)度；錯邊和變形過大，則會使傳力扭曲及產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成強(qiáng)度下降，如圖9所示。原因是機(jī)械加工精度不夠，坡口角度不當(dāng)或鈍邊及裝配間隙不均勻，焊接參數(shù)選擇不合理等。

2. 防止措施

選擇適當(dāng)?shù)钠驴诮嵌群脱b配間隙；提高裝配質(zhì)量；選擇合理的焊接工藝參數(shù)。

六、結(jié) 語

在鋁合金焊接接頭中，焊縫區(qū)易生成氣孔和結(jié)晶裂紋；母材熱影響區(qū)易發(fā)生軟化；熔合區(qū)則是焊接接頭上最薄弱的環(huán)節(jié)，該區(qū)域內(nèi)存在化學(xué)成分和組織不均勻，存在焊接接頭幾何形狀造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為預(yù)防焊縫氣孔，需采取全工藝過程中的綜合技術(shù)措施，特別是要徹底清理焊絲和零件焊接區(qū)的表面。為了預(yù)防焊接裂紋（結(jié)晶裂紋和液化裂紋）需選擇化學(xué)成分合適的焊絲、合適的接頭形式和尺寸及合適的焊接工藝，減小結(jié)構(gòu)因素及工藝因素形成的拘束度。未預(yù)防構(gòu)件焊接后發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，應(yīng)預(yù)防焊接缺陷（特別是未焊透、焊接裂紋），改善焊接接頭的性能，消除焊接接頭的應(yīng)力集中（特別是焊縫正反面余高向母材急驟過渡）。

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