蚌埠橋檢查車鋁合金結(jié)構焊接缺陷的產(chǎn)生與防治研究

溫悅，張登魁

（1.中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島066200；2.清華大學，北京100062)

蚌埠橋檢查車鋁合金結(jié)構焊接缺陷的產(chǎn)生與防治研究

溫悅1，張登魁2

（1.中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島066200；2.清華大學，北京100062)

介紹了鋁合金結(jié)構的橋梁檢查車焊接缺陷產(chǎn)生的原因，以及相應的防治措施，以待提升橋梁檢測的裝備水平，進一步增加其安全性、準確性，并提高工作效率。

橋梁檢查車;鋁合金;6061-T6

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.145

1 項目簡介

橋梁檢查車可以為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺。由中鐵山橋集團有限公司研發(fā)的安徽蚌埠長淮衛(wèi)淮河大橋橋梁檢查車，主體結(jié)構材料為6061-T6鋁合金，該合金的主要元素是鎂和硅，并以Mg2Si為強化相。由于其具有中等強度、良好的耐腐蝕性、焊接性、抗氧化性等優(yōu)點，在有一定強度和耐腐蝕性要求的工業(yè)結(jié)構件中有比較廣的應用。該檢查車具有旋轉(zhuǎn)過墩功能，1臺便可以實現(xiàn)對全橋的檢查作業(yè)。

2 焊接缺陷分析

目前，檢查車鋁合金結(jié)構遇到的主要焊接問題有：焊縫氣孔、接頭熱影響區(qū)軟化、焊接裂紋。

圖1 氫在鋁中的溶解度（PH2=101kPa）

2.1 焊縫氣孔

焊縫中的氣孔，是鋁及其合金熔焊時最常見的缺陷，尤其是防銹鋁及純鋁。鋁合金熔焊時，氣孔生成的主要因素是氫氣。焊縫氣孔中的氫，主要來自弧柱氣氛以及母材和焊材所吸收的水分。

2.1.1 弧柱氣氛中水分的影響

1）氣孔成因分析

弧柱氣氛在鋁合金和鋁中的溶解度變化特點，是氫氣形成焊縫氣孔的原因。如圖1所示，在平衡條件下，氫的溶解度沿實線在凝固點的變化從0.69急劇下降到0.036ml/100g，約相差

20倍（而同樣條件下的鋼只有不足2倍），鋁合金導熱性又非常好，在工藝和條件都不變的情況下，鋁熔合區(qū)在冷卻時候的速度能達到高強鋼的4～7倍，不便于氣泡浮出，使焊接時容易出現(xiàn)氣孔[1]。我們必須關注的是，冷卻時氫的溶解度并非平衡狀態(tài)，而是沿abc（冷速大）或ab'c'（冷速?。┌l(fā)生變化。當冷卻速度較小時，過熱熔池里面因為a-b'間溶解度不同而生成大量的起泡，往往可以聚合浮出，還不至于生成氣孔。

2）防治措施

（1）由于山海關地區(qū)的濕度較大，焊接車間應進行相應的干燥處理。各種焊材和保護氣體均需要嚴格控制含水量，使用前均需干燥處理，以便減少弧柱空間中的水分。

（2）可以采取焊前預熱等方式來降低焊接接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的聚合逸出。

（3）使用直徑粗的焊絲進行MIG焊接，因為直徑細的焊絲含有熔滴的表面積小，容易產(chǎn)生氣孔。

2.1.2 氧化膜中的水分影響

1）氣孔成因分析

產(chǎn)生氣孔的另一個重要因素是工件或焊絲的氧化膜中所吸附的水分。6061-T6鋁合金的氧化膜主要由氧化鎂和氧化鋁等組成，氧化鎂生成的氧化膜比較稀松，很容易吸附水分。

2）防治措施

焊絲及母材表面的氧化膜應徹底清除，采用機械法與化學法相結(jié)合的方法使其達到最佳效果。比如，先用清洗劑去除金屬表面的油污，然后用化學試劑清洗，最后使用丙酮擦拭表面，用吹風機吹干后，放入30℃左右的干燥箱里。使用前用拋光氈輪進行機械打磨，再次去除氧化膜[2]。

用試劑清洗后2～3h就可以使用，一定不能超過24h。推薦清洗焊絲后將其放在150～200℃的烘箱內(nèi)，使用的時候直接拿取即可。

2.2 接頭熱影響區(qū)軟化

2.2.1 成因分析

6061 -T6是時效強化鋁合金，在熔焊作業(yè)時有個無法避免的現(xiàn)象就是因為“過時效”而造成的熱影響區(qū)軟化的問題。熱影響區(qū)中，焊接熱循環(huán)溫度高于合金人工時效溫度，并且低于固溶溫度時，強化相Mg2Si易于脫溶析出并聚集長大，焊接時熱輸入越大，高溫停留時間越長，軟化程度越高。

2.2.2 防治措施

焊后熱處理。對6061-T6鋁合金TIG接頭進行人工時效過程：室溫時將試樣放入電磁感應爐中，以100℃/h加熱速度加熱到175℃，保溫8h后隨爐冷卻。試驗發(fā)現(xiàn)，接頭的極限抗拉強度可由時效前的142.7MPa提升至240.6MPa（母材為272.7MPa），抗拉強度提高15%左右。原因在于時效析出的沉淀強化相提高了接頭抵抗應力變形的能力。

2.3 焊接裂紋

2.3.1 成因分析

鋁合金在焊接過程中產(chǎn)生的裂紋，大部分是焊縫金屬的凝固裂紋以及近縫區(qū)的液化裂紋，是存有熔點低的物質(zhì)以及晶界上的合金元素偏析導致的結(jié)果。前者和晶間易熔共晶存在關聯(lián)，然而這樣的易熔共晶夾層不是晶間原已存在，而是由于施焊時加熱不平衡產(chǎn)生的偏析，是晶間液化；后者是焊縫金屬在結(jié)晶溫度的低溫區(qū)時，因為晶粒間的聯(lián)結(jié)被低熔共晶產(chǎn)生的液態(tài)薄膜削弱了，在凝結(jié)時的收縮應力和其他外力作用下產(chǎn)生沿晶開裂。

對于6061-T6鋁合金熔化焊接接頭而言，焊縫中由于存在Si、Mg以及少量Mn、Cu等元素，造成共晶成分和熔點復雜，焊縫產(chǎn)生凝固裂紋的敏感性增大，更容易產(chǎn)生凝固裂紋。

2.3.2 防治措施

1）調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)。其目的是控制適量的易熔共晶以及縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。因為6061-T6鋁合金是共晶合金，有易熔共晶會加大凝結(jié)裂紋產(chǎn)生趨勢，因此，通常都是讓主要合金元素的含量高于裂紋趨勢最大的合金成分而產(chǎn)生愈合作用。

如圖2所示，使用TIG焊對剛性T型接頭進行試驗，不一樣的母材搭配不同的焊絲，結(jié)果具有不同的裂紋傾向[1]。從圖中發(fā)現(xiàn)，對于6061鋁合金，當采用與母材基本同質(zhì)的焊絲（6070）時具有較大的裂紋傾向，而使用Al-5%Si焊絲（比如4043）以及Al-5%Mg焊絲（比如5556）時則有比較明顯的抗裂作用。此試驗進一步說明，通過選取不同的焊絲可以調(diào)整焊縫金屬中合金元素的種類和含量，從而改變接頭的熱裂傾向。

圖2 母材與焊絲組合的抗熱裂性試驗（剛性T型接頭，TIG）

2）調(diào)整焊接工藝參數(shù)。焊接工藝的參數(shù)可以影響焊接裂紋的產(chǎn)生，熱能集中焊接的方法，有利于加快焊接過程，可以防止粗晶柱狀晶的形成，從而提高裂紋的抵抗能力。使用小電流焊接，可以避免熔池過熱，便于改善抗裂性。焊接速度的增加和焊接接頭的應變速率的增加，將增加熱裂紋的趨勢。

3 結(jié)論

電弧熔化焊焊接6061-T6鋁合金檢查車時，會出現(xiàn)難以避免的焊縫氣孔、接頭熱影響區(qū)軟化、焊接裂紋等缺陷，這些缺陷的產(chǎn)生因素均較為復雜。工程人員可以借鑒上述提出的各種缺陷的防治措施，從優(yōu)化材料、調(diào)整工藝參數(shù)等方面著手，有望實現(xiàn)低概率的焊接缺陷。

【1】周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

【2】翟玉峰，黃堅，李敏，等.6061-T6鋁合金高速高功率CO2激光填絲焊接性的研究[J].中國激光,2011(5):1-6.

Research on Generation and Control of Welding Defects of Aluminum Alloy Structure of Check-up Locomotive of Bengbu Bridge

WEN Yue1,ZHANG Deng-kui2
(1.China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.Ltd.,Qinhuangdao 066200,China;2.Tsinghua University,Beijing 100062,China)

This paper introduces the causes for welding defects of aluminum alloy structure of check-up locomotive,and the countermeasures, in order to improve the equipment levels of bridge inspection,further increase its safety as well as accuracy,and improve work efficiency.

check-up locomotive;aluminum alloy;6061-T6

TG441.7

A

1007-9467（2016）11-0097-03

2016-10-12

溫悅（1983～），男，河北秦皇島人，工程師，從事機械產(chǎn)品的設計與工藝研究。