鋁合金焊接頭的軟化及改善措施分析

王文安

（哈爾濱技師學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

鋁合金是各行各業(yè)施工期間理想的輕量化材料，現(xiàn)階段在我們的生活、工作中鋁合金材料隨處可見，如輕軌電車、航空輕量化裝備、磁懸浮列車車體等，鋼材料焊接模式逐漸被鋁合金焊接結(jié)構(gòu)所取代，對于同樣強度與剛度要求的工程，鋁合金材料質(zhì)量可以減輕50%以上，從而有效實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的輕量化發(fā)展與成本控制目標(biāo)。與此同時，鋁合金還具備較強的導(dǎo)熱性能，如果焊接過程中熱輸出不夠或者焊接工藝不當(dāng)，那么，就容易產(chǎn)生焊接軟化問題，出現(xiàn)變形或者殘余應(yīng)力等現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭強度大幅度降低，無法滿足構(gòu)建使用要求。

1 鋁合金焊接期間常見問題

經(jīng)過實踐探究可知，鋁合金焊接過程中接頭容易出現(xiàn)軟化問題，強度系數(shù)也大打折扣，并且不當(dāng)?shù)暮附庸に嚾菀桩a(chǎn)生表面難熔的氧化膜，需要采用大功率密度焊接工藝，才能有效預(yù)防這一問題的發(fā)生。與此同時，施工人員操作不當(dāng)?shù)那闆r下，鋁合金焊接可能會出現(xiàn)熱裂紋或氣孔，對后續(xù)工作造成不利影響。相對來說，鋁合金焊接線膨脹系數(shù)較大，焊接后變形現(xiàn)象屢見不鮮，在熱導(dǎo)率方面鋁合金約為鋼的4倍，同樣焊接速度情況下，鋁合金熱輸入與鋼材熱輸入差異較大。一旦鋁合金焊接接頭出現(xiàn)軟化，那么其強度與剛度將大打折扣，與母材相比，接頭強度較低，從而使自身性能無法得到保障。在實際應(yīng)用期間，鋁合金焊接接頭軟化現(xiàn)象在一定程度上影響了整體焊接質(zhì)量，因此，我們將針對鋁合金焊接接頭軟化問題，有針對性地制定解決對策，希望能夠有效提升焊接接頭強度，為后續(xù)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 鋁合金焊接接頭軟化因素分析

鋁合金焊接后，接頭軟化問題較為常見，在不同焊接工藝及焊接熱輸入現(xiàn)象下，接頭軟化程度也不盡相同，但是，熱處理強化鋁合金焊接接頭軟化問題極為嚴(yán)重，不利于后續(xù)工作的順利實施。在退火情況下，非熱處理強化鋁合金焊接過程中，母材與接頭強度方面基本相同，在冷作硬化情況下焊接，母材強度則大于接頭強度。在實際工作中應(yīng)注意，無論是在時效狀態(tài)下，還是在退火狀態(tài)下實施焊接工作，如果焊接后沒有及時對接頭進行熱處理，那么，接頭強度將無法得到保障，甚至低于母材，尤其是時效狀態(tài)下硬鋁焊接完成后，雖然及時進行時效處理，但是，接頭強度仍低于母材強度，無法滿足建設(shè)需求，這對于鋁合金整體結(jié)構(gòu)使用壽命也將造成嚴(yán)重影響。

2.1 非熱處理強化鋁合金焊接接頭軟化

非熱處理強化鋁合金焊接接頭軟化現(xiàn)象，是由于焊接熱影響區(qū)焊接接頭局部冷卻或晶粒粗大，導(dǎo)致材料硬化效果消失造成的。如果再結(jié)晶體溫度低于熱影響區(qū)峰值溫度，那么，產(chǎn)生軟化現(xiàn)象后，鋁合金焊接接頭整體硬度將大幅度降低，冷作硬化的強化效果無法體現(xiàn)。因此可以看出，隨著焊接前母材冷作硬化程度的提高，后期接頭軟化程度隨之提高，在鋁合金焊接工程中軟化現(xiàn)象十分常見，并且在特定情況下是不可避免的，尤其是經(jīng)冷作硬化后的鋁合金薄板，如果焊接過程中工藝應(yīng)用不當(dāng)，那么，其強化效果將被抵消。

2.2 熱處理強化鋁合金焊接接頭軟化

熱處理強化情況下鋁合金接頭軟化現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致這一問題產(chǎn)生的原因是由于高溫環(huán)境下，熱影響區(qū)及焊縫性能發(fā)生一定變化，從而形成一系列反應(yīng)而引起的。在鋁合金焊接高溫環(huán)境下如果時間過長，那么，就會產(chǎn)生熱影響區(qū)軟化問題，也就是說，熱影響區(qū)強化相脫溶析出并集聚長大，從而導(dǎo)致焊接強化作用被抵消，形成過時效軟化，在一定熔焊作用下這是難以避免的。與此同時，熱處理強化鋁合金焊接接頭可能會產(chǎn)生熱裂紋，為了預(yù)防熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，焊接過程中施工人員應(yīng)盡量減少焊接熱輸入，這樣也有利于高溫在影響區(qū)停留時間的縮減，以防高溫作用下晶體長大造成大面積粗晶區(qū)，導(dǎo)致鋁合金焊接接頭軟化問題的產(chǎn)生。

3 鋁合金焊接接頭軟化問題改善措施

3.1 常見改善措施分析

現(xiàn)階段，我國業(yè)內(nèi)人員對鋁合金焊接接頭軟化問題高度重視，并且針對此問題開展了一系列研究，取得了重要成果。首先，以冶金學(xué)為出發(fā)點，可以通過焊接熱模擬的方式改變焊絲成分，或者采取有效的熱處理方法改善接頭區(qū)組織性能，促進接頭強度的提高。其次，以力學(xué)為出發(fā)點考慮，可以利用時效強化、擠壓強化、溫差拉伸、隨焊碾壓強化、局部補強等方式，有效改善鋁合金焊接接頭性能。從冶金角度出發(fā)，焊后熱處理能夠保障鋁合金在焊接過程中強化效果的恢復(fù)，這種軟化改善方式一般在小型焊件中較為常見，但是，也容易產(chǎn)生變形問題，受到多方面限制。而以力學(xué)為出發(fā)點進行的時效強化工作，能夠在一定程度上有效改善接頭軟化問題，但是，也正是由于其時效性，因此，一旦發(fā)生過時效現(xiàn)象，則晶粒粗化發(fā)展，接頭強度也大幅度降低。

除此之外，隨焊碾壓的方式可以降低近縫區(qū)及焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力，但是，由于通常依靠輪軸傳遞碾壓力量，而碾壓輪尺寸相對較大，與焊槍之間存在矛盾，打弧現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，加上實際生產(chǎn)期間大型設(shè)備投入較為困難，因此，這一方法并未得到普及。隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓方式有利于鋁合金焊接接頭參與應(yīng)力的降低，并且能夠在一定程度上改善接頭變形現(xiàn)象，但是，這一方法應(yīng)用范圍較小，現(xiàn)階段只適用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用期間受到的限制性影響較多。隨焊錘擊能夠有效改善薄板結(jié)構(gòu)焊趾及焊縫的力學(xué)性能，但是需要在焊道表面與焊道兩側(cè)直接錘擊，而錘擊面粗糙需要裝置附加設(shè)備，因此，很難準(zhǔn)確控制。

目前，溫差拉伸方式應(yīng)用較少，該方法具有工作環(huán)境差、成本高、效率低，以及使用不方面等不足之處，并且在使用過程中可能加大焊縫區(qū)橫向收縮現(xiàn)象，因此，在封閉焊縫焊接條件下無法實施。

3.2 深冷處理措施分析

20世紀(jì)60年代，普通冷處理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯罾涮幚恚瑢儆谝婚T新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)-130℃以下對材料進行處理，從而促進材料韌性與強度的提高。在非鐵金屬、鋼鐵金屬以及復(fù)合材料中深冷處理較為常見，能夠保障材料使用壽命、力學(xué)性能達到預(yù)期效果，并且有利于材料均勻性的改善，實際工作期間，深冷處理方式具有操作簡便、成本低廉、無污染等優(yōu)勢。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于工模具鋼深冷處理相關(guān)研究較多，在研究人員的不懈努力下，該方法能夠有效改善材料性能。鋁合金屬于非鐵金屬材料，但是，相關(guān)深冷處理研究較少，在國內(nèi)這種技術(shù)引進相對較晚。

通過實驗觀察與探析可以了解到，在深冷處理后，鋁合金焊接接頭抗拉強度有所提升，在2個小時深冷處理后，焊接接頭抗拉強度并未出現(xiàn)明顯變化，而到了4個小時深冷處理時間后，鋁合金焊接接頭抗拉強度顯著提升，并且也是提高幅度最大的階段，與其他未經(jīng)處理的焊接接頭硬度相比較，這時候，接頭抗拉強度提高了10%以上。深冷處理8個小時之后，將其與深冷處理4個小時后的數(shù)據(jù)相比，可以發(fā)現(xiàn)其抗拉強度有所降低。從整體上來看，鋁合金焊接接頭在深冷處理下，焊縫區(qū)粗晶現(xiàn)象以及接頭轉(zhuǎn)化現(xiàn)象得到顯著改善，并且焊接接頭強韌性與力學(xué)性能也得以提高，由此可見，將深冷處理技術(shù)與鋁合金焊接工作相結(jié)合，對于二者的發(fā)展均具有深刻意義。

4 結(jié)語

綜上所述，鋁合金焊接接頭存在軟化現(xiàn)象，這對于鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將構(gòu)成不利影響，而現(xiàn)階段一些改善措施無法從根本上解決問題，經(jīng)過相關(guān)調(diào)查與資料分析，可以了解到，深冷處理方式有利于鋁合金焊接接頭強度的提高，并且具有成本低、操作簡便的特點。本文對鋁合金焊接接頭軟化問題改善對策進行了分析，希望能夠為專業(yè)人員的研究提供一些參考。