铝合金焊接材料制备工艺研究

铝合金焊接材料制备工艺研究

王磊王鑫铨

天津二十冶钢结构制造有限公司天津301500

摘要：铝合金焊接接头力学性能不均匀加大了焊接结构变形及开裂失效预测的难度。通过特殊样件拉伸试验，结合有限元反求方法获得了铝合金焊接接头焊缝、热影响区局部材料参数，建立从细观损伤力学角度预测铝合金焊接结构变形开裂的GTN（Gurson-Tvergaard-Needlemen）损伤模型。将焊接接头按照材料性能差异进行分区，构建精细有限元模型，采用Ls-dyna软件结合GTN损伤模型对铝合金拼焊薄壁梁结构轴向压溃变形及开裂失效进行了预测，预测结果与试验吻合很好，验证了该方法的有效性。

关键词：铝合金焊接；质量；定量评价；工艺优化

引言

随着我国社会经济的不断发展，在工业生产、城市建设、航空航天以及轨道交通等领域对于金属结构大型化和轻量化的需求也在不断的提升，而铝合金材料具有强度高、耐蚀性强、加工性好以及可焊性好等优势，使其在上述领域中得到了广泛的应用。但是与此同时对于铝合金结构的成形制造质量也提出了更高的要求。铝合金的焊接质量能够直接关系到铝合金结构的使用性能和寿命，因此，加强对铝合金焊接质量检测技术的研究是非常必要的。

1铝合金焊接过程中的注意事项

铝合金材料在熔焊接头的过程中由于需要经历冶金反应、热循环以及应力应变等过程，其接头组织会表现出明显的不均匀性，而这种不均匀性直接导致接头力学性能存在较大的差异，再加上残余应力和焊接缺陷等因素，导致焊接接头成为了整个铝合金结构中最为薄弱的部位。因此，在铝合金焊接生产的过程中必须要注意一下几个问题：第一，在铝合金焊接的过程中由于氢在固-液状态的铝合金或者铝中的溶解度相差近20倍，所以，在焊缝当中非常容易产生很多宏观或微观的气孔，这也使得在焊接制造修补缺陷的过程中，气孔缺陷就占了80%左右；第二，由于铝合金材料的热导率和线膨胀系数较大，这使得其在较大焊接电流或者较低焊接速度的工况下，线能量会不断的增大，最终导致焊接接头组织粗化，进而使得热影响区的应力应变变得更加的复杂。

2铝合金焊接材料制备中的焊丝挤压拉拔工艺研究

在铝合金钎焊中，以Al-Si系钎料最为常用，对于轨道行业中所使用的铝合金焊接材料，往往是采用第一种工艺来进行制备的，而在该工艺中，挤压是其核心环节，其直接影响着焊丝的制备质量。在对焊丝进行挤压之前，需要铸锭，并预先加热模具，在进行挤压时，应对材料的挤压变形比、挤压温度及挤压速度等进行严格的控制。在铝合金焊接材料制备中，铝锰合金与铝镁合金的焊材具备良好的挤压性能，而铝硅类焊丝又比铝硅钎料的挤压性要好，相对来说，铝硅锗合金、铝硅铜合金在应用该工艺进行挤压时往往是具有极大难度的。挤压不仅能够在实心焊丝中应用，同样还能在铝合金药芯焊丝中进行应用。现阶段，我国在铁路领域所使用的铝合金焊丝仍旧需要从国外进口，这也使我国将集中更多精力来研究铝合金焊丝制备工艺的研究，并取得了一系列较为喜人的成就。在未来发展中，这项制备工艺在我国将变得越来越成熟，这国还将研究出更多的焊丝成型技术，以此提高铝合金焊接材料的制备质量。

3铝合金焊接材料制备中焊丝连铸连接工艺研究

现阶段，在铝合金焊接材料制备中，连续铸造工艺的应用范围正变得越来越广泛，该工艺是在结晶器中连续浇入熔融的铝合金液，从而使铝合金液能够从结晶器的一端流入至另一端，进而实现铝合金的连续拉出，从而获得相应长度的线坏或铸件。在连续铸造工艺中，铸造速度、铝合金液的浇注温度、熔融铝合金液的处理以及冷却强度，都会对铝合金焊接材料的制备质量造成影响，因此必须要严格控制这些参数，确保结晶器中的铝合金液能够顺利拉出，同时还要确保拉拔时不会出现断丝问题。考虑到连铸丝坏只有很小的直径，这也造成铝合金液的抽拉速度不高，从而影响了铝合金焊接材料的制备速度。为了提高生产效率，需要在连铸丝坯生产中增加抽拉根数，这样能够显著提高铝合金焊接材料的生产速度。由于熔体在抽拉过程中产生的坯料不具备形变织构，这会在一定程度上影响冷塑加工，为了解决这一问题，需要掺入钛和硼等细化晶料，以此提高道次加工率。对于铝锰合金焊丝的制备来说，其抽拉头数最多能够达到32头，并且丝环的抽拉直径越细，则拉拔也就越容易，不过，如果丝径过细，反而会影响抽拉速度，因此丝环直径通常选择4mm至6mm最为合适。

4铝焊丝的铸造－挤压－拉拔工艺

4.1挤压技术的特点

挤压是铝合金的主要加工方法。相比铝合金的其它塑性加工技术，挤压具有显著的优点。（1）在挤压过程中，被挤铝合金在变形区能获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，可充分发挥加工铝合金本身的塑性。因此，在用轧制工艺和锻造工艺难以加工、甚至无法加工的塑性低、脆性大的铝合金，可以用挤压工艺加工。比如，铝硅共晶焊接材料和铝硅铜钎料，可经过热挤压制备成棒材，然后可进行拉拔，最终制成丝材。（2）挤压过程对铝合金焊丝的力学性能有积极的作用。铝合金铸锭中不可避免地会存在夹杂、夹渣等缺陷，或有粗大脆性的化合物相，在较大的挤压作用下发生破碎，能显著改善铝合金的强韧性。（3）挤压加工的灵活性很大，只需要更换模具等挤压工具，即可在一台设备上生产形状和品种不同的产品。挤压工具更换操作简单、费时少。因此，挤压法非常适用于小批量、多品种、多规格的铝合金钎料的生产。尽管挤压技术有上述诸多优点，但也存在不足之处。比如，挤压铝合金焊丝时产生的几何废料较大，挤压杆、挤压嘴等挤压模具消耗量大，相比水平连铸技术，挤压速度有待提升。

4.2铝合金焊丝挤压

挤压加工在铝合金焊接材料特别是铝合金焊丝的生产中占有特殊地位，长期以来挤压技术被国内外生产者广泛采用。铝镁、铝锰合金焊丝是挤压性非常好的两类焊丝，氩弧焊用的铝硅类焊丝挤压性好于钎焊用的铝硅钎料，后者挤压速度低，而铝硅铜、铝硅镁和铝硅锗钎料挤压非常困难。挤压技术除可用于实心焊丝的加工外，还可加工铝合金药芯焊丝。如外部为Al10Si合金，芯部为活性焊剂的无缝铝硅药芯焊丝，采用铸造挤压法生产：将还原粉加入铝合金铸锭中，充分压实后形成药芯锭，然后将药芯锭进行挤压，就可以制得无缝药芯铝硅焊丝线坯。随着科学技术的不断进步，人们总在不断地研究和开发各种焊丝成型技术，这些技术具备良好的应用前景，但是目前还不可能取代挤压成型技术，是因为挤压在技术上具有成熟性、稳定性和可靠性等优点，并且生产车间的布局已形成。

4.3铝合金焊接材料制备中焊丝表面处理工艺研究

铝合金焊接材料在制备以后，往往会在铝合金焊接材料的表面生成一层氧化膜，而且其表面还可能存在划伤、油污等问题，如果不对制备好的铝合金焊接材料表面进行妥善的处理，则势必会在使用过程中出现大量火花飞溅的现象，并且焊接材料表面的油污还会在炭化后残留在焊缝之中，这不仅会影响到焊缝的观感，同时也会对焊缝的焊接质量造成不利影响。因此必须要对制备好的铝合金焊接材料表面进行相应的处理，在处理焊接材料表面时，需要通过抛光处理的方法将其焊接材料表面中存在的划伤、油污等缺陷进行去除，并确保抛光处理后的焊材表面能够致密、均匀。在表面抛光中，可分为化学抛光与机械精刮两种方法，化学抛光采用酸或碱来实现，不过这种方法容易影响到焊材的光洁度，并可能会造成焊材的送丝不够稳定，因此不能在高端铝合金构件焊材中应用。而机械精刮则是通过刮削的方式来进行处理，这种方法不仅能够获得非常光亮的表面效果，而且焊接工艺也不会受到影响，同时具有较高的耐蚀性，因此在表面处理工艺中，经常采用机械精刮方法。

结语

综上所述，对铝合金焊接头组织进行定量分析，不仅可以有效的调整和优化铝合金焊接的工艺，同时还能够对焊接头热循环的优化效果以及实现接头性能调控的途径等进行验证。我们通过对铝合金焊接试件的接头和断口进行观察和分析可以得知焊接缝当中的气孔位置以及分布的状态，利用定量来对焊接缝气孔率、分布以及尺度进行表达，是对焊缝气孔分辨和定量的必要补充。在铝合金焊接中采用高配耦合脉冲TIG焊接技术能够有效的减少和消除焊接缝当中的气孔，同时还能够对接头组织进行细化，从而有效的提升焊接接头的综合力学性能。

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