铝合金焊接性能及焊接接头性能的研究
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铝合金焊接性能及焊接接头性能的研究
摘要：现阶段，科学技术的发展迅速，我国的现代化建设的发展也有了提高。目前，我国的铝合金行业的发展迅速，相对于钢制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。由于其防腐性能优良、低温韧性好的特点，在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的质量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。特别是在交通车辆制造领域，铝合金这种轻型材料的应用能提高运行速度和降低能源消耗，在现在的能源形势下具有特别的意义。欧美国家早在20世纪中叶就建造了许多铝合金结构，而我国对铝合金结构的研究和应用起步较晚，应用研究较少，早期也无标准规范可循，这直接影响了国产铝合金结构的应用。2007年，我国第一部铝合金结构设计规范（GB50429）经建设部正式颁布，自2008年3月1日起实施，这对于我国铝合金结构设计的研究和发展起到了很大的推动作用。焊接在铝合金结构的设计和制造过程中具有非常重要的作用，铝合金焊接技术的不断发展也保证了铝结构的制造质量和生产效率。与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金的结构和焊接制造原则没有变化，都需要通过合理的力学设计和焊接制造来保证产品结构的强度、稳定性和刚度。与传统钢材相比，铝合金在强度、弹性模量、密度、导热系数、热膨胀系数等方面都有显著不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分与钢结构有较大不同。本文基于欧洲规范，从接头的强度设计和细节设计方面介绍铝合金焊接接头的特点。
关键词：铝合金焊接性能；焊接接头性能；研究
引言
随着经济和科技水平的快速发展，相对于钢制结构，铝及其合金具有材质轻、无低温脆性、耐腐蚀和易于压力加工的优势，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。由于其防腐性能优良、低温韧性好的特点，在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的质量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。特别是在交通车辆制造领域，铝合金这种轻型材料的应用能提高运行速度和降低能源消耗，在现在的能源形势下具有特别的意义。焊接在铝合金结构的设计和制造过程中具有非常重要的作用，铝合金焊接技术的不断发展也保证了铝结构的制造质量和生产效率。与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金的结构和焊接制造原则没有变化，都需要通过合理的力学设计和焊接制造来保证产品结构的强度、稳定性和刚度。与传统钢材相比，铝合金在强度、弹性模量、密度、导热系数、热膨胀系数等方面都有显著不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分与钢结构有较大不同。本文基于欧洲规范，从接头的强度设计和细节设计方面介绍铝合金焊接接头的特点。
1焊接接头的强度设计
铝合金结构中最常用的母材为5系列、6系列、7系列，这些铝合金经过形变强化或者是热处理强化获得了一定的強度。但焊接热循环过程必然会造成对强化组织的改变，造成焊接热影响区软化，比如6系列时效强化铝合金，由于强化相粒子在焊接热影响区发生过时效而粗化，造成该区域软化，所以焊接接头设计时必须考虑焊接热影响区软化造成的强度下降问题。正是因为以上原因，欧洲规范（EN1999-1-1）中规定，在焊接结构设计中使用形变强化或热处理强化的铝合金时，焊接热影响区强度下降是允许的。但在供货状态为O（退火）或F（制造）状态下，其临近焊缝热影响区无强度下降现象，这是因为O或F状态意味着材料并没有经过形变强化或热处理强化的工艺过程，材料强度仅通过固溶强化获得，焊接热循环不会破坏固溶强化组织，也就不存在热影响区强度下降的问题。
那么在焊接结构设计时，如果使用了经过形变强化或热处理强化的铝合金，我们必须知道焊接热影响区的强度下降有多少，区域有多大，并采取相应的设计和制造措施，才能保证结构的安全性。
2奥氏体不锈钢的特点与缺点
2.1奥氏体不锈钢的特点
奥氏体不锈钢的特点主要体现在三个方面：能提高建筑物档次。奥氏体不锈钢适用于蒸汽管、热水输送、城市消防供水、市政供水管网、中高档建筑给水和管道直饮水等各种场合，并且由其制成的管材还能降低受外力影响而漏水的机率，能使水的渗漏率显著降低，从而有效保护与利用水资源。因此奥氏体不锈钢使用范围广，综合成本低。耐腐蚀性能强。除耐氧化性酸介质腐蚀外，若奥氏体不锈钢含有Cu、Mo等元素，还能耐磷酸、硫酸、醋酸、尿素与甲酸等腐蚀，若此类钢中含Ti、Ni或者含碳量＜0.03%，将能使其耐晶间腐蚀性能显著提高。生产工艺性能好。通过生产特殊钢的常规方法能够顺利生产各种板、带、管、铸件和棒材。碳含量低且合金元素含量高，常采用真空脱氧脱碳或电弧炉加氩氧脱碳法生产，对于高级牌号的小批量产品能通过非真空或真空非感应炉冶炼。奥氏体不锈钢具有坚韧性和可塑性，其锻造比较节约能源消耗，通过这种钢材制造的管道，使用时间长，不易腐蚀，能便利工业项目的维护，还能节约维护财力与精力，具有较高的性价比。
2.2奥氏体不锈钢的缺点
奥氏体不锈钢的缺点有：不能热处理强化：奥氏体不锈钢通过固溶处理后强度较低，为了使其强度提高，可以进行冷变形，剧烈的冷变形能大大提高钢的强度，但抗蚀性与塑性将显著降低。切削加工性较差：奥氏体不锈钢尤其是A106B无缝钢管加工硬化情况十分严重，切削强度明显增加；另外，由于热导率较低，道具温度将会快速升高，并且韧性大，容易缩短刀具寿命，延长加工工时，降低零件表面光洁度。
3铝合金构件焊接工艺优化的具体措施
3.1对焊接设计方案进行全面优化设计
现阶段，焊接工程技术的种类呈现多样化趋势，工作人员在生产过程中可选取的焊接技术越来越多，因此工作人员可以充分发挥技术优势，结合铝合金构件焊缝实际状况选择合适的焊接技术。技术方案确定之后，工作人员需要对铝合金构件的尺寸、规格以及形状等基础性参数进行全面而细致的规划，将构件与母材之间的缝隙控制在最小范围之内。这样一来就能够将瞬时变形和残余变形对焊接工作的影响降至最低。焊接技术的不合理使用不仅会导致焊接效率下降，同时还会对铝合金构件本身造成破坏，进而引发焊接成本的上升。在这种情况下工作人员可以借助信息技术，通过模拟焊接的方式明确技术的可操作性，这样一来可以全面提升焊接工作的精确性，信息模拟焊接技术在现阶段焊接工作中已经得到越来越广泛的应用，并在机械装备生产领域得到全面推广。
3.2铝合金的结构体系
目前，工程实用的铝合金的结构体系，主要有网架结构、桁架结构、刚架结构和拱架结构体系。空间网架主要有单层球面网壳、双层网壳和螺栓球节点网架三种类型，其中，网壳杆件主要采用圆管截面和H型截面，杆件之间多采用螺栓连接，连接节点主要采用螺栓球节点、圆盘盖板节点和螺栓连接节点。
3.3铝合金材料设计要求
在钢结构设计中，钢材需要有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量等力学性能及化学成分的合格保证。铝合金结构要求根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、受力状态、连接方式等条件，选用合适的铝合金牌号，对于材料性能方面尚未要求，凡铝合金材料标准中能保证的项目可不要求提供。
结语
虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金结构的设计和焊接制造原则没有变化。但還是要在设计和制造中，针对焊接热影响区强度减弱、接头细节等设计问题，进行合理的设计，才能保证结构的使用安全及其制造的经济性。
参考文献
[1]周滨涛.铝合金前处理状态对焊接接头性能的影响[J].企业科技与发展，2019（08）：124-125.
