蚌埠桥检查车铝合金结构焊接缺陷的产生与防治研究

温悦，张登魁

（1.中铁山桥集团有限公司，河北秦皇岛066200；2.清华大学，北京100062)

蚌埠桥检查车铝合金结构焊接缺陷的产生与防治研究

温悦1，张登魁2

（1.中铁山桥集团有限公司，河北秦皇岛066200；2.清华大学，北京100062)

介绍了铝合金结构的桥梁检查车焊接缺陷产生的原因，以及相应的防治措施，以待提升桥梁检测的装备水平，进一步增加其安全性、准确性，并提高工作效率。

桥梁检查车;铝合金;6061-T6

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

1 项目简介

桥梁检查车可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台。由中铁山桥集团有限公司研发的安徽蚌埠长淮卫淮河大桥桥梁检查车，主体结构材料为6061-T6铝合金，该合金的主要元素是镁和硅，并以Mg2Si为强化相。由于其具有中等强度、良好的耐腐蚀性、焊接性、抗氧化性等优点，在有一定强度和耐腐蚀性要求的工业结构件中有比较广的应用。该检查车具有旋转过墩功能，1台便可以实现对全桥的检查作业。

2 焊接缺陷分析

目前，检查车铝合金结构遇到的主要焊接问题有：焊缝气孔、接头热影响区软化、焊接裂纹。

图1 氢在铝中的溶解度（PH2=101kPa）

2.1 焊缝气孔

焊缝中的气孔，是铝及其合金熔焊时最常见的缺陷，尤其是防锈铝及纯铝。铝合金熔焊时，气孔生成的主要因素是氢气。焊缝气孔中的氢，主要来自弧柱气氛以及母材和焊材所吸收的水分。

2.1.1 弧柱气氛中水分的影响

1）气孔成因分析

弧柱气氛在铝合金和铝中的溶解度变化特点，是氢气形成焊缝气孔的原因。如图1所示，在平衡条件下，氢的溶解度沿实线在凝固点的变化从0.69急剧下降到0.036ml/100g，约相差

20倍（而同样条件下的钢只有不足2倍），铝合金导热性又非常好，在工艺和条件都不变的情况下，铝熔合区在冷却时候的速度能达到高强钢的4～7倍，不便于气泡浮出，使焊接时容易出现气孔[1]。我们必须关注的是，冷却时氢的溶解度并非平衡状态，而是沿abc（冷速大）或ab'c'（冷速小）发生变化。当冷却速度较小时，过热熔池里面因为a-b'间溶解度不同而生成大量的起泡，往往可以聚合浮出，还不至于生成气孔。

2）防治措施

（1）由于山海关地区的湿度较大，焊接车间应进行相应的干燥处理。各种焊材和保护气体均需要严格控制含水量，使用前均需干燥处理，以便减少弧柱空间中的水分。

（2）可以采取焊前预热等方式来降低焊接接头的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的聚合逸出。

（3）使用直径粗的焊丝进行MIG焊接，因为直径细的焊丝含有熔滴的表面积小，容易产生气孔。

2.1.2 氧化膜中的水分影响

1）气孔成因分析

产生气孔的另一个重要因素是工件或焊丝的氧化膜中所吸附的水分。6061-T6铝合金的氧化膜主要由氧化镁和氧化铝等组成，氧化镁生成的氧化膜比较稀松，很容易吸附水分。

2）防治措施

焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除，采用机械法与化学法相结合的方法使其达到最佳效果。比如，先用清洗剂去除金属表面的油污，然后用化学试剂清洗，最后使用丙酮擦拭表面，用吹风机吹干后，放入30℃左右的干燥箱里。使用前用抛光毡轮进行机械打磨，再次去除氧化膜[2]。

用试剂清洗后2～3h就可以使用，一定不能超过24h。推荐清洗焊丝后将其放在150～200℃的烘箱内，使用的时候直接拿取即可。

2.2 接头热影响区软化

2.2.1 成因分析

6061 -T6是时效强化铝合金，在熔焊作业时有个无法避免的现象就是因为“过时效”而造成的热影响区软化的问题。热影响区中，焊接热循环温度高于合金人工时效温度，并且低于固溶温度时，强化相Mg2Si易于脱溶析出并聚集长大，焊接时热输入越大，高温停留时间越长，软化程度越高。

2.2.2 防治措施

焊后热处理。对6061-T6铝合金TIG接头进行人工时效过程：室温时将试样放入电磁感应炉中，以100℃/h加热速度加热到175℃，保温8h后随炉冷却。试验发现，接头的极限抗拉强度可由时效前的142.7MPa提升至240.6MPa（母材为272.7MPa），抗拉强度提高15%左右。原因在于时效析出的沉淀强化相提高了接头抵抗应力变形的能力。

2.3 焊接裂纹

2.3.1 成因分析

铝合金在焊接过程中产生的裂纹，大部分是焊缝金属的凝固裂纹以及近缝区的液化裂纹，是存有熔点低的物质以及晶界上的合金元素偏析导致的结果。前者和晶间易熔共晶存在关联，然而这样的易熔共晶夹层不是晶间原已存在，而是由于施焊时加热不平衡产生的偏析，是晶间液化；后者是焊缝金属在结晶温度的低温区时，因为晶粒间的联结被低熔共晶产生的液态薄膜削弱了，在凝结时的收缩应力和其他外力作用下产生沿晶开裂。

对于6061-T6铝合金熔化焊接接头而言，焊缝中由于存在Si、Mg以及少量Mn、Cu等元素，造成共晶成分和熔点复杂，焊缝产生凝固裂纹的敏感性增大，更容易产生凝固裂纹。

2.3.2 防治措施

1）调整焊缝合金系统。其目的是控制适量的易熔共晶以及缩小结晶温度区间。因为6061-T6铝合金是共晶合金，有易熔共晶会加大凝结裂纹产生趋势，因此，通常都是让主要合金元素的含量高于裂纹趋势最大的合金成分而产生愈合作用。

如图2所示，使用TIG焊对刚性T型接头进行试验，不一样的母材搭配不同的焊丝，结果具有不同的裂纹倾向[1]。从图中发现，对于6061铝合金，当采用与母材基本同质的焊丝（6070）时具有较大的裂纹倾向，而使用Al-5%Si焊丝（比如4043）以及Al-5%Mg焊丝（比如5556）时则有比较明显的抗裂作用。此试验进一步说明，通过选取不同的焊丝可以调整焊缝金属中合金元素的种类和含量，从而改变接头的热裂倾向。

图2 母材与焊丝组合的抗热裂性试验（刚性T型接头，TIG）

2）调整焊接工艺参数。焊接工艺的参数可以影响焊接裂纹的产生，热能集中焊接的方法，有利于加快焊接过程，可以防止粗晶柱状晶的形成，从而提高裂纹的抵抗能力。使用小电流焊接，可以避免熔池过热，便于改善抗裂性。焊接速度的增加和焊接接头的应变速率的增加，将增加热裂纹的趋势。

3 结论

电弧熔化焊焊接6061-T6铝合金检查车时，会出现难以避免的焊缝气孔、接头热影响区软化、焊接裂纹等缺陷，这些缺陷的产生因素均较为复杂。工程人员可以借鉴上述提出的各种缺陷的防治措施，从优化材料、调整工艺参数等方面着手，有望实现低概率的焊接缺陷。

【1】周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京:机械工业出版社,1988.

【2】翟玉峰，黄坚，李敏，等.6061-T6铝合金高速高功率CO2激光填丝焊接性的研究[J].中国激光,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

温悦（1983～），男，河北秦皇岛人，工程师，从事机械产品的设计与工艺研究。