7A10铝合金焊接裂纹的成因及预防对策探讨

聂洪刚，王 鑫，孙东东

（中国中车长春轨道客车股份公司，吉林 长春 130062）

作为当前工业制造领域中常见的材料，铝材应用中需配合金属焊接技术，通过焊接使材料在结构上改变，提高铝材的综合性能。尽管焊接处理方式下在提高铝合金质量方面效果明显，保证铝合金在其应用领域中发挥自身优势，但如何使铝合综合性能提高，需在焊接各方面有效控制。因此，本文对7A10铝合金焊接裂纹的成因及预防对策相关研究，有十分重要的意义。

1 铝与铝合金焊接相关概述

1.1 铝与铝合金焊接基本特征

相比碳素钢、低合金钢，铝合金在比热容与热导率上更高。焊接中，许多热量从看铝合金传导，所以焊接过程中有较多能量在熔化金属熔池中消化，且金属其他部位也有大量热量消耗。对此情况，焊接过程中应考虑能量消耗控制问题，可采取预热工艺措施等[1]。

1.2 铝合金焊接常见问题

尽管铝合金在各方面性能上有较多优势，但实际做焊接处理中，可能出现的问题较多，具体表现为：第一，裂纹形成。裂纹问题在铝合金焊接中发生可能性较高如凝固状态下，体积收缩，焊接变形可能性较高，加之焊接中近缝区内焊接金属影响，有热裂纹或液化裂纹情况，若易熔共晶体较多，也将导致凝固裂纹出现。第二，易氧化。铝合金焊接中，与空气接触后可能有氧化情况，氧化后的铝在熔点上较高，一旦出现氧化情况，将有较多缺陷出现，如未熔合、未焊透或夹渣生成，一旦铝表面有过多水分附着，或出现氧化膜，将导致焊缝有气孔出现。第三，焊接过程中产生气泡。由于高温下的的铝合金在向由固态向液态转化的过程中易产生氢气，而由于铝合金物态中幻化的这一过程发生的时间较快，分解出来的氢气在铝合金固化时不能及时的排放就被凝固在固体中，因此在焊接过程中就极易产生因氢气而形成的气泡孔。此外，焊接头抗腐蚀性降低，焊接过程中，由于各种外界因素的干扰以及实际操作过程中的消耗，会导致焊接头的抗腐蚀性低于原材料。产生这种情况的原因首先归因于焊接过程中的消耗和磨损，打乱了焊接头部的物质分布，因此会出现电位的不稳定现象。或因焊接头的纯度不高，其中含有大颗粒的杂质，出现腐蚀问题。这些问题的存在，均可能导致氯化金综合性能降低[2]。

2 7A10铝合金焊接裂纹产生原因分析

2.1 7A10铝合金焊接裂纹类型与原因

7A10铝合金在当前许多制造领域中应用极为常见，焊接中出现裂纹的可能性也较高。从这种裂纹类型看，主要以热裂纹为主，为铝合金焊接接头焊接裂纹，产生原因归结于低熔点物质合金元素偏析。

对于这种热裂纹，有液化裂纹、结晶裂纹之分，其中液化裂纹的产生，多表现在热影环境下收缩力对结晶产生作用，而结晶裂纹通常为低温区下产生的结晶。对于7A10铝合金，以结晶裂纹最为常见，该类型的裂纹以不同方式呈现，如显微裂纹、焊根裂纹、坑裂纹以及横向裂纹等。该类型铝合金，本身有塑性差、高温强度低、体积收缩率与膨胀系数高，受冷热影响变化均较为明显，若焊接过程中未能做好温度控制，将增加裂纹发生可能性[3]。

2.2 7A10铝合金焊接裂纹出现影响因素

裂纹在7A10铝合金焊接中的出现，有多方面原因，具体表现为：①焊合合金中，有不合理的化学成分；②不当的机加工装配配合方法，增大焊接应力，如装配时较大的刚性，焊缝根部有较大间距等；③焊接过程中选择的工艺参数不合理，如焊接线速度、焊接电流等；④焊接操作不规范，如冷却操作不当或预热操作不当，致使焊接应力增加。针对焊接裂纹问题，实际处理中需考虑结合这些因素，采取有针对性的控制措施，保证焊接质量[4]。

3 7A10铝合金焊接裂纹有效控制策略

3.1 焊接方式合理选择

针对当前7A10铝合金焊接裂纹问题，首先考虑在焊接方式上合理选择。从近年来大多研究与实践看，在焊接方式选择上以熔极氩弧焊方法效果最佳。该方法应用下，强调通过射流过渡，获取较大的电弧功率，且焊接过程中，焊接时间较短，熔透性好，集中输入热量，取得较高的生产效率。另外，在热影响区中焊接接头所受影响较小。因此，在焊接方式选择中，取熔极氩弧焊方法，对帮助控制焊接变形，降低焊接热裂纹倾向可发挥重要作用。

3.2 焊接工艺规范的明确

焊接工艺规范是焊接过程的主要参考指导。焊接工艺参数确定中，应综合考虑各类工艺参数，如焊接电流、坡口尺寸、焊丝直径等，这些参数指标均需纳入规范中。以壁厚较大管形件为例，焊接中应在焊接速度上控制，使焊接电流增大，必要在电弧电压上加大，使焊道加宽，降低裂纹发生可能性。同时，焊接过程中，若能保证电弧焊接热能集中，对帮助解决过热情况效果理想，降低裂纹发生可能性。另外，焊接装配时，需保持适当的焊缝根部间距，其目的在于使焊缝刚度降低，焊接应力控制，降低裂纹发生几率[5]。

3.3 焊接材料的选用

焊丝化学成分不当，对焊接质量有较大影响，若其成分合理，可保证焊接过程中在预防结晶裂纹产生方面发挥重要作用，且提高焊接接头的抗腐蚀破裂以及力学性能。以7A10铝合金材料为例，为保证其焊接特性，如5A33铝合金焊丝，其含量适当，有较好的金属流动性，且凝固状态下收缩率低，抗裂性能优良。另外，在焊接材料选用中，应注意焊丝在低熔点共晶上数量足够，确保液态金属收缩所产生的空隙得以填充，裂纹发生率降低。有研究实践中提出，若取微量Zr加入到焊丝中，发挥其变质剂作用，确保焊缝处金属晶粒被细化，以此使焊缝金属韧性、塑形得以改善，接头抗裂性能也因此得到提高[6]。

3.4 焊接操作规范性提高

铝合金焊接中，在操作规范性要求上较高。如焊接前需采取有效的预热措施，对焊件预热处理，使焊接中热导出量较低，特别气温较低如冬季环境下，预热处理更加重要，可在温度为100-150℃的加热炉中预热，避免温度过高，致使金属晶粒增大或增宽热影响区。经过预热处理后，需及时焊接，在焊接温度呈梯度降低情况下，减缓熔池金属凝固速度，其对帮助控制焊接件变形、焊接应力方面作用明显。另外，焊接结束后，对焊接件需采取有效的处理措施，一般直接置于炉中，伴随炉内温度降低而使其自身温度缓慢下降，保证冷却速度合理，且降低熔池金属凝固速度，焊接变形、焊接应力等下降，焊接裂纹的产生也将得到控制[7]。

3.5 强化焊接人员综合素质

在焊接铝合金的作业过程中，要保持周围环境的整洁以及相对干燥的气体环境下，同时要避免因外界因素的影响。焊接作业过程中对环境要求较大，要求其周围气温控制在30℃以内，同时气体环境湿度也要保持在75%范围内，在保护气体选择上，一般以纯度较高的惰性气体氩气为主。此外，焊接过程中，铝合金的物态发生变化时，从表面上很难做分辨处理，这也对工作人员的能力有很高的要求。所以在实际操作前，要提前对工作者的的技能能力做培训和考核，以符合实际工作要求[8]。

4 结论

7A10铝合金焊接是铝合金材料处理的主要方式。从铝合金材料应用的特征看，有较多明显优势，但在实际焊接中，受多种因素影响，出现焊接裂纹的可能性较高，极大程度上制约材料综合性能的提高。而解决该问题的关键在于选择有效的控制措施，如焊接方式的合理选择、焊接工艺规范明确、焊接材料选用、焊接操作规范提高以及强化焊接人员综合素质。这样才能使7A10铝合金焊接质量提高，保证材料的综合性能。