铝合金焊接接头的设计特点.docxVIP

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铝合金焊接接头的设计特点

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摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，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。虽然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，但与传统钢材相比，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的不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分都与钢接头有较大不同。本文主要关注焊接热影响区强度减弱、焊接接头细节包括坡口形式、背面保护等问题。前者结合EN1999-1-1进行分析，后者结合ISO9692-3和EN1011-4进行分析。

关键词：钢结构；铝合金焊接接头；焊接热影响区

引言

随着中国航空航天等国家重大项目的实施，轻金属在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面的独具优势，成为国家重点发展与应用的新型结构材料。由于具有高比强度、高比刚度，轻金属(铝、钛、镁合金等)及其焊接结构的使用成为减轻整体结构重量、提高能源利用效率的有效途径之一。焊接是轻金属结构制造的关键工艺之一，随着日益严格的服役环境和高可靠性的需求，对焊接技术的同步发展也提出了更高要求。目前，熔化焊和固相焊是轻金属焊接的主要方法。日益严格的服役环境和高可靠性需求，对焊接接头安全性设计也提出了更高要求。根据材料种类不同、服役环境不同、生产节拍不同，应当加强系统科学的产品正向设计。但是目前国内铝合金焊接结构设计、焊接工艺试验、焊接冶金及组织分析、焊接质量检验等方面的认识不足，以及激光复合焊、搅拌摩擦焊、激光焊等新技术工程化应用风险性的要点认识不深。针对以上问题，文中系统总结了铝合金焊接工艺的特征，并对下一步工作方向提出了建议。

1焊接前进侧与后退侧性能差异

因为FSW过程中搅拌磨擦的影响，搅拌头前进侧和后退侧也即焊缝两侧的性能有差异，对同种材料焊缝拉力试验结果表明，断裂部位更多的出现在后退侧。为充分利用材料性能，必要时可在图纸中标明焊接方向。

2强度校核

根据欧洲规范（EN1999-1-1），除了要校核焊缝的强度之外，还必须计算焊接热影响区的强度。正应力校核公式为σHAZ，Ed≤fu，HAZ/γMw式中σhaz，Ed为焊接热影响区所受的正应力。fu，HAZ为焊接热影响区强度设计值，因材料种类的不同，焊接热影响区强度下降的幅度也不尽相同（见表1），整体上，形变强化铝合金的下降幅度低于热处理强化的铝合金。γMw为焊接接头的分项安全系数，根据EN1999-1-1，取值为1.25。剪切应力校核为τHAZ，Ed≤fv，HAZ/γMw式中τHAZ，Ed为焊接热影响区所受的剪切应力。fv，HAZ为焊接热影响区强度设计值，fv，HAZ=fu，HAZ/31/2。正应力和剪切应力同时存在：（σHAZ，Ed2+3τHAZ，Ed2）1/2≤fu，HAZ/γMw国标GB50429铝合金结构设计规范中的关于焊接热影响区强度校核计算公式也是引用上述欧洲规范。

3强度下降的范围

根据EN1999-1-1，焊接接头的热影响区宽度是从焊缝中点及根部算起向各个方向延伸。不同接头和工艺条件下，热影响区宽度不同，具体如下：（1）MIG焊焊接形变强化铝合金，道间温度低于60℃时，bhaz（热影响区宽度）应遵循：0＜t≤6mm：bhaz=20mm6＜t≤12mm：bhaz=30mm12＜t≤25mm：bhaz=35mmt＞25mm：bhaz=40mm（2）当厚度大于12mm时，热影响区的宽度可能会增加。因为除非严格的质量控制，否则道间温度会超过60℃。（3）以上的描述将应用于6xxx或7xxx或5xxx系列合金的对接焊缝（两维传热）或角焊缝连接的T型接头中（三维传热）。（4）TIG焊热影响区的宽度会更大，是因为TIG焊的热输入比MIG焊大。TIG焊对于6xxx、7xxx或5xxx系列合金的对接焊缝或角焊缝，bhaz给定为：0＜t≤6mm：bhaz=30mm（5）如果两个或更多的焊缝彼此相邻近，热影响区的边界将叠加，这时可以将其看成一个热影响区。如果焊缝接近于自由边，则热量的散失将有效减少。如果焊缝到自由边的距离小于3bhaz，在这种条件下，可假设整个宽度都受到影响。

4焊接工艺设计与试块编号

①活性剂的选择。A-TIG焊关键的因素在于活性剂成分的选配。目前国内外开发并使用的活性剂主要有三种类型：氧化物、氟化物和氯化物。本文主要选择了单一成分的氧化物（SiO2）和氟化物（NaF）作为活性剂,分别研究活性剂涂敷量对焊缝成形的影响。②试样编号及工艺设计。将称量好的SiO2和NaF粉末按一定的比例混合，然后用无水酒精溶解搅拌成糊状，再用干净的毛刷均匀地将其涂抹在试块的表面，直到看不到原有的金属光泽。对试块进