铝合金部件焊接接头焊接缺陷分析

管振全,雷磊 ,岳永健

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省青岛市  266000

摘要：在某实验件试制生产中，接地端子与型材处角焊缝连接部位出现焊接缺陷。本文结合具体的焊接结构和现车生产工艺，通过对影响焊接缺陷产生的各项因素分别进行分析，最终确定了导致焊接缺陷产生的主要因素，并提出了避免该部位产生焊接焊接缺陷的措施。

关键词：铝合金；焊接接头；焊接缺陷

1 序言

6005A是中等强度的A l-M g-S i系铝合金，具有良好的热挤压性和耐蚀性，被用于高速列车、地铁列车、双层列车和汽车车体所需的薄壁中空大型铝合金壁板型材以及其他工业用结构型材，欧洲大量采用6005A铝合金制造高速列车的车体。这就给车辆的电气设备提出了新的要求：若采用铜合金材料作为接地点，则铜材料如何与铝材料连接的问题不好解决；若采用铝合金材料作为接地点，则影响导电性能，且存在电化学腐蚀。在此背景下，铜包铝复合材料接地块作为接地材料被广泛应用在铝合金车辆上。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验采用实际工件所用的原材料，同时接头形式与实际焊接接头相同。该焊接接头形式为角接接头，角焊缝尺寸为a3。焊接接头左右两侧均是其他部件焊接组成的长大约束结构。该接头附近有两种焊缝：一是型材对接焊缝，焊缝形式为4V；二是型材插接角焊缝，焊缝尺寸为a5。

型材为铝合金长大中空型材，型号为6005A，内设加强筋，上侧壁厚2.5mm，下侧壁厚3mm。T6供货状态，即挤压成形后进行固溶处理和水淬，之后再进行175℃人工时效。接地端子材质采用铜包裹铝芯，并在铜基体外镀锡合金。基体铝芯中的铝含量（质量分数，下同）≥99.5%，基体铜采用CU-E T P(C W004A），镀层锡合金中锡含量为60%～65%。因为镀层为单质镀层，所以焊接作业前需采用角磨机将接地端子施焊区的镀层清理干净。

2.2 试验方法

该焊接接头采用熔化极气体保护焊半自动焊进行焊接，焊机型号为Fronius500，焊丝型号为E R5087、φ1.2m m，使用三元焊接保护气体I S O14175-Z-A r H e N2-30/0.015，焊接保护气体流量为25L/min。当确认接地端子焊接区的镀层去除后，首先将接地端子与型材进行定位焊，焊后采用直磨机修整定位焊焊缝的两端，使焊缝端部与母材圆滑过渡。定位焊与正式焊接时的焊接电流相同，为150～170A，焊后进行外观检测。

3 原因分析及改进

3.1 焊接缺陷位置及路径

接地端子焊接完成后，随即进行外观检测，未发现焊接焊接缺陷，表明焊接缺陷是在之后的冷却过程中逐渐出现的。在正式工件上发现的焊接焊接缺陷位于接地端子焊接接头的焊脚附近。

选取接头焊脚处有焊接缺陷的工件，将焊接缺陷区域用角磨机切下，发现在焊接接头对应的型材背面存在肉眼可见的呈放射状的较大焊接缺陷。型材背面焊接缺陷开口较大，接头焊脚附近的焊接缺陷较细。在对接头的背面进行渗透检测时，发现接头正面也有线性显示，说明焊接缺陷为贯通的缺陷。由于焊脚处焊接缺陷较细，所以猜想焊接缺陷的起始端并非在焊脚处，而是产生于焊接接头的型材表面。因此，在焊接缺陷位置沿接地端子垂直方向切取宏观金相试样，磨制完成后在10倍放大镜下观察，宏观金相形貌上的显示非常清晰，接头背面的焊接缺陷贯穿了对应位置型材的整个壁厚，焊接缺陷下宽上窄，印证了焊接缺陷的扩展路径。

3.2 缺陷排查

为确保质量安全，采用外观检测与渗透检测相结合的方法，对完成组焊的接地端子焊接接头进行100%全数排查，渗透检测范围为接地端子与铝合金型材焊缝及焊缝周围20mm的母材区域，渗透检测验收标准按照ISO 23277-2x:2015执行。

排查结果为：排查接地端子总数990个，发现11个接地端子对应的焊脚位置存在焊接缺陷，焊接缺陷问题占比为1.11%。

进一步核查图样，确认接地端子的分布位置有两种：一种是布置在型材内部的加强筋上；另一种是布置在型腔的中空位置。排查结果显示，出现焊接焊接缺陷的接地端子均布置在型腔的中空位置，而布置在型材加强筋上的接地端子未发现焊后开裂的问题。型材内部设有加强筋位置的壁厚为3.5mm，型腔中空位置的壁厚为2.5mm。

3.3 焊接缺陷产生的机理

铝合金材料具有一定的焊接焊接缺陷敏感性，在焊接过程中，由于焊接热循环的影响，焊接接头区域的组织会发生很大变化，产生较大的应力，从而影响焊接工件的整体强度，所以会导致实际生产过程中，焊后在热影响区出现焊接缺陷。

铝合金材料产生焊接焊接缺陷的主要因素，包括焊接母材化学成分、焊接材料成分、结构约束条件、焊接参数以及焊接应力等方面。通过对型材和接地端子进行化学成分分析，排除了材料因素；焊丝作为焊接填充材料，按照技术文件规定，采购进厂后必须复验，该因素也可排除。另外，焊接人员、焊接设备、焊接环境及检测方法等均未发生变化。

接地端子与型材形成的角接接头附近是由长大焊缝连接而成的约束结构，这在很大程度上加大了工件的刚度。型材中空部位的接地端子焊接后，由于型材壁厚较小，所以相对于接地端子的刚度较小。因此，接地端子部位的中空型材向焊缝正面产生了比较明显的收缩变形趋势，而焊缝背面对应产生张拉的趋势。

由于接地端子部位的型材两侧均被型材内腔的加强筋约束，所以不能自由变形，从而在接地端子焊接部位的型材背面产生了比较集中的拉应力，加之铝合金材料具有焊后接头强度软化的特性，当拉应力超过对应区域材料的抗拉强度时，就将导致拉应力最大的位置即焊接接头背面薄壁型材对应位置开裂，产生的宏观焊接缺陷逐渐沿母材厚度方向扩展，进而形成贯穿型材壁厚横截面的长焊接缺陷。

而布置在型材内部加强筋位置的接地端子，一方面，型材刚度增加，能够抵抗接地端子焊接带来的拉应力，从而大幅降低了开裂的风险。另一方面，接头对应位置型材壁厚较厚且设有加强筋，也使得焊接过程中散热速度加快，焊缝区域局部较高的焊接热输入量保留时间较短，应力集中减小，也在一定程度上降低了焊接焊接缺陷产生的倾向。

按照原设计结构制作模拟试件，采用原焊接参数中焊接电流的上限值170A进行焊接试验。焊后对焊接接头正反两侧进行渗透检测，发现接头背面出现了焊洇缺陷，表明电流上限值偏高。

综上可知，布置接地端子位置的型材结构强度不足是焊接焊接缺陷产生的主要原因；工艺规范中焊接电流上限值偏高，加大了焊接热输入，是焊接焊接缺陷产生的次要原因。

3.4 改进措施

(1）优化结构调整接地端子的整体布置，在不干涉电器件安装的前提下，将接地端子全部布置在型材内部设有斜筋的位置，提高焊接接头对应位置强度的同时，也改善了焊接接头的散热性能。采用原工艺焊接优化位置后的焊接接头，工件冷却12h后进行渗透检测，未发现焊接焊接缺陷，焊接质量良好。

(2）优化焊接参数按照原设计结构制作模拟试件，将焊接参数中的焊接电流上下限值分别下调至140A、120A进行试验，焊后渗透检测均未发现焊洇缺陷，焊接质量良好。

4 结束语

综上所述，导致铝合金接地端子焊接接头焊接缺陷的因素有以下两个方面。

1）结构设计不合理是该接头焊接缺陷产生的主要原因，可通过优化设计结构来解决。

2）焊接热输入较大是该接头焊接缺陷产生的次要原因，可通过优化焊接参数来解决。

参考文献

[1] 杨成功，单际国，熊伟.车辆用6005A铝合金焊接技术研究现状[J].焊接，2019(10):13-18,73.

[2] 鲍伟兵，张丽.铜包铝母排作为轨道车辆接地产品的应用分析[J].中国新技术新产品，2020(7):101-102.

[3] 刘志平，胡文浩，王秀义，等.5083铝合金镀层部件角接接头焊接焊接缺陷分析[J].物理测试，2020,28(4):47-50.