铝合金部件焊接接头裂纹分析

卢小浪

【摘要】本文以实际工件设计结构和焊接工艺为依据，探讨分析了铝合金部件焊接接头点焊工艺完成后发生裂纹问题的主要影响因素，从多角度全年考虑分析，对铝合金部件焊接接头纹裂产生的因素影响进行逐一排除。其研究结果显示，造成铝合金部件焊接接头部位出现裂纹的主要因素是工件结构设计的强度较弱；而次要因素主要是：焊接的热能输入过高，进而造成了焊接热应力的增大，诱发了铝合金部件焊接接头裂纹现象的产生。以问题为导向，提出了改进设计结构、优化焊接参数的措施手段，有效的解决了铝合金接地端子部件焊接裂纹问题。

【关键词】铝合金；焊接接头裂纹；工艺改进措施

  某车辆车型在进行制造生产过程中，发现在接地端子与型材处角焊缝连接部位出现了裂纹问题。基于此，本文针对造成铝合金部件焊接接头发生裂纹现象的主要原因进行综合性、全面分析，对造成裂纹产生的主要和次要因素进行明确，以问题问导向，提出工艺操作优化策略，进而消除车辆铝合金接地端子部件焊接裂纹问题，保障车辆生产的整体质量。

1、实验材料与方法

1.1 实验材料

为确保实验结果的精准性，本实验采取了与实验车型一致的工件制造材料，在接头焊接工艺和形式上，也是与所选取案例车型一致。以角接接头的形式进行工件接地端子与型材处的焊接，角焊缝尺寸为a3，具体的尺寸标记如图1所示。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（见图2）。且，在接头附近存在型材对接焊缝和型材插接角焊缝两种形式的焊缝。

 

图1 接地端子角焊缝 图                图 2 角接接头的位置 

以铝合金长大中空型材（6005A型号）作为工件制造材料，型材上侧为2.5mm厚壁，下侧为3mm壁厚。采取（T6）热处理工艺，即：工件挤压成型后，进行固溶热处理和水淬，再进行175℃人工时效。选取铜包裹铝芯作为接地端子的选材，且还需要在基体外进行镀锡合金处理。首先考虑采用CU-E T P(C W004A）作为基体铜， 基体铝芯中含有≥99.5%的铝含量，镀层锡合金中含有60%～65%的锡含量。在开展焊接作业前，考虑到镀层为单质镀层，隧考虑将接地端子施焊区的镀层先采用角磨机进行清理干净。

1.2试验方法

本实验焊接接头所选取的焊接方式为：熔化极气体保护焊半自动焊，其中，选用了Fronius500型号的焊机，E R5087、φ1.2m m型号尺寸的焊丝，采用了I S O14175-Z-A r H e N2-30/0.015三元焊接保护气体，设定25L/min的焊接保护气体流量。在完成焊接区镀层打磨去除步骤操作后，先采用定位焊的方式对接地端子与型材进行定位焊接，然后对定位焊焊缝的两端采取直磨机进行磨平修整，从而确保焊缝端部与母材可以实现圆滑过度。设定焊接电流为150～170A，其中，定位焊与正式焊设置相同的焊接电流，完成焊接后，还需要对外观予以细致检测。

2、焊接接头裂纹原因分析

2.1裂纹位置确定

在完成焊接后，经过细致的检查发现，并未有裂纹产生，由此可以说明，裂纹的发生是后续冷却过程中慢慢发展产生的。发现裂纹的位置位于接地端子焊接接头的焊脚附近，将接头焊脚处有裂纹工件作为观察对象，采用角磨机将工件裂纹区域切割下来观察，肉眼可见焊接接头对应的型材背面存有放射状的较大裂纹，裂纹的具体形态为：接头焊脚附近存在的是细小裂纹，型材背面存在的是开口较大的裂纹。 接头背面开展渗透检测发现， 同样有线性裂纹出现在接头正面，由此可以表明，裂纹属于贯通性缺陷。在焊脚处呈现的是较细小裂纹，因此可以断定，焊脚处并非是裂纹的起始端，焊接接头的型材表面应该是起始端。因此，宏观金相试样的选取，应该从裂纹位置沿接地端子垂直方向进行切割选取，采用直磨机完成到打磨后，放到10倍放大镜下进行观察发现，接头背面的裂纹贯穿了对应位置型材的整个壁厚，且裂纹呈现下宽上窄的形态，由此可以表明，裂纹的扩展路径，具体图像如图如图3、图4所示。

              

图3 接头背面裂纹                           图4裂纹扩展路径

2.2缺陷排查

采取外观检测与渗透检测结合的检测方式，来实现对组焊的接地端子焊接接头的全面排查，以确保检测质量。严格依照ISO 23277-2x:2015的渗透检测验收标准执行验证，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。共计排查了990个接地端子，其中，发生焊脚位置存在裂纹的接地端子有11个，发生率占1.11%。排查结果显示，11个出现焊接裂纹的接地端子均是在型腔的中空位置，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。

2.3裂纹产生的机理

焊接裂纹敏感性是铝合金材料所具备的一种特性，焊接接头区域组织在受到焊接热循环的影响后，会产生较大变化和应力，进而对焊接工件的整体强度造成了影响，进而造成了工件实际焊接完成后，在热影响区出现裂纹。在焊接人员、焊接设备、焊接环境及检测方法等为发生改变的情况下，铝合金材料产生焊接裂纹主要因素是布置接地端子位置的型材结构强度不足导致，而焊接裂纹产生的次要原因是，工艺规范中焊接电流上限值偏高，加大了焊接热输入。具体而言即：型材内腔的加强筋对接地端子部位的型材两侧均产生了一定的约束力，因此，不能实现自由的变形，进而有一股较为集中的拉应力存在于接地端子焊接部位的型材背面，再就是，铝合金材料焊接完成后，具有接头轻度软化特性，当对应区域材料的抗拉强度小于拉应力时，就在焊接接头背面薄壁型材对应位置发生开裂现象，且沿母材厚度方向，所产生的宏观裂纹逐渐扩展，就会形成贯穿型材壁厚横截面的长裂纹。再就是，焊接实验所采取的焊接电流设定为170A上限值，完成焊接后，采用渗透检测对焊接接头正反两侧开展检测，其检测结果显示，接头背面形成了焊洇缺陷，由此可以说明，电流上限值偏高。

3、 改进措施

3.1结构的进一步优化

对接地端子的整体布置进行优化调整，在确保对电器件安装产生影响的前提下，在型材内部设有斜筋的位置进行所有接地端子的合理布置，进而实现对焊接接头对应位置强度的有效提升的同时，还实现了对焊接接头的散热性能的有效改善。对优化位置后的焊接接头按照原焊接工艺进行焊接操作后，在完成12h的工件冷却后，再对其进行开展渗透检测，结果显示，均为发生焊接裂纹现象，焊接质量得以明显提升。

3.2焊接参数的进一步优化

由上述分析可知，焊接热输入较大是该接头裂纹产生的次要原因，因此，将焊接参数中的焊接电流上下限值进行了合理的调整，设置范围调为：140A、120A，调整网参数后，再进行工件的焊接操作，结果显示，完成焊接后，再进行渗透检测后，并没有发现焊洇缺陷，焊接质量得以明显提升。

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