本文参考文献引用格式：吕同辉.铝合金焊接接头的设计特点[J]. 电焊机，2020，50（4）：85-88.
摘要：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；强度下降
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前 言
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，铝被应用在航空航天、交通车辆、化工行业等生产制造领域。由于其防腐性能优良、低温韧性好的特点，在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的质量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。特别是在交通车辆制造领域，铝合金这种轻型材料的应用能提高运行速度和降低能源消耗，在现在的能源形势下具有特别的意义。
欧美国家早在20世纪中叶就建造了许多铝合金结构，而我国对铝合金结构的研究和应用起步较晚，应用研究较少，早期也无标准规范可循，这直接影响了国产铝合金结构的应用。2007年，我国第一部铝合金结构设计规范（GB50429）经建设部正式颁布，自2008年3月1日起实施，这对于我国铝合金结构设计的研究和发展起到了很大的推动作用。
焊接在铝合金结构的设计和制造过程中具有非常重要的作用，铝合金焊接技术的不断发展也保证了铝结构的制造质量和生产效率。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，都需要通过合理的力学设计和焊接制造来保证产品结构的强度、稳定性和刚度。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不同，所以在焊接接头的强度设计和接头细节部分与钢结构有较大不同。本文基于欧洲规范，从接头的强度设计和细节设计方面介绍铝合金焊接接头的特点[1-10]。
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焊接接头的强度设计
铝合金结构中最常用的母材为5系列、6系列、7系列，这些铝合金经过形变强化或者是热处理强化获得了一定的强度。但焊接热循环过程必然会造成对强化组织的改变，造成焊接热影响区软化，比如6系列时效强化铝合金，由于强化相粒子在焊接热影响区发生过时效而粗化，造成该区域软化，所以焊接接头设计时必须考虑焊接热影响区软化造成的强度下降问题。正是因为以上原因，欧洲规范（EN1999-1-1）中规定，在焊接结构设计中使用形变强化或热处理强化的铝合金时，焊接热影响区强度下降是允许的。但在供货状态为O（退火）或F（制造）状态下，其临近焊缝热影响区无强度下降现象，这是因为O或F状态意味着材料并没有经过形变强化或热处理强化的工艺过程，材料强度仅通过固溶强化获得，焊接热循环不会破坏固溶强化组织，也就不存在热影响区强度下降的问题。
那么在焊接结构设计时，如果使用了经过形变强化或热处理强化的铝合金，我们必须知道焊接热影响区的强度下降有多少，区域有多大，并采取相应的设计和制造措施，才能保证结构的安全性。
1.1 焊接热影响区强度下降
1.1.1 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
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
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：
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。
1.1.2 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（见图1）。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≤6 mm：bhaz=20 mm
6<t≤12 mm：bhaz=30 mm
12<t≤25 mm：bhaz=35 mm
t>25 mm：bhaz=40 mm
（2）当厚度大于12 mm 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≤6 mm：bhaz=30 mm
（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。
（6）影响bhaz值的其他系数遵循：
a. 温度高于60℃的影响。当采用多道焊时，道间温度将造成整体温度的增加，这就导致了热影响区宽度的增加。如果道间温度T1在60℃~120℃，对于6xxx、7xxx或5xxx系列合金，假定bhaz将乘以一个系数α2，如下：
α2=1+（T1-60）/120
7xxx系列合金
α2=1+1.5（T1-60）/120
如果想要得到较小的α2值，可以通过试验确定真正的热影响区宽度。对于铝合金焊接来说，120℃是推荐使用的最高温度。
b. 厚度不同。如果焊接连接的母材厚度不同，在上面的表达式中假设t为所有构件的平均厚度。只要平均厚度不超过1.5倍最小厚度时，都可采用。对于厚度变化更大的构件，热影响区的宽度将取决于试件的试验。
c. 传热途径不同。如果挤压型材件用角焊缝连接，实际传热途径（n）多于三维传热，则bhaz应乘以3/n。鉴于篇幅的原因，并没有将所有的数据全都列出，其他材料的数据可以在EN1999-1-1中找到。
1.3 设计方法
由于结构形式和尺寸问题，通常无法使用后续热处理的方式解决热影响区强度下降的问题，这就要求结构设计时就应通过强度计算确定热影响区的强度下降将对结构使用产生的影响，并采取相应的措施，比如通过增加材料尺寸的方式解决。从经济角度考虑，整体增加板厚是不可取的。通常可以通过增加局部板厚的方式解决（见图2），通过挤压成型技术，铝合金较容易实现板材局部加厚。
另外，在设计时还应注意，如果设计是基于本文1.2的某些特定要求（例如强度下降区域宽度是基于道间温度60℃条件下），必须在图纸中或相应的技术文件中给予规定。
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焊接接头设计细节的几个问题
由于钢和铝有较大的物理性能差异，所以在钢和铝焊接接头细节设计和制造也会有差异：由于铝的热传导较快（是结构钢的3倍以上），相同情况下焊接铝时用于熔化金属的热量低于焊接钢，所以在坡口设计时，相对于钢应有较大的坡口角度，这样可以减少需要熔化的母材金属，以避免可能产生的未熔合，特别在MIG焊时尤其要注意这一点。另外在多层焊操作时必须注意前一焊道表面不能突度过大，否则容易产生层间未熔合。
例如在ISO9692-1（焊接及相关工艺—接头准备—钢的焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、气焊、TIG焊和能量束焊）中推荐的对接接头V型坡口的角度为40°~60°（针对MAG焊，见表1），通常以60°居多。而在ISO9692-2（焊接及相关工艺—接头准备—铝的熔化极惰性气体保护焊和TIG焊）推荐为60°~90°（针对MIG焊，见表2），通常以70°居多。
焊接全熔透对接接头时，应尽量使用背面熔池保护，可采用的背面熔池保护形式如图3所示，使用的背面保护材料可以为奥氏体不锈钢、铝合金、铜或陶瓷。铝合金可以实现单面焊双面成型，但由于铝合金高温下强度低，焊接接头在无背面保护时容易过度下榻，所以其背面成型效果不好（特别是薄板焊接时），背面余高通常较大。
例如同为板厚3 mm的全熔透对接接头，在相同的焊接质量要求条件下，钢的背面余高限值为小于1+0.1b 左右，通常在1.2 mm以下，而铝及其合金为固定值3 mm，实际会接近3 mm（见表3），所以焊缝金属和母材过渡处的应力集中非常大。
当时使用MIG焊且要求背面熔透时，为了使根部更好地熔合，可在根部一侧开斜边（见图4），否则容易出现图4a所示的背面成型，背面焊缝中间有明显的尖锐凹陷，建议使用熔池保护装置。
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结 论
虽然与成熟的钢结构的设计和焊接制造相比，铝合金结构的设计和焊接制造原则没有变化。但还是要在设计和制造中，针对焊接热影响区强度减弱、接头细节等设计问题，进行合理的设计，才能保证结构的使用安全及其制造的经济性。
参考文献
[1] EN1090-3：2008，Execution of steel structures and aluminums structures—Part 2：Technical requirements for aluminums structures[S].
[2] EN1999-1-1：2005，aluminums structures：General rules and rules for buildings[S].
[3] Aluminum Association Aluminum Design Manual：2015[S].
[4] ISO9692-1：2013 Welding and allied processes—Types of joint preparation—Part 1：Manual metal arc welding，gas shielded metal arc welding，gas welding，TIG welding and beam welding of steels[S].
[5] ISO9692-3：2016，Execution of steel structures and aluminums structures—Part 2：Technical requirements for aluminums structures[S].
[6] ISO5017：2014，Welding—Fusion-welded joints in steel，nickel，titanium and their alloys (beam welding excluded)—Quality levels for imperfections[S].
[7] ISO5817：2018，Welding—Arc-welded joints in aluminums and its alloys—Quality levels for imperfections[S].
[8] GB 50429：2007，铝合金结构设计规范[S].
[9] 朱继华，苏玫妮，杨立伟. 铝合金结构性能与设计方法研究[M]. 武汉：武汉大学出版社，2017.
[10] 姜澜，王炎金，王宇新. 高速列车用6005A合金焊接接头组织与性能研究[J]. 材料与冶金学报，2002，1（4）：302-306.
本文编辑：唐凰
来源：《电焊机》杂志2020年第4期
作者：吕同辉
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