焊接工程师培训-铝合金焊接结构

IWE-3/11铝合金焊接结构

(吉林大学)

1．概述

随着运载工具的轻量化，轻型材料也愈加收到青睐，特别是铝材焊接技术的快速发展，也正在不断满足铝制品和铝结构的焊接需求。前面的课程已经从铝及其合金的物理性能及焊接性方面作过重点介绍。本次教学重点侧重于铝结构设计方面进行相关介绍。

2．铝及其合金的焊接性

气孔；热裂纹；接头热影响区软化；接头抗腐蚀性下降。3．焊接铝结构设计的一般原则：

铝结构的设计，尽管在计算方法上与钢结构基本相同，但因接头的氧化与软化现象普遍存在，所以，在接头设计和许用应力等方面又不同于钢结构。

3.1铝结构的设计的一般原则(焊接结构设计的普遍规律)

(1)尽量减小结构或接头局部的应力集中—以便提高结构的疲劳寿命或抗开裂性能；（教材图16、图20）

（2）尽量降低结构的整体刚性或局部刚性—以降低应力集中的敏感性；改善三向拉应力形成的可能性；

（3）不采用过厚的截面---防止形成3向拉应力，即平面应变状态；不等厚接头应注意削坡（1:4）或改造成平对接接头；以缓解接头局部的应力集中行为和降低应力集中系数；（教材图17）

(4) 重视次要焊缝的设计，避免引发主体开裂；

（5）充分注意焊缝位置的可操作性：既具有良好的可焊到性，又

具有方便焊前坡口清理的操作条件。

（6）控制焊缝的数量和空间分布：避开危险截面、避开高应力区、避免汇交、密集（图23），尽量对称分布；合理采用型材（图8）－焊接结构。

一句话，不能让焊缝处在危险环境，不要刻意去考验焊缝！

最好让焊缝布置在结构横截面的中性轴上（参见图16）。

（7）选择合理的接头形式，降低应力集中系数，改善焊缝成型。

优先选择对接接头；改造搭接接头（端面角焊缝削坡）和角接头(参见图23 把角接头变为对接接头)；改善丁/十字接头(开坡口、焊透、表面下凹);注意背面成型(参见图12改善熔池与背面母材与钝边的润湿性，从而改善背面成型参见图13)

3.2铝结构设计的特殊问题(引起特别注意的方面)

(1) 因接头热影响区的软化,会直接造成接头强度不足,可考虑增厚补强;设计成近缝区加厚的结构形式; （参见教材图19）

(2) 考虑到接头背面的成型及保护,可设计成自带锁底保护的接头形式;既有利于背面的保护,又方便定位;（参见教材图19）

(3) 考虑到铝材的成型优势,为减少铝结构的整体焊接变形,应尽可能采用形状各异适用铝型材焊接结构;（图7 铝合金车体）

(4) 考虑到铝材在运载工具轻量化和耐腐蚀方面的优势,一般城轨/地铁车辆，航空航天结构应尽量采用高强铝结构（图2）；

（5）考虑到铝材与钢材的导热性能和抗氧化方面的差异，厚板双面MIG焊缝应考虑坡口分批开,否则会导致坡口氧化；此外，坡口角比钢材略大些，以防止坡口未熔合现象的发生！

分批开坡口示意图

3.3 铝结构生产方面的特殊性

3.4 铝与钢相比的一些主要区别（参见表1）

(1) 母材强度低——相对弱化；

(2) 铝材更活波——母材易氧化；氧化膜必须去除！

(3) 接头等强性差——热影响区普遍存在软化；

(4) 母材比重小——利于结构的轻量化；

(5) 母材塑性好——挤压成型较容易，构件易于型材化；

（1） 注意生产环境：控温，控湿，清洁。不能与黑色金属混合生产;以防止材料的交叉污染；（如氧化皮、铁锈、金属飞溅、铁屑等） （2） 操作者应穿白色工作服、胶底鞋，鞋底不应有坚硬的铁钉，防止划伤铝制品表面；坡口两侧清理应采用不锈钢丝轮打磨！ （3） 铝制品的筒节找圆时,轧辊表面应用棕绳缠好,不能直接用黑色金属轧辊的表面直接碾压铝表面! （4） 铝制品焊接坡口及其两侧的清理后,不应超过24小时;应尽可能防止二次氧化或二次污染! （5） 铝制品的机械矫正时,应用垫有橡胶的榔头;不能直接用铁锤敲击铝制品的表面.

(6)面心立方晶格——低温无脆化；

(7)母材加热时表面颜色几乎不变化，不容易控制熔池；手工操

作易焊漏！

(8)弹性模量低——E钢: E铝为3 ：1 ；抗弯能力差；欲得到

相同的抗弯刚度，截面尺寸必须比钢材大！（参见图1）

(9)母材易形成致密的氧化膜，抗腐蚀能力比钢材好！

(10)线膨胀系数大——是钢材的2倍！热变形大；为有效控制

焊接错边，必须增多点固焊道！

(11)导热系数大——母材散热快，对焊接热功率要求高！

(12)铝及其合金属于非铁磁性材料，不能进行磁力探伤！

(13)铝合金的延伸率低——仅为钢材的一半，低于12.5%；而

软钢为25～30%。

4．铝结构的应用概述和实例

铝材在工业领域的广泛应用，主要是看好铝材具有以下优点：

资源丰富、质量轻、抗腐蚀、耐低温、易成型等。

因此，随着铝材焊接技术的不断进步，铝材的应用领域也逐步拓宽。以铝代钢在轨道交通（如城轨、地铁）行业呈现良好的上升势头。航空、建筑行业也早有应用。目前，日本高速客车几乎全部采用铝合金制造；欧洲一些国家铝合金轨道车辆制造已形成批量生产规模。1997年，我国成功试制出大型挤压型材铝合金焊接车体客车。长春轨道客车股份有限公司目前也开始批量生产铝合金焊接车体客车。吉林化工机械厂多年来一直生产铁路运输用铝槽车。

教材中具体列举了几种典型的应用实例，参见教材图2～7）

图2 铝制公路护栏——特色：一轻二白防腐蚀；

图3 高速公路标识牌——特点：白地蓝字更醒目；

图4 铝制翻斗自卸车——多拉快跑省燃料；

图5 铝合金车体——型材纵横成脊梁；

图6 铝制空客飞机——身轻如燕更安全；（韧性好，机翼轻）图7 全铝游艇——耐蚀抗裂无脆性.

5．相关国际标准

5.1 德国工业标准

?20世纪的德国，铝结构焊接和设计的相关标准有三个。既没有EN标准，也没有ISO标准。德国铝结构设计标准是：?DIN4113-1：1980 主静载铝结构：载荷分析与设计

（适用母材许用应力）

?IFBT 规程：1987 建筑设计院规程（侧重焊缝许用应力）

?DVS1608: 1983轨道车辆铝结构焊接（适用动载结构）也是德国唯一的用于动载结构的规程。

5.2．后续出台的相关标准

?DIN4113-2：1993

主静载铝结构：计算和焊接接头制造

?ISO9692-3: 2001

坡口准备：铝及其合金MIG焊和TIG焊

5.3其它相关标准

?DIN18800-1:1990钢结构－计算和设计

（原则上铝结构与钢结构的计算方法类似）

?EN1999-1-1铝及铝合金的标记(表3)

(用4位数字或字母加数字标记方法)

?EN ISO 18273铝及铝合金实芯焊丝标记

示例: EN ISO 18273-S Al4043(AlSi5)

?GB/T 16474-1996《变形铝及铝合金型号表示方法》

?DIN6700/EN18085 轨道车辆铝结构焊接

6. 铝材焊接接头的坡口准备

6.1 总体特征分析:

(1)铝材熔点低，导热快——一般熔深较大；所以钝边较大；

(2)铝材散热快、易氧化——一般坡口角度比钢材略大些，避免

未熔合现象；

(3)由于前面两条，势必容易导致焊缝根部未焊透；为了保证根

部的成型质量，建议平对接接头在背面进行焊根倒角（即开

小坡口）；另外，为防止烧穿和氧化，建议对于单面MIG焊

接头采用熔池保护措施。参见教材图12（几种背面保护措施）6.2 ISO9692-3 不同接头形式的坡口形状(参见教材表4 p208)

两种接头——①对接；②T形;

三种基本参数——间隙；钝边；坡口角度；

六种坡口——①平对接坡口; ②单面V形坡口;③双Y形坡口;

④半V形坡口;⑤双面半V形坡口(即K形);⑥角焊缝。

6.3 铝合金熔化焊焊缝背面余高较大---见表5---p208 为什么？

7. 计算准则

7.1 静载荷的计算准则（p209）

基本原理与钢结构相似. 不同点是: 母材和焊缝的许用应力不一样! 必须按不同的规程来选取!

σ≤f,w/γM,W γM,W =1.25

?母材强度——按表6查取；p210

?焊缝强度——按表7选取。P210

7.2 动载结构设计

动载铝结构的设计和计算需按DVS1608规程并结合DS952规程进行。承受动载的铝结构的主要应用领域是车辆、飞机、船舶等。

疲劳载荷的设计主要根据疲劳图进行确定。

-1 0 +1

图15 用σr—r 表示的疲劳图

8.铝型材焊接结构示例

例1参见图24，由三种型材组焊而成的铝合金抗弯梁：型材1——∏形纵向加T形双肋的上部型材（相当于上翼板）；

型材2——具有纵向L形双肋的之间腹板铝型材；

型材3——不等厚槽型底板（自带熔池保护）。

优点：

焊缝避开了最高应力区；

型材自带熔池保护；

型材自带纵向加强肋；

仅涉及3种型材。（原图有误！截面应对称 b=d）

例2 参见图25，由两种型材组焊而成的铝合金抗弯梁：型材1——腹板，带直角加强和熔池保护；

型材2——可灵活改变宽度的翼板（可选择适当的型材）。优点：

提高改变翼板的宽度或型材的类型，可获得不同抗弯能力的矩形截面梁。