铝及铝合金的焊接 （一篇文献）

梦回唐朝

铝及铝合金的焊接 1．铝及铝合金的焊接特点
   （1）铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。
　（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。
) Q, a3 [) T% {2 O4 \- T 　（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5%～6%时可不产生热裂，因而采用SAlSi條（硅含量4.5%～6%)焊丝会有更好的抗裂性。
8 U& I  F1 _& h 　（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
　（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
　（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。
　（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。
1 z1 J9 b7 b  q% z 　（8） 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
: n4 l$ l* d. D/ X2．焊接方法
　　几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）。
) o# i5 P8 [; `9 b) ^3.焊接材料
（1）焊丝
    铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性(通过弯曲试验)达到规定要求，对含镁量超过3％的铝镁合金应满足冲击韧性的要求，对有耐蚀要求的容器，焊接接头的耐蚀性还应达到或接近母材的水平。因而焊丝的选用主要按照下列原则：
1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材；
6 R% f+ @9 @# S3 N  j6 V2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近；
/ |- s! H9 u4 q! a3）铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材；
3 V3 o$ Z5 b5 l4）异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝；
4 `, y" U- j9 E  d& ]5）不要求耐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝SAlSi一1等(注意强度可能低于母材)。
（2）保护气体
    保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频TIG焊时，采用大于99．9％纯氩气，直流正极性焊接宜用氦气。MIG焊时，板厚<25 mm时宜用氩气；板厚25 mm～50 mm时氩气中宜添加10％～35％的氦气；板厚50mm-75mm时氩气中宜添加l0％～35％或50％的氦气；当板厚>75 mm时推荐采用添加50％～75％氦气的氩气。氩气应符合GB／T 4842?995《纯氩》的要求。氩气瓶压低于0.5 MPa后压力不足，不能使用。
(3) 钨极
/ {. g4 {$ D* ^; _& P    氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。在纯钨中加入1％～2％氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。在纯钨中加入1.8％～2.2％的氧化铈(杂质≤0.1％)的电极为铈钨极。铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。
( B3 q! C; H7 v（4）焊剂
+ @, N% N) P; Y    气焊用焊剂为钾、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物，可去除氧化膜。
# n9 P+ E+ ^5 Q" [+ w# B4. 焊前准备
* b! ~9 B* c. Z# P(1) 焊前清理
6 C/ g( n' H! @5 U    铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。
1 F2 \. D# K9 a/ C* R, h$ z1）化学清洗
) a5 }' U) Q: B- E$ J    化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液碱洗3 min～7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min)，流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％HNO3溶液酸洗1 min～3 min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。
2）机械清理
    在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为0.15 mm～0.2 mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。
1 Z1 r1 ]' E# d  d/ X' [% R- V0 k0 Y$ B( u    工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4 h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24 h)应当重新处理。
+ d8 U  r1 X3 y7 m# @: l! `(2) 垫板
    铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。
+ F- w" ?; {0 x(3) 焊前预热
9 B3 s4 J; \, {  I    薄、小铝件一般不用预热，厚度10 mm～15 mm时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。
$ y0 Q, F* _$ q: D& K" ~5.焊后处理
4 D" q: D; c, `5 l2 K  `9 E(1) 焊后清理
5 w: d! Q  x  i* n    焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝表面的钝化膜，有时还会腐蚀铝件，应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件，在热水中用硬毛刷刷洗后，再在60℃～80℃左右、浓度为2％～3％的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5 min～10 min，并用硬毛刷洗刷，然后在热水中冲刷洗涤，用烘箱烘干，或用热空气吹干，也可自然干燥。
3 [) [: s1 P/ v, O+ y(2)焊后热处理
    铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力，来使容器上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下，这时应由容器设计文件提出特别要求，才进行焊后消除应力热处理。如需焊后退火热处理，对于纯铝、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等，推荐温度为345℃；对于2014、2024、3003、3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等，推荐温度为415℃；对于2017、2A11、6A02等，推荐温度为360℃，根据工件大小与要求，退火温度可正向或负向各调20℃～30℃，保温时间可在0.5 h～2 h之间。

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铝焊接简易指南
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    母材准备：要焊接铝材，焊工必须小心的清洁好母材，要用油剂或者溶剂清除铝材表面的任何氧化物和碳氢化合物的污染。铝材表面的氧化物融化温度在华氏3700度，而其下面的铝制母材在华氏1200度就会融化。因此，残留任何氧化物在铝制母材的表面将会制约填充金属的对加工件的穿透性。   

' b( }7 X8 K$ `7 ?5 i* Z    要清除铝材表面的氧化物，可以使用不锈钢的钢丝毛刷或者溶剂腐蚀的方法。在使用不锈钢毛刷的时候，只能往一个固定的方向刷除。小心不要太用力和不仔细：粗暴的动作会造成氧化物嵌入铝制母材。同时，只在铝材表面使用不锈钢刷，不要使用在不锈钢或者碳钢上使用过的刷子。在使用化学溶剂的方法的时候，要确保焊接前将溶剂清除干净。   

    要最大程度的用油剂或者溶剂的方法减小碳氢化合物的不良影响，还要使用去油剂。同时要确保去油剂不含任何碳氢化合物。   

    预热： 预热铝制加工件能够帮助避免焊接裂缝的产生。预热温度不应该超过华氏230度，要使用温度计监测温度以防止过热。另外，将间断焊放在焊接区域的开始和结尾处能帮助加强预热效果。焊工还应该在焊接薄材的时候预热一片厚的铝材。   
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. M; g6 V, d3 M, g: O/ z    处理速度：铝材焊接的过程需要“高温高速”的处理。不同于钢材，铝材的较高的热导性需要使用温度更高的电流电压设定和更高的焊接速度。如果焊接速度太慢，将会有过多的焊接穿透，特别是在焊接薄材的时候。   

0 S$ ~7 t& w) N4 P    保护气体：氩气由于其优异的清洁性能，被作为最常用的铝材焊接保护气体。在焊接5XXX-系列的铝合金的时候，使用的保护气体是氩气和氦气的混合气体。最多75%的氦气的比例能达到减小镁氧化物影响的最佳效果。   
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# A) m' W5 _3 D+ X0 @    焊丝：选择和母材熔点相近的铝制填充金属丝。焊工越能限制金属的融化范围，焊接合金就越容易。要用直径3/64-或者1/16英寸的填丝。填充金属丝的直径越大越容易送丝。要焊接薄型材料，用0.035英寸直径的焊丝加上脉冲焊接的处理工序，低速送丝（大概100到300英寸每分钟），效果就会很理想了。   

    凹面材料焊接：在铝材焊接中，火花飞溅会导致焊接失败。裂缝是导致从铝材高速的热膨胀到大量冷却造成的收缩的后果。焊接裂缝的风险在焊接凹面材料的时候最大，因为材料表面小坑会收缩，冷却的时候就会造成材料的撕裂。因此，焊工应该制造出凸面形状的坑，凸面就会补偿焊接时造成的收缩。   
7 \8 @7 M1 [5 k7 A: c: W6 V    电源选择：在选择焊接铝材的气体金属弧焊机的电压的时候，首先需要考虑的是熔滴过渡飞溅或者脉冲的问题。   

    恒定电流和恒定电压的电焊机可以被用来喷射弧焊。喷射弧是将焊条上很小的熔化金属滴通过焊弧喷射到母材上面。在焊接厚铝材的应用中要求焊接电流超过350安的恒定电流，这才能达到最好的效果。   
. f( p4 k; J& A  z# Q3 B2 q2 u: t. v
! H! o# O* a* p# z7 b5 J    脉冲过渡通常是在逆变电源的支持下进行的。新型的电源包含内建的脉冲程序。在气体金属弧焊脉冲的时候，每次电流脉冲就有一滴填充金属从焊条过渡到加工件，这个处理过程中，会产生正极的熔滴过渡，达到较少的飞溅和较高焊接速度的效果。使用脉冲气体金属弧焊工艺来焊接铝材的时候，热输入的控制也更好，还能够轻松的进行错位焊接，让焊工以较低的送丝速度和较低的电流来进行薄材的焊接。   
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    送丝机：首选的在长距离送软铝丝的方法是推挽式送丝，这种方法使用封闭的送丝机构来保护焊丝不受环境影响。在送丝机构里面的恒定扭矩和变速电机负责送丝动力，同时引导焊丝通过焊枪，达到恒定的出力和速度。焊枪的高扭矩电机拉动焊丝，保证送丝速度和焊弧的协调一致。   

    有的焊工使用同样的送丝机来输送钢丝和铝丝。在这样的情况下，使用塑料或者尼龙的衬垫能帮助达到顺滑和协调一致的送丝（铝）效果。在具体焊接的时候，尽量保持焊枪线缆的笔直来减小送丝阻力。仔细检查主动辊和引导管之间的同轴度，防止铝材刮花。   
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    使用为铝材而设计的主动辊。将主动辊设定紧一些来达到不变的送丝速度。过紧的设定会导致焊丝的变形和不稳定的送丝：而太松的话，就会导致不稳定的送丝。两种情况都会直接导致焊弧和焊接多孔性的不稳定。   
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    焊枪：使用分别不同的焊枪衬垫来焊接铝材。要防止焊丝被扰乱，可以尝试同时收紧衬垫的两头，进而消除衬垫和气体发散器之间的缝隙。   

    经常更换衬垫可以减小铝材粗糙表面的潜在氧化物对送丝造成的不良影响。在焊接电流超过200安的时候，要使用水冷焊枪来冷却，减少送丝的困难。