关于铝及铝合金的焊接工艺浅析.pdf

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1、收稿日期:2007-03-05 轻合金及其加工关于铝及铝合金的焊接工艺浅析李妙珍(石家庄职业技术学院,河北 石家庄050081)摘要:随着铝及其合金越来越多的被用于化工、航空航天、汽车制造等工业生产中,焊接结构不可避免,为了更好的解决铝、尤其铝合金的焊接工艺问题,我们通过实践,总结出一些系统的、比较成熟的工艺路线。并从理论上作了具体的论证,从而较好的解决了焊接铝合金的难点。关键词:铝;合金铝;焊丝;焊剂;保护气体;工艺垫板中图分类号:TG457.2 文献标识码:A 文章编号:100221752(2007)0926624Analysis of aluminum and aluminum allo

2、y welding technologyLI Miao-zhen(Shijiazhuang Vocational Technology Institute,Experiment and Training Center,Shijiazhuang050081,China)Abstract:With the increasing application of aluminum and aluminum alloy in chemical,aerospace and automobile industries,it is inevitable to use weld2ed construction.I

3、n order to solve the problems of aluminum welding technology and aluminum alloy welding technology in particular,we have summa2rized some systematical and relatively mature technological processes by practicing and made a specific demonstration in theory,which can help us tosolve the doubtful points

4、 and difficulties in welding aluminum alloy better.Key Words:aluminum;alloy aluminum;welding wire;flux;protective air;plate 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。特别是近些年来科学技术及工业经济的迅速发展,对铝合金焊接构件的需求日益增多,使铝合金的焊接性研究日益深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展,同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域,因此,铝合金的焊接问题正成为现今焊接技术研究的热点之

5、一。目前铝-镁系合金、铝-锰系合金是焊接结构中应用最广的两类铝合金。1 铝及铝合金的焊接性分析(1)铝在空气中及焊接时极易氧化,生成的氧化铝熔点高(2050)、非常稳定、不易去除,它阻碍母材的熔化和熔合。氧化膜的密度大,不易浮出表面,易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。铝材的表面氧化膜还吸附大量的水分,易使焊缝产生气孔。另外氧化膜不导电,影响焊接电弧的稳定性。焊接前应采用化学或机械方法进行严格地表面清理,清除其表面氧化膜。在焊接过程中要加强保护,防止其氧化。钨及氩弧焊时,选用交流电源,通过“阴极雾化”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,

6、利用氦气或氩、氦混合气体保护,或者采用大规范的熔化及气体保护焊,在直流正接情况下,可不需要“阴极雾化”。(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。(3)铝及铝合金的热膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的一倍。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

7、的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、疏松、热裂纹及较大的内应力。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-镁合金之外的其他铝合金。在铝-硅合金中(Si)=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(Si)为5%66 轻 金 属 2007年第9期6%时可不产生热裂,因而采用SAlSi(Si)为4.5%6%)焊丝会有更好的抗裂性。(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。高温下铝的强度很低,支撑熔池困难,

8、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。由于铝的导热性好,所以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、焊接材料和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)铝合金中有的合金化元素易蒸发、烧损,使焊缝性能下降。(7)母材基体合金如为变形强化或固溶时效强化状态,焊接热会使热影响区的强度下降。(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。2 焊接工艺的选择2.1 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

9、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。铝及铝合金多用于化工设备及航空航天等结构上,要求接头不但有一定强度而且具有耐腐蚀性,所以目前应用最广泛的铝及铝合金焊接方法是惰性气体保护焊(TIG或MIG)方法和脉冲焊。其中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)。2

10、.2 焊接材料铝及铝合金的焊接材料包括铝焊丝、铝气焊溶剂以及铝焊条等。(1)焊丝。铝焊丝通常分以下几种:a.专用焊丝:专门用于焊接与其成分相同或相近的母材,可根据母材的成分选用。b.通用焊丝:其中HS311(铝-硅焊丝)是一种通用焊丝。但由于它焊接铝-镁合金时,焊缝中会出现脆性相,降低接头的塑性和耐腐蚀性,因此,这种焊条主要用来焊接除铝-镁合金外的其他各种铝合金。c.特种焊丝:是为焊各种硬铝合金、超硬铝合金而专门熔炼的焊丝,其成分与母材的相近。与专用焊丝相比,焊缝金属既有良好的抗裂性,又有较高强度和塑性。常用铝及铝合金焊丝见表1。表1 常用的铝及铝合金焊丝名 称型 号主要化学成分(质量分数)%

11、牌 号用途及特性纯铝焊丝SA1-1Al99.0,Fe0.25,Si0.20SA1-2Al99.7,Fe0.30,Si0.30HS301SA1-3Al99.5,Fe0.30,Si0.35焊接纯铝及对接头性能要求不高的铝合金,塑性好,耐蚀,强度较低铝镁合金焊丝SALMg-1Mg2.42.8,Mn0.501.0,Fe0.4,Si0.4,Al余量SALMg-2Mg3.13.9,Mn0.01,Fe0.5,Si0.5,Al余量SALMg-3Mg4.35.2,Mn0.501.0,Fe0.4,Si0.5,Al余量SALMg-5Mg4.75.7,Mn0.20.6,Fe0.4,Si0.4,Ti0.20.6,Al余

12、量HS331焊接铝-镁合金和铝-锌-镁合金,焊补铝-镁合金铸件,耐蚀,抗裂,强度高铝硅合金焊丝SAlSi-1Si4.56.0,Al余量HS311焊接除铝-镁合金以外的铝合金,特别对易产生热裂纹的热处理强化铝合金更适合,抗裂铝锰合金焊丝SAlMnMn1.01.6,Al余量HS321焊接铝-锰及其他铝合金,耐蚀,强度较高铝铜合金焊丝SAlCuCu5.86.8,Al余量焊接铝-铜合金762007年第9期 李妙珍:关于铝及铝合金的焊接工艺浅析 铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外,按要求应使焊接接头的抗拉强度、塑性(通过弯曲试验)达到规定要求。对于(Mg)超过3%的铝-镁合金应满足冲击韧性的

13、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:纯铝焊丝的纯度一般不低于母材;铝合金焊丝的化学成分一般与母材的相应或相近;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的;异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝;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-1等(注意强度可能低于母材的)。(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,采用纯度大于99.9%的纯氩气,直流正极性焊接宜用氦气。MIG焊时,板厚小于25 mm时宜用氩气;板厚25

14、 mm50 mm时氩气中宜添加10%35%的氦气;板厚50mm75mm时氩气中宜添加l0%35%或50%的氦气;当板厚大于75 mm时推荐采用添加50%75%氦气的氩气。氩气应符合GB/T 48421995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。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

15、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。(4)焊剂。气焊用焊剂为钾、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物,可去除氧化膜及杂质。改善熔池金属的流动性。其气焊熔剂的牌号、成分如表2所示。表2 气焊熔剂的牌号、成分(质量分数/%)牌号KClNaClNaFLiClBaCl Na3SiF6使用要求CJ4015028814CJ40330451510CJ40440202020CJ405404020(1)焊前将焊接部位擦刷干净;(2)用水将熔剂调成糊状,涂于焊丝旋焊;(3)焊后将残存

16、工件表面溶剂用热水洗掉。3 焊接工艺的制定3.1 焊前清理铝及铝合金焊接时,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。在清除氧化膜之前应先用丙酮或酒精将坡口及其两侧各约30mm内的油污、赃物清洗干净。(1)化学清洗。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。它主要是用酸或碱溶液来溶解金属表面的氧化膜。可用浸洗法和擦洗法两种。最常用的是4070的5%10%体积的NaOH溶液浸泡坡口两侧各100mm范围,碱洗3 min7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min)

17、,流动清水冲洗,接着用室温至60的15%HNO3溶液酸洗1 min3 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。用直径为0.15 mm0.2 mm的铜丝刷或不锈钢丝刷将坡口两侧30mm40mm范围内的氧化膜去除,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。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、碱等蒸汽污染的环境中,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

18、的存放时间应尽86 轻 金 属 2007年第9期量缩短,通常在2h内焊接,否则会有新的氧化膜生成。氩弧焊时可在24h之内焊接,因为新生成的氧化膜极薄,可利用氩弧焊的“阴极雾化”作用将其清除。(3)焊前预热。由于铝的导热性好,为了防止焊缝区热量的大量流失,焊前应对焊件进行预热。薄、小铝件一般不用预热,厚度10 mm15 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-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。多层焊时,注意控制层间温度不低于预热温度。3.2 焊接过程中工艺垫板的选择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

19、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,用以控制焊缝根部形状和余高量。垫板表面开一个圆弧形槽或者方形槽,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。垫板及槽口尺寸如图1。图1 垫板及槽口尺寸3.3 焊后处理(1)焊后清理。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。质量要求高而形状复杂的铝件,在热水中用硬毛刷刷洗后,再在

20、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 min10 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。(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的热处理。如需焊后退火热处理,对于工业纯铝及5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等合金,推荐温度为345;对于2014、2024、3003、3004

21、、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等合金,推荐温度为415;对于2017、2A11、6A02等合金,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 h2 h之间。4 结 语综上所述,如果能够正确的选择焊接材料和焊接工艺,我们就能够获得性能满足使用要求的焊接产品。参考文献:1 高忠民.实用电焊技术M.北京:金盾出版社.2004.6.2 叶琦.焊接技术M.北京:化学工业出版社.2005.2.3 周振丰.金属熔焊原理及工艺M.北京:机械工业出版社.1986.(责任编辑 武红林)962007年第9期 李妙珍:关于铝及铝合金的焊接工艺浅析