铝及铝合金焊接性及焊接工艺研究.doc

铝及铝合金焊接性和焊接工艺的研究
摘要：近 40 年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大，但国产化的铝合金和铝合金焊接材料均还存在着一定的差距。对铝合金焊接接头产生裂纹的特征及产生机理进行了分析，选择合适的焊接工艺，提出几点防范措施。
关键词：铝合金，焊机性，焊接工艺
虽然已经应用铝及其合金焊成许多重要产品，但实际焊接生产中并不是没有困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性”等。由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如 Al2O3的熔点为 2050℃，MgO 熔点为 2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属中夹杂物。同时，氧化膜（特别是有 MgO 存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收较多水分而常常成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形。
1. 铝合金焊接性
（1） 焊缝中的气体
铝和铝合金熔焊时最常见的缺陷是焊缝气体，特别是对纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及其合金焊接时产生气孔的主要原因，氢的来源是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分对焊缝气孔的产生有重要的影响。弧柱中的氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝合金的溶解度有关。平衡条件下氢的凝固点可以从0.69mL/100g突然降到0.036mL/100g，相差约20倍，这是氢易使铝焊缝产生气孔的重要原因之一。铝的导热性很强，在同样的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度为高强钢焊接时的4到7倍，不利于气泡浮出，更容易促使形成气孔。
（2）焊接热裂纹
铝及其合金焊接时吗，常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。铝合金属于共晶型合金。从理论上分析，最大裂纹倾向与合金的“最大凝固温度区间”相对应。但是，由于平衡状态图得出的结论与实际情况有较大的出入，Al-Mg合金焊缝裂纹倾向最大是的成分是在Mg％=2％附近，并不是在凝固温度区间最大（Mg％=15.36％)的合金。其他的情况也是如此。例如在80~100℃/s冷却速度下，Al-Cu合金的实际固相线向左下方移动，是极限固溶解度的成分为Cu％=0.2％（而不是原来的5.65％），共晶温度降到525℃（原来548℃）。若合金中存在其他元素或杂质时，还可能出现三元共晶。易溶共晶的存在，是铝合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一。铝合金的线膨胀系数比钢的约大1倍，在拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应力，也是铝合金具有较大裂纹倾向的原因之一。
（3）焊接接头的“等强性”
非时效的强化铝合金，在退火状态下焊接时，接头与母材是等强的；在冷作硬化状态下焊接时，接头强度低于母材。表明在冷作硬化状态下焊接时有软化现象。时效强化铝合金，无论是在退火状态下还是在时效状态下焊接，焊后不经过热处理，接头的强度低于母材。特别是在时效状态下焊接的硬铝，即使焊后经过人工时效，焊接接头系数也未超过60％。
2. 铝合金焊接工艺
(1)焊前准备
　　采用化学或机械方法,严格清理焊缝坡口两侧的表面氧化膜。
　　化学清洗是使用碱或酸清洗工件表面,该法既可去除氧化膜,还可除油污,具体工艺过程如下:体积分数为6%～10%的氢氧化钠溶液,在70℃左右浸泡0.5min→水洗→体积分数为15%的硝酸在常温下浸泡1min进行中和处理→水洗→温水洗→干燥。洗好后的铝合金表面为无光泽的银白色。
　　机械清理可采用风动或电动铣刀,还可采用刮刀、锉刀等工具,对于较薄的氧化膜也可用0.25mm的铜丝刷打磨清除氧化膜。 清理好后立即施焊,如果放置时间超过4h,应重新清理。
(2)确定装配间隙及定位焊间距
　　施焊过程中,铝板受热膨胀,致使焊缝坡口间隙减少,焊前装配间隙如果留得太小,焊接过程中就会引起两板的坡口重叠,增加焊后板面不平度和变形量;相反,装配间隙过大,则施焊困难,并有烧穿的可能。合适的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙,因此,选择合适的装配间隙及定位焊间距,是减少变形的一项有效措施。
(3)选择焊接设备
　　目前市场上焊接产品种类较多,一般情况下宜采用交流钨极氩弧焊(即TIG焊)。它是在氩气的保护下,利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。该焊机工作时,由于交流电流的极性是在周期性的变换,在每个周期里半波为直流正接,半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热,有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。
(4)选择焊丝
　　一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。
(5)选取焊接方法和参数
　　一般以左焊法进行,焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上时,以右焊法进行,焊炬和工件成90°角。
　　焊接壁厚在3mm以上时,开V形坡口,夹角为60°～70°,间隙不得大于1mm,以多层焊完成。壁厚在1.5mm以下时,不开坡口,不留间隙,不加填充丝。焊固定管子对接接头时,当管径为200mm,壁厚为6mm时,应采用直径为3～4mm的钨极,以220～240A的焊接电流,直径为4mm的填充焊丝,以1～2层焊完。
参考文献
[1]李亚江——焊接冶金学：材料焊接性第5章.北京:机械工业出版社，2011
[2] 周万盛.焊接手册一一材料的焊接(第二版)第3篇第12章[M].北京:机械工业出版社,2001.