鋁及鋁合金的焊接方法

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鋁及鋁合金的焊接方法簡介
1.鋁及鋁合金的焊接特點 (1)鋁在空氣中及焊接時極易氧化,生成的氧化鋁(Al2O3)熔點高、非常穩定,不易去除。阻礙母材的熔化和熔合,氧化膜的比重大,不易浮出表面,易生成夾渣、未熔合、……
鋁及鋁合金的焊接方法正文
1.鋁及鋁合金的焊接特點
(1)鋁在空氣中及焊接時極易氧化,生成的氧化鋁(Al2O3)熔點高、非常穩定,不易去除。阻礙母材的熔化和熔合,氧化膜的比重大,不易浮出表面,易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分,易使焊縫產生氣孔。焊接前應採用化學或機械方法進行嚴格表面清理,{TodayHot}清除其表面氧化膜。在焊接過程加強保護,防止其氧化。鎢極氬弧焊時,選用交流電源,通過“陰極清理”作用,去除氧化膜。氣焊時,採用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時,可加大焊接熱量,例如,氦弧熱量大,利用氦氣或氬氦混合氣體保護,或者採用大規範的熔化極氣體保護焊,在直流正接情況下,可不需要“陰極清理”。
(2)鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導率則是奧氏體不鏽鋼的十幾倍。在焊接過程中,大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內部,因而焊接鋁及鋁合金時,能量除消耗於熔化金屬熔池外,還要有更多的熱量無謂消耗於金屬其他部位,這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著,為了獲得高質量的焊接接頭,應當盡量採用能量集中、功率大的能源,有時也可採用預熱等工藝措施。
(3)鋁及鋁合金的線膨脹係數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大,焊件的變形和應力較大,因此,需採取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。生產中可採用調整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生。在耐蝕性允許的情況下,可採用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅 0.5%時熱裂傾向較大,隨著硅含量增加,合金結晶溫度範圍變小,流動性顯著提高,收縮率下降,熱裂傾向也相應減小。根據生產經驗,當含硅 5%~6%時可不產生熱裂,因而採用 SAlSi 條(硅含量 4.5%~6%)焊絲會有更好的抗裂性。
(4)鋁對光、熱的反射能力較強,固、液轉態時,沒有明顯的色澤變化,焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低,支撐熔池困難,容易焊穿。
(5)鋁及鋁合金在液態能溶解大量的氫,固態幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中,氫來不及溢出,極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分,都是焊縫中氫氣的重要來源。因此,對氫的來源要嚴格控制,以防止氣孔的形成。
(6)合金元素易蒸發、燒損,使焊縫性能下降。
(7)母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時,焊接熱會使熱影響區的強度下降。
(8) 鋁為面心立方晶格,沒有同素異構體,加熱與冷卻過程中沒有相變,焊縫晶粒易粗大,不能通過相變來細化晶粒。
2.焊接方法
    幾乎各種焊接方法都可以用於焊接鋁及鋁合金,但是鋁及鋁合金對各種焊接方法的適應性不同,各種焊接方法有其各自的應用場合。氣焊和焊條電弧焊方法,設備簡單、操作方便。氣焊可用於對焊接質量要求不高的鋁薄板及鑄件的補焊。焊條電弧焊可用於鋁合金鑄件的補焊。惰性氣體保護焊(TIG 或 MIG)方法是應用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可採用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈衝氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可採用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈衝熔化極氣體保護焊。熔化極氣體保護焊、脈衝熔化極氣體保護焊應用越來越廣泛(氬氣或氬/氦混合氣)。鋁合金焊接的幾種先進工藝:攪拌摩擦焊、激光焊、激光- 電弧複合焊、電子束焊。針對於焊接性不好和曾認為不可焊接的合金提出了有效的解決方法,幾種工藝均具有優越性,並可對厚板鋁合金進行焊接。
3.鋁合金焊接的難點
    鋁合金由於重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用於各種焊接結構產品中,採用鋁合金代替鋼板材料焊接,結構重量可減輕50 %以上。
鋁合金焊接有幾大難點:
①鋁合金焊接接頭軟化嚴重,強度係數低,這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙;
②鋁合金表面易產生難熔的氧化膜(Al2O3 其熔點為 2060 ℃) ,這就需要採用大功率密度的焊接工藝;
③鋁合金焊接容易產生氣孔;
④鋁合金焊接易產生熱裂紋;
⑤線膨脹係數大,易產生焊接變形;
⑥鋁合金熱導率大(約為鋼的 4 倍) ,相同焊接速度下,熱輸入要比焊接鋼材大 2~4 倍。
因此,鋁合金的焊接要求採用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。
4.焊接材料
(1)焊絲 鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊接工藝性能外,按容器要求應使對接接頭的抗拉強度、塑性(通過彎曲試驗)達到規定要求,對含鎂量超過 3%的鋁鎂合金應滿足衝擊韌性的要求,對有耐蝕要求的容器,焊接接頭的耐蝕性還應達到或接近母材的水平。因而焊絲的選用主要按照下列原則:
1)純鋁焊絲的純度一般不低於母材;
2)鋁合金焊絲的化學成分一般與母材相應或相近;
3)鋁合金焊絲中的耐蝕元素(鎂、錳、硅等)的含量一般不低於母材;
4)異種鋁材焊接時應按耐蝕較高、強度高的母材選擇焊絲;
5)不要求耐蝕性的高強度鋁合金(熱處理強化鋁合金)可採用異種成分的焊絲,如抗裂性好的鋁硅合金焊絲 SAlSi 一 1 等(注意強度可能低於母材)。
(2)保護氣體 保護氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。交流加高頻 TIG 焊時,採用大於 99.9%純氬氣,直流正極性焊接宜用氦氣。MIG 焊時,板厚<25 mm="" 25="" mm="" 50="" mm="" 10="" 35="" 50mm-75mm="" l0="" 35="" 50="">75 mm 時推薦採用添加 50%~75%氦氣的氬氣。氬氣應符合 GB/T 4842?995《純氬》的要求。氬氣瓶壓低於 0.5 MPa 后壓力不足,不能使用。
(3)鎢極 氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔點和沸點高,不易熔化揮發,電極燒損及尖端的污染較少,但電子發射能力較差。在純鎢中加入 1%~2%氧化釷的電極為釷鎢極,電子發射能力強,允許的電流密度高,電弧燃燒較穩定,但釷元素具有一定的放射性,使用時應採取適當的防護措施。在純鎢中加入 1.8%~2.2%的氧化鈰(雜質≤0.1%)的電極為鈰鎢極。鈰鎢極電子逸出功低,化學穩定性高,允許電流密度大,無放射性,是目前普遍採用的電極。鋯鎢極可防止電極污染基體金屬,尖端易保持半球形,適用於交流焊接。
(4)焊劑 氣焊用焊劑為鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物,可去除氧化膜。
5.焊前準備
(1)焊前清理 鋁及鋁合金焊接時,焊前應嚴格清除工件焊口及焊絲表面的氧化膜和油污,清除質量直接影響焊接工藝與接頭質量,如焊縫氣孔產生的傾向和力學性能等。常採用化學清洗和機械清理兩種方法。
1)化學清洗 化學清洗效率高,質量穩定,適用於清理焊絲及尺寸不大、成批生產的工件。可用浸洗法和擦洗法兩種。可用丙酮、汽油、煤油等有機溶劑表面去油,用 40℃~70℃的5%~10%NaOH 溶液鹼洗 3 min~7 min(純鋁時間稍長但不超過 20 min),流動清水沖洗,接著用室溫至 60℃的30%HNO3 溶液酸洗 1 min~3 min,流動清水沖洗,風乾或低溫乾燥。
2)機械清理 在工件尺寸較大、生產周期較長、多層焊或化學清洗后又沾污時,常採用機械清理。先用丙酮、汽油等有機溶劑擦試表面以除油,隨後直接用直徑為 0.15 mm~0.2 mm的銅絲刷或不鏽鋼絲刷子刷,刷到露出金屬光澤為止。一般不宜用砂輪或普通砂紙打磨,以免砂粒留在金屬表面,焊接時進入熔池產生夾渣等缺陷。另外也可用刮刀、銼刀等清理待焊表面。
    工件和焊絲經過清洗和清理后,在存放過程中會重新產生氧化膜,特別是在潮濕環境下,在被酸、鹼等蒸氣污染的環境中,氧化膜成長得更快。因此,工件和焊絲清洗和清理後到焊接前的存放時間應盡量縮短,在氣候潮濕的情況下,一般應在清理后 4 h 內施焊。清理后如存放時間過長(如超過 24 h)應當重新處理。
(2)墊板 鋁及鋁合金在高溫時強度很低,液態鋁的流動性能好,在焊接時焊縫金屬容易產生下塌現象。為了保證焊透而又不致塌陷,焊接時常採用墊板來托住熔池及附近金屬。墊板可採用石墨板、不鏽鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個圓弧形槽,以保證焊縫反面成型。也可以不加墊板單面焊雙面成型,但要求焊接操作熟練或採取對電弧施焊能量嚴格自動反饋控制等先進工藝措施。
(3)焊前預熱 薄、小鋁件一般不用預熱,厚度 10 mm~15 mm 時可進行焊前預熱,根據不同類型的鋁合金預熱溫度可為 100℃~200℃,可用氧一乙炔焰、電爐或噴燈等加熱。預熱可使焊件減小變形、減少氣孔等缺陷。
6.焊后處理
(1)焊后清理 焊后留在焊縫及附近的殘存焊劑和焊渣等會破壞鋁表面的鈍化膜,有時還會腐蝕鋁件,應清理乾淨。形狀簡單、要求一般的工件可以用熱水沖刷或蒸氣吹刷等簡單方法清理。要求高而形狀複雜的鋁件,在熱水中用硬毛刷刷洗后,再在 60℃~80℃左右、濃度為2%~3%的鉻酐水溶液或重鉻酸鉀溶液中浸洗 5 min~10 min,並用硬毛刷洗刷,然後在熱水中沖刷洗滌,用烘箱烘乾,或用熱空氣吹乾,也可自然乾燥。
(2)焊后熱處理 鋁容器一般焊后不要求熱處理。如果所用鋁材在容器接觸的介質條件下確有明顯的應力腐蝕敏感性,需要通過焊后熱處理以消除較高的焊接應力,來使容器上的應力降低到產生應力腐蝕開裂的臨界應力以下,這時應由容器設計文件提出特別要求,才進行焊后消除應力熱處理。如需焊後退火熱處理,對於純鋁、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06 等,推薦溫度為 345℃;對於 2014、2024、3003、3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21 等,推薦溫度為 415℃;對於 2017、2A11、6A02 等,推薦溫度為360℃,根據工件大小與要求,退火溫度可正向或負向各調20℃~30℃,保溫時間可在0.5 h~2 h 之間。

 

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