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鋁合金的焊接方法 鋁合金的焊接方法很多，各種方法有其不同的應(yīng)用場合。除了傳統(tǒng)的熔焊、電阻焊、氣焊方法外，其他一些焊接方法（如等離子弧焊、電子束焊、真空擴(kuò)散焊等）也可以容易地將鋁合金焊接在一起。 鋁合金常用焊接方法的特點及適用范圍見表1。應(yīng)根據(jù)鋁及鋁合金的牌號、焊件厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及對焊接性的要求等選擇。 表1 鋁合金常用焊接方法的特點及適用范圍
（1）氣焊 氧－乙炔氣焊火焰的熱功率低，熱量較分散，因此焊件變形大、生產(chǎn)率低。用氣焊焊接較厚的鋁焊件時需預(yù)熱，焊后的焊縫金屬不但晶粒粗大、組織疏松，而且容易產(chǎn)生氧化鋁夾雜、氣孔及裂縫等缺陷。這種方法只用于厚度范圍在0.5～10㎜的不重要鋁結(jié)構(gòu)件和鑄件的焊補(bǔ)上。 （2）鎢極氬弧焊 這種方法是在氬氣保護(hù)下施焊，熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫金屬致密，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性高，在工業(yè)中獲得起來越廣泛的應(yīng)用。鎢極氬弧焊用于鋁合金是一種較完善的焊接方法，但鎢極氬弧焊設(shè)備較復(fù)雜，不宜在室外露天條件下操作。 （3）熔化極氬弧焊 自動、半自動熔化極氬弧焊的電弧功率大，熱量集中，熱量影響區(qū)小，生產(chǎn)效率比手工鎢極氬弧焊可提高2～3倍。可以焊接厚度在50㎜以下的純鋁及鋁合金板。例如，焊接厚度30㎜的鋁板不必預(yù)熱，只焊接正、反兩層就可獲得表面光滑、質(zhì)量優(yōu)良的焊縫。半自動熔化極氬弧焊適用于定位焊縫、斷續(xù)的短焊縫及結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的焊件，用半自動氬弧焊焊炬可方便靈活地進(jìn)行焊接，但半自動焊的焊絲直徑較細(xì)，焊縫的氣孔敏感性較大。 （4）脈沖氬弧焊 1）鎢極脈沖氬弧焊 用這種方法可明顯改善小電流焊接過程的穩(wěn)定性，便于通過調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)來控制電弧功率和焊縫成形。焊件變形小、熱影響區(qū)小，特別適用于薄板、全位置焊接等場合以及對熱敏感性強(qiáng)的鍛鋁、硬鋁、超硬鋁等的焊接。 2）熔化極脈沖氬弧焊 可采用的平均焊接電流小，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，焊件的變形及熱影響區(qū)小，生產(chǎn)率高，抗氣孔及抗裂性好，適用于厚度在2～10㎜鋁合金薄板的全位置焊接。 （5）電阻點焊、縫焊 可用來焊接厚度在4㎜以下的鋁合金薄板。對于質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品可采用直流沖擊波點焊、縫焊機(jī)焊接。焊接時需要用較復(fù)雜的設(shè)備，焊接電流大、生產(chǎn)率較高，特別適用于大批量生產(chǎn)的零、部件。 （6）攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊是一種可用于各種合金板焊接的固態(tài)連接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔焊方法相比，攪拌摩擦焊無飛濺、無煙塵，不需要添加焊絲和保護(hù)氣體，接頭無氣孔、裂紋。與普通摩擦相比，它不受軸類零件的限制，可焊接直焊縫。這種焊接方法還有一系列其它優(yōu)點，如接頭的力學(xué)性能好、節(jié)能、無污染、焊前準(zhǔn)備要求低等。由于鋁及鋁合金熔點低，更適于采用攪拌摩擦焊。 鋁用焊接材料 （1）焊絲 采用氣焊、鎢極氬弧焊等焊接鋁合金時，需要加填充焊絲。鋁及鋁合金焊絲分為同質(zhì)焊絲和異質(zhì)焊絲兩大類。為了得到良好的焊接接頭，應(yīng)從焊接構(gòu)件使用要求考慮，選擇適合于母材的焊絲作為填充材料。 選擇焊絲首先要考慮焊縫成分要求，還要考慮產(chǎn)品的力學(xué)性能、耐蝕性能，結(jié)構(gòu)的剛性、顏色及抗裂性等。選擇熔化溫度低于母材的填充金屬，可大大減小熱影響區(qū)的晶間裂紋傾向。對于非熱處理合金的焊接接頭強(qiáng)度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。 含鎂3%以上的5000系的焊絲，應(yīng)避免在使用溫度65℃以上的結(jié)構(gòu)中采用，因為這些合金對應(yīng)力腐蝕裂紋很敏感，在上述溫度和腐蝕環(huán)境中會發(fā)生應(yīng)力腐蝕龜裂。用合金含量高于母材的焊絲作為填充金屬，通常可防止焊縫金屬的裂紋傾向。 目前，鋁合金常用的焊絲大多是與基體金屬成分相近的標(biāo)準(zhǔn)牌號焊絲。在缺乏標(biāo)準(zhǔn)牌號焊絲時，可從基體金屬上切下狹條代用。較為通用的焊絲是HS311，這種焊絲的液態(tài)金屬流動性好，凝固時的收縮率小，具體優(yōu)良的抗裂性能。為了細(xì)化縫晶粒、提高焊縫的抗裂性及力學(xué)性能，通常在絲中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作為變質(zhì)劑。 選用鋁合金焊絲應(yīng)注意的問題如下： 1）焊接接頭的裂紋敏感性 影響裂紋敏感性的直接因素是母材與焊絲的匹配。選用熔化溫度低于母材的焊縫金屬，可以減小焊縫金屬和熱影響區(qū)的裂紋敏感性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金時，選用同一合金作焊縫，裂紋敏感性很大， 但用硅含量5%的ER4043焊絲，由于其熔化溫度比6061合金低，在冷卻過程中有較高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊縫金屬避免鎂與銅的組合，因為Al－Mg－Cu有很高的裂紋敏感性。 2）焊接接頭的力學(xué)性能 工業(yè)純鋁的強(qiáng)度最低，4000系列鋁合金居中，5000系列鋁合金強(qiáng)度最高。鋁硅焊絲雖然有較高的抗裂性能，但含硅焊絲的塑性較差，所以對焊后需要塑性變形加工的接頭來說，應(yīng)避免選用含硅焊絲。 3）焊接接頭的使用性能 填充金屬的選擇除取決于母材成分外，還與接頭的幾何形狀、運行中的抗腐蝕性要求以及對焊接件的外觀要求有關(guān)。例如，為了使容器具有良好的抗腐蝕能力或防止所儲存產(chǎn)品對其的污染，儲存過氧化氫的焊接容器要求高純度的鋁合金。在這種情況下，填充金屬的純度至少要相當(dāng)于母材。 （2）焊條 鋁合金焊條型號、規(guī)格與用途見表2。鋁合金焊條的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3。
表2 鋁及鋁合金焊條的型號（牌號）、規(guī)格與用途
表3 鋁及鋁合金焊條的化學(xué)成分和力學(xué)性能
（3）保護(hù)氣體 焊接鋁合金的惰性氣體有氬所和氦氣。氬氣的技術(shù)要求為Ar＞99.9%,氧＜0.005%，氫＜0.005%，水分＜0.02mg/L，氮＜0.015%。氧、氮增多，均惡化陰極霧化作用。氧＞0.3%，則使鎢極燒損加劇，超過0.1%使焊縫表面無光澤或發(fā)黑。 鎢極氬弧焊時，交流加高頻焊接選用純氬氣，適用大厚度板；直流正極性焊接選用Ar+He或純Ar。 熔化極氬弧焊時，當(dāng)板厚＜25㎜時，采用純Ar。當(dāng)板厚為25～50㎜時，采用添加10%～35%Ar的Ar+He混合氣體。當(dāng)板厚為50～75㎜時，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar+He混合氣體。當(dāng)板厚＞75㎜時，推薦添加50%～75%He的Ar+He混合氣體。 鋁合金焊接工藝 1 鋁合金的氣焊 氧－乙炔氣焊的熱效率低，焊接熱輸入不集中，焊接鋁及鋁合金時需采用熔劑，焊后又需清除殘渣，接頭質(zhì)量及性能也不高。因為氣焊設(shè)備簡單，無需電源，操作方便靈活，常用于焊接對質(zhì)量要求不高的鋁合金構(gòu)件，如厚度較薄的薄板及小零件，以及補(bǔ)焊鋁合金構(gòu)件和鋁鑄件。 （1）氣焊的接頭形式 氣焊鋁合金時，不宜采用搭接接頭和T形接頭，這種接頭難以清理流入縫隙中的殘留熔劑和焊渣，應(yīng)盡可能采用對接接頭。為保證焊件焊接時既焊透又不塌陷和燒穿，可以采用帶槽的墊板，墊板一般用不銹鋼或純銅等制成，帶墊板焊接可獲得良好的反面成形，提高焊接生產(chǎn)率。 （2）氣焊熔劑的選用 鋁合金氣焊時，為了使焊接過程順利進(jìn)行，保證焊縫質(zhì)量，氣焊時需要加熔劑來去除鋁表面的氧化膜及其他雜質(zhì)。 氣焊熔劑（又稱氣劑）是氣焊時的助熔劑，主要作用是去除氣焊過程中生成在鋁表面的氧化膜，改善母材的潤濕性能，促使獲得致密的焊縫組織等。氣焊鋁合金必須采用熔劑，一般是在焊前熔劑直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊絲上加入熔池內(nèi)。 鋁合金熔劑是鉀、鈉、鈣、鋰等元素的氯人鹽，是粉碎后過篩并按一定比例配制的粉狀化合物。例如鋁冰晶石（Na3AlF6）在1000℃進(jìn)可以熔解氧化鋁，又如氯化鉀等可使難熔的氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹鄣穆然X。這種熔劑的熔點低，流動性好，還能改善熔化金屬的流動性，使焊縫成形良好。
（3）焊嘴和火焰的選擇 鋁合金有強(qiáng)烈的氧化性和吸氣性。氣焊時，為使鋁不被氧化，應(yīng)采用中性焰或微弱碳化焰（乙炔既過剩的碳化焰），使鋁熔池置于還原性氣氛的保護(hù)下而不被氧化。嚴(yán)禁采用氧化焰，因為用氧化性較強(qiáng)的氧化焰會使鋁強(qiáng)烈氧化，阻礙焊接過程進(jìn)行；而乙炔過多，游離的氫可能溶入熔池，會促使縫產(chǎn)生氣孔，使焊縫疏松。 （4）定位焊縫 為防止焊件在焊接中產(chǎn)生尺寸和相對位置的變化，焊件焊前需要點固焊。由于鋁的線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱速度快、氣焊加熱面積大，因此，定位焊縫較鋼件應(yīng)密一些。 定位焊用的填充焊絲與產(chǎn)品焊接時相同，定位焊接前應(yīng)在焊縫間隙內(nèi)涂一層氣劑。定位焊的火焰功率比氣焊時稍大。 （5）氣焊操作 焊接鋼鐵材料時，可以從鋼材的顏色變化判斷加熱的溫度。但焊鋁時，卻沒有這個方便條件。因為鋁合金從室溫加熱到熔化的過程中沒有顏色的明顯變化，給操作者帶來控制焊接溫度困難。但可根據(jù)以下現(xiàn)象掌握施焊時機(jī)： 1）當(dāng)被加熱的工件表面由光亮白色變成暗淡的銀白色，表面氧化膜起皺，加熱處金屬有波動現(xiàn)象時，表明即將達(dá)到熔化溫度，可以施焊； 2）用蘸有熔劑的焊絲端頭及被加熱處，焊絲與母材能熔合時，即達(dá)到熔化溫度，可以施焊； 3）母材邊棱有倒下現(xiàn)象時，母材達(dá)到熔化溫度，可以施焊。 氣焊薄板可采用左焊法，焊絲位于焊接火焰之前，這種焊法因火焰指向未焊的冷金屬，熱量散失一部分，有利于防止熔池過熱、熱影響區(qū)金屬晶粒長大和燒穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊絲在焊炬后面，火焰指向焊縫，熱量損失小，熔深大，加熱效率高。 氣焊厚度小于3㎜的薄件時，焊炬傾角為20～40°；氣焊厚件時，焊炬傾角為40～80°，焊絲與焊炬夾角為80～100°。鋁合金氣焊應(yīng)盡量將接頭一次焊成，不堆敷第二層，因為堆敷第二層時會造成焊縫夾渣等。 （6）焊后處理 氣焊焊縫表面的殘留焊劑和熔渣對鋁接頭的腐蝕，是鋁接頭日后使用中引起損壞的原因之一。在氣焊后1～6h之內(nèi)，應(yīng)將殘留的熔劑、熔渣清洗掉，以防引起焊件腐蝕。焊后清理工序如下。 1）焊后將焊件放入40～50℃的熱水槽中浸漬，最好用流動的熱水，用硬毛刷刷焊縫及焊縫附近殘留熔劑、熔渣的地方，直至清除干凈。 2）將焊件浸入硝酸溶液中。當(dāng)室溫為25°以上時，溶液濃度15%～25%，浸漬時間為10～15min。室溫為10～15℃時，溶液濃度20%～25%，浸漬時間為15min。 3）將焊件置于流動熱水（溫度為40～50℃）的槽中浸漬5～10min。 4）用冷水將焊件沖洗5min。 5）將焊件自然晾干，也可放在干燥箱中烘干或用熱空氣吹干。 2 鋁合金的鎢極氬弧焊（TIG焊） 也稱為鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊，是利用鎢極與工件之間形成電弧產(chǎn)生的大量熱量熔化待焊處，外加填充焊絲獲得牢固的焊接接頭。氬弧焊焊鋁是利用其“陰極霧化”的特點，自行去除氧化膜。鎢極及縫區(qū)域由噴嘴中噴出的惰性氣體屏蔽保護(hù)，防止焊縫區(qū)和周圍空氣的反應(yīng)。 TIG焊工藝最適于焊接厚度小于3㎜的薄板，工件變形明顯小于氣焊和手弧焊。交流TIG焊陰極具有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔劑，避免了焊后殘留熔劑、熔渣對接頭的腐蝕。接頭形式可以不受限制，焊縫成形良好、表面光亮。 氬氣流對焊接區(qū)的沖刷使接頭冷卻加快，改善了接頭的組織和性能，適于全位置焊接。由于不用熔劑，焊前清理的要求比其他焊接方法嚴(yán)格。 焊接鋁合金較適宜的工藝方法是交流TIG焊和交流脈沖TIG焊，其次是直流反接TIG焊。通常，用交流焊接鋁合金時可在載流能力、電弧可控性以及電弧清理作用等方面實現(xiàn)最佳配合，故大多數(shù)鋁合金的TIG焊都采用交流電源。 采用直流正接（電極接負(fù)極）時，熱量產(chǎn)生于工件表面，形成深熔透，對一定尺寸的電極可采用更大的焊接電流。即使是厚截面也不需預(yù)熱，且母材幾乎不發(fā)生變形。雖然很少采用直流反接（電極接正極）TIG焊方法來焊接鋁，但這種方法在連續(xù)焊或補(bǔ)焊薄壁熱交換器、管道厚在2.4㎜以下的類似組件時有熔深淺、電弧容易控制、電弧有良好的凈化作用等優(yōu)點。 （1）鎢極 鎢的熔點是3410℃，是熔點最高的金屬。鎢在高溫時有強(qiáng)烈的電子發(fā)射能力，在鎢電極加入微量稀土元素釷、鈰、鋯等的氧化物后，電子逸出功顯著降低，載流能力明顯提高。鋁合金TIG焊時，鎢極作為電極主要起傳導(dǎo)電流、引燃電弧和維持電弧正常燃燒的作用。常用鎢極材料分純鎢、釷鎢及鈰鎢等。 （2）焊接工藝參數(shù) 為了獲得優(yōu)良的焊縫成形及焊接質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)焊件的技術(shù)要求，合理地選定焊接工藝參數(shù)。鋁合金手工TIG焊的主要工藝參數(shù)有電流種類、極性和電流大小、保護(hù)氣體流量、鎢極伸出長度、噴嘴至工件的距離等。自動TIG焊的工藝參數(shù)還包括電弧電壓（弧長）、焊接速度及送絲速度等。 工藝參數(shù)是根據(jù)被焊材料和厚度，先確定鎢極直徑與形狀、焊絲直徑、保護(hù)氣體及流量、噴嘴孔徑、焊接電流、電弧電壓和焊接速度，再根據(jù)實際焊接效果調(diào)整有關(guān)參數(shù)，直至符合使用要求為止。
鋁合金TIG焊工藝參數(shù)的選用要點如下。 1）噴嘴孔徑與保護(hù)氣體流量 鋁合金TIG的噴嘴孔徑為5～22㎜；保護(hù)氣體流量一般為5～15L/min。 2）鎢極伸出長度及噴嘴至工件的距離 鎢極伸出長度：對接焊縫時一般為5～6㎜，角焊縫時一般為7～8㎜。噴嘴至工件的距離一般取10㎜左右為宜。 3）焊接電流與焊接電壓 與板厚、接頭形式、焊接位置及焊工技術(shù)水平有關(guān)。 手工TIG焊時，采用交流電源，焊接厚度小于6㎜鋁合金時，最大焊接電流可根據(jù)電極直徑d按公式I=（60～65）d確定。電弧電壓主要由弧長決定，通常使弧長近似等于鎢極直徑比較合理。
4）焊接速度 鋁合金TIG焊時，為了減小變形，應(yīng)采用較快的焊接速度。手工TIG焊一般是焊工根據(jù)熔池大小、熔池形狀和兩側(cè)熔合情況隨時調(diào)整焊接速度，一般的焊接速度為8～12m/h;自動TIG焊時，工藝參數(shù)設(shè)定之后，在焊接過程中焊接速度一般不變。 5）焊絲直徑 一般由板厚和焊接電流確定，焊絲直徑與兩者之間呈正比關(guān)系。
1）氣孔產(chǎn)生原因 氬氣純度低或氬氣管路內(nèi)有水分、漏氣等；焊絲或母材坡口附近焊前未清理干凈或清理后又被污物、水分等沾污；焊接電流和焊速過大或過小；熔池保護(hù)欠佳，電弧不穩(wěn)，電弧過長，鎢極伸出過長等。 防止措施 保證氬氣的管路，選擇認(rèn)真清理焊絲、焊件，清理后及時焊接，并防止再次污染。更新送氣管路，選擇合適的氣體流量，調(diào)整好鎢極伸出長度；正確選擇焊接工藝參數(shù)。必要時，可以采取預(yù)熱工藝，焊接現(xiàn)場裝擋風(fēng)裝置，防止現(xiàn)場有風(fēng)流動。 2）裂紋產(chǎn)生原因 焊絲合金成分選擇不當(dāng)；當(dāng)焊縫中的鎂含量小于3%，或鐵、硅雜質(zhì)含量超出規(guī)定時，裂紋傾向增大；焊絲的熔化溫度偏高時，會引起熱影響區(qū)液化裂紋；結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，焊縫過于集中或受熱區(qū)溫度過高，造成接頭拘束應(yīng)力過大；高濁停留時間長，組織過熱；弧坑沒填滿，出現(xiàn)弧坑裂紋等。 防止措施 所選焊絲的成分與母材要匹配；加入引弧板或采用電流衰減裝置填滿弧坑；正確設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)，合理布置焊縫，使焊縫盡量避開應(yīng)力集中處，選擇合適的焊接順序；減小焊接電流或適當(dāng)增加焊接速度。
3）未焊透產(chǎn)生原因 焊接速度過快，弧長過大，焊件間隙、坡口角度、焊接電流均過小，鈍邊過大；工件坡口邊緣的毛刺、底邊的污垢焊前沒有除凈；焊炬與焊絲傾角不正確。 防止措施 正確選擇間隙、鈍邊、坡口角度和焊接工藝參數(shù)；加強(qiáng)氧化膜、熔劑、熔渣和油污的清理；提高操作技能等。 4）焊縫夾鎢產(chǎn)生原因 接觸引弧所致；鎢極末端形狀與焊接電流選擇得不合理，使尖端脫落；填絲觸及到熱鎢極尖端和錯用了氧化性氣體。 防止措施 采用高頻高壓脈沖引弧；根據(jù)選用的電流，采用合理的鎢極尖端形狀；減小焊接電流，增加鎢極直徑，縮短鎢極伸出長度；更新惰性氣體；提高操作技能，勿使填絲與鎢極接觸等。
5）咬邊產(chǎn)生原因 焊接電流太大，電弧電壓太高，焊炬擺幅不均勻，填絲太少，焊接速度太快。 防止措施 減小焊接電流與電弧電壓，保持焊炬擺幅均勻，適當(dāng)增加送絲速度或降低焊接速度。
3 鑄件常規(guī)補(bǔ)焊工藝 通常的鋁合金鑄件缺陷均可以采用氬弧焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊挽救,而以交流TIG焊方法補(bǔ)焊效果為佳。 采用補(bǔ)焊工藝實施鑄件缺陷補(bǔ)焊時,除了以上提到的一般做法如焊前注意清理焊絲和工件待焊部位,選用合理的焊絲材料,選擇短弧和小角度焊絲加入方式進(jìn)行施焊等要點之外,在實踐中針對不同缺陷類型還有許多成功的經(jīng)驗值得借鑒,如盡量選用小電流施焊; 選用補(bǔ)焊時的焊絲合金成分高于母材,以便在補(bǔ)焊過程中補(bǔ)充燒損合金,使焊縫成分與母材保持一致;對帶有裂紋缺陷的鑄件補(bǔ)焊前在兩端打止裂孔;焊接時應(yīng)首先加熱待焊部位,采用左焊法填絲,以利于觀察焊縫的熔化情況,待施焊處熔化后再行填絲以形成充分潤濕的熔池; 當(dāng)缺陷尺寸較大時為了提高補(bǔ)焊效率,可在傳統(tǒng)TIG焊前將很薄的一層表面活性劑(簡稱ATIG活性劑)涂敷在施焊位置表面,焊接時活性劑引起焊接電弧收縮或熔池內(nèi)金屬流態(tài)發(fā)生變化,使得焊縫熔深增加,在進(jìn)行鋁合金交流TIG焊時,是在焊縫表面涂敷一層SiO2活性劑以改變焊縫熔深、減少預(yù)熱程序和降低焊接難度。
6結(jié)束語 鋁合金的焊接和補(bǔ)焊通常可采用方便和低成本的TIG和MIG氬弧焊方法。當(dāng)采用高能束流焊和攪拌摩擦焊等鋁合金焊接新工藝時,可以有效避免合金元素?zé)龘p、接頭軟化和焊接變形等問題,尤其是攪拌摩擦焊為固相連接具有綠色環(huán)保的特點。 常規(guī)補(bǔ)焊方法用于鋁合金鑄件缺陷補(bǔ)焊時,為避免焊接缺陷,應(yīng)注意焊前清理、選配合理的焊絲填料和正確的焊接工藝規(guī)范,通常宜選用交流TIG補(bǔ)焊。 在鑄件缺陷情況特殊和條件具備時,可以結(jié)合實際采用特種補(bǔ)焊方法,以便提高鋁合金鑄件的補(bǔ)焊質(zhì)量。 完 歡迎加入 |
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