鋁及鋁合金的焊接方法

鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn)

    （1）鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點(diǎn)高、非常穩(wěn)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(chǎn)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學(xué)或機(jī)械方法進(jìn)行嚴(yán)格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過程加強(qiáng)保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，去除氧化膜。氣焊時(shí)，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時(shí)，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(hù)，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)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(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時(shí)，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，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(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時(shí)也可采用預(yù)熱等工藝措施。

    （3）鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性允許的情況下，可采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(shí)熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動(dòng)性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含硅5%~6%時(shí)可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi條（硅含量4.5%~6%)焊絲會(huì)有更好的抗裂性。

    （4）鋁對光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時(shí)判斷難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。

    （5）鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)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(yán)格控制，以防止氣孔的形成。

 （6）合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。

    （7）母材基體金屬如為變形強(qiáng)化或固溶時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接熱會(huì)使熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降。

    （8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)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(xì)化晶粒。

    2．焊接方法

    幾乎各種焊接方法都可以用于焊接鋁及鋁合金，但是鋁及鋁合金對各種焊接方法的適應(yīng)性不同，各種焊接方法有其各自的應(yīng)用場合。氣焊和焊條電弧焊方法，設(shè)備簡單、操作方便。氣焊可用于對焊接質(zhì)量要求不高的鋁薄板及鑄件的補(bǔ)焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補(bǔ)焊。惰性氣體保護(hù)焊（TIG或MIG）方法是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊。熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)用越來越廣泛（氬氣或氬/氦混合氣）

鋁及鋁合金管的焊接工藝

　概述　　

鋁合金由于重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結(jié)構(gòu)重量可減輕50 %以上。因此，鋁及鋁合金除廣泛的應(yīng)用于航空、航天和電工等領(lǐng)域外，同時(shí)還越來越多的應(yīng)用于石油化學(xué)工業(yè)。中原大化新建空分裝置就大量使用了鋁鎂合金(主要有：5083、5183、5A02相當(dāng)于舊牌號中的LF2、LF4)。但是鋁及鋁合金在焊接過程中，易出現(xiàn)氧化、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷等問題。此類材質(zhì)是被公認(rèn)為焊接難度較大的被焊接材料，特別是小徑薄壁管的焊接更難掌握。因此，解決鋁及鋁合金的這些焊接缺陷是施工過程中必須解決的問題。 

2鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點(diǎn)

2.1 易氧化　　

鋁和氧的親和力很強(qiáng)。在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續(xù)氧化，對自然防腐有利，但它給焊接帶來了困難，這是由于氧化鋁的熔點(diǎn)(2050℃)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋁的熔點(diǎn)(600℃左右)，比重約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，會(huì)阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣，而且氧化鋁薄膜還吸附了較多的水份，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。

2.2 較大的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容　　

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的四倍，因此，焊接鋁材管時(shí)，比鋼管焊接要消耗更多的熱量，為得到高質(zhì)量的焊接接頭，必需采用能量集中，功率大的熱源。 

2.3 易形成氫氣孔　　

鋁及鋁合金的焊接氣孔主要?dú)錃饪?。鋁在液態(tài)時(shí)能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g，前后相差近20倍。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的焊接工藝條件下，其冷卻速度為鋼的4～7倍，使金屬結(jié)晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時(shí)析出大量過飽和氣體，氫氣來不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此，在焊接鋁材時(shí)，焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向很大。

2.4 易形成熱裂紋　　

鋁的線膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率比鋼大約一倍，易產(chǎn)生較大的焊接變形和應(yīng)力，加上某些雜質(zhì)或合金元素的不利影響，在剛性較大的接頭中將導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

2.5 燒穿和塌陷　　

鋁及鋁合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí).由于沒有明顯的顏色變化，所以，不易判斷熔池的溫度。焊接時(shí)，常因溫度過高不易被察覺而導(dǎo)致燒穿或嚴(yán)重塌陷。　

3 焊前準(zhǔn)備 

3.1坡口加工采用機(jī)械加工法　　加工后的坡口表面應(yīng)平整、無毛刺和飛邊。坡口的形式一般為V型，無鈍邊，坡口角度70～75℃為宜。不同壁厚的對接焊應(yīng)有14O的過渡段。

3.2 焊前準(zhǔn)備　　

焊前將焊絲、焊管坡口及其坡口內(nèi)外各30～50mm范圍內(nèi)的油污和氧化膜清除掉，清除順序和方法如下：用丙酮或四氯化碳等有機(jī)溶劑去除表面油污，坡口內(nèi)外兩側(cè)清除范圍應(yīng)不小于50mm。清除油污后，焊絲采用化學(xué)法，坡口易采用機(jī)械法，試管也采用化學(xué)法清除表面氧化膜。機(jī)械方法，是坡口及其附近表面可用銼削、刮削、銑削或用0.2mm左右的不銹鋼絲刷清除至露出金屬光澤，兩側(cè)的清除范圍距坡口邊緣應(yīng)不小于30mm，使用的工具定期脫脂處理?；瘜W(xué)法。是用約70℃ 5～10%的NaOH溶液浸泡30～60秒后，或用常溫5～10%的NaOH溶液浸泡3分鐘。接著用約15%的HNO3(常溫)浸泡2分鐘左右后用溫水清洗?；蛴美渌疀_洗，再使其完全干燥。對已經(jīng)可靠表面處理、并未被氧化或受污染的焊絲，不再進(jìn)行上述處理可直接使用。清理好的坡口及焊絲，在焊前不應(yīng)再被玷污，若無有效的防護(hù)措施，應(yīng)在8小時(shí)內(nèi)施焊。否則應(yīng)重新進(jìn)行清理。管道組對時(shí)，應(yīng)做到內(nèi)壁平齊，無毛刺、粒屑，其錯(cuò)邊量應(yīng)符合b≤0.5mm。內(nèi)部不加襯圈焊口，要求間隙盡可能等于零，特別是仰焊部位，管內(nèi)壁應(yīng)倒1～1.5mm的圓角。3.3焊機(jī)的注意事項(xiàng)及其它　　焊機(jī)必須是交流TIG焊機(jī)，具有陡降的外特性和足夠的電容量。并且有參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠的使用性能，還應(yīng)具有引弧、穩(wěn)弧和消除直流分量裝置，焊機(jī)上電流、電壓表應(yīng)經(jīng)計(jì)量部門鑒定合格，焊機(jī)在使用前，先檢查接地是否完好，冷卻水路和氣路是否暢通，其各項(xiàng)功能須確保能正常工作。焊接場所應(yīng)保持清潔。除應(yīng)有防風(fēng)、防雨雪設(shè)施外，還應(yīng)保證焊接時(shí)的相對濕度≤80%，環(huán)境溫＞5℃。　　

4 焊接工藝

4.1焊接材料的選擇　　焊絲原則上選擇與母材成分相同的鋁及鋁合金焊絲或板條。氬氣純度＞99.95%，盡量選用大直徑焊絲。在Al-Mg系鋁合金的弧焊中，通常都是推薦使用CB-AMr2、CB-AMr3、CB-AMr6、CB- AMr61、CB-AMr63、1557、1577焊條，對Al-Cu系鋁合金則推薦用01201和01217。

4.2組對與點(diǎn)固焊　　

由于鋁及鋁合金管導(dǎo)熱快、熔池結(jié)晶快，所以.組對時(shí)不留間隙、鈍邊，應(yīng)避免強(qiáng)制進(jìn)行，以減少焊接后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，定位焊縫長度10-15mm為易。定位焊位置在管的7點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)處。定位焊焊縫常做為正式焊縫保留，因此發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)處理。焊前對定位焊表面黑粉、氧化膜進(jìn)行清除，并將兩端修成緩坡型。焊件不需要預(yù)熱.焊前在試板上試焊，當(dāng)確認(rèn)無氣孔后再進(jìn)行正式焊接。采用高頻引弧，起弧點(diǎn)應(yīng)越過中心線20mm左右，并停留不動(dòng)約2-3秒，見圖1。然后在保證焊透的情況下，采用大電流、快速焊。焊絲不擺動(dòng)，焊絲端部不應(yīng)離開氬氣保護(hù)區(qū)。如離開氬氣保護(hù)區(qū).焊絲端部應(yīng)剪掉。焊絲與焊縫表面的夾角宜在15O右。焊槍與焊縫表面的夾角宜保持在80O～90O之間，如圖2。為增大氬氣保護(hù)區(qū)和增強(qiáng)保護(hù)效果，可采用大直徑焊槍瓷嘴，加大焊槍氬氣流量。當(dāng)噴嘴上有明顯阻礙氬氣氣流流通的飛濺物附著時(shí)。必須將飛濺物清除或更換噴嘴。當(dāng)鎢極端部出現(xiàn)污染，形狀不規(guī)則等現(xiàn)象時(shí).必須修整或更換。鎢極不宜伸出噴嘴外。焊接溫度的控制主要是焊接速度和焊接電流大小的控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，大電流、快速焊能有效防止氣孔的產(chǎn)生。這主要是由于在焊接過程中以較快速度焊透焊縫，熔化金屬受熱時(shí)間短，吸收氣體的機(jī)會(huì)少。收弧時(shí)，注意填滿弧坑,縮小溶池,避免產(chǎn)生縮孔,終點(diǎn)的結(jié)合處應(yīng)焊過20~30mm。?；『?，要延遲停氣6秒?？尚D(zhuǎn)的鋁及鋁合金管對接平焊時(shí).焊炬應(yīng)處于稍帶上坡焊位置。這樣有利于焊透。厚壁管子底層焊時(shí)?？刹惶罴雍附z。但以后的焊層需加焊絲。　　

5 焊接檢驗(yàn)　　

按HGJ222--92《鋁及鋁合金焊接技術(shù)規(guī)范》對所有焊縫進(jìn)行表面和射線探傷檢查。

6 實(shí)施效果　　

采用上述焊接工藝，實(shí)際的焊接施工中氣孔和燒穿問題得到了有效的解決。焊接探傷合格率達(dá)到了97%。當(dāng)然還存在背面成型問題，這主要依靠操作者的感覺，對操作者的技術(shù)要求較高。

鋁散熱器空氣爐中釬焊工藝及設(shè)備

本所某大功率合成設(shè)備用散熱器(圖1)，該結(jié)構(gòu)的散熱器體積較大，壁厚相差大。曾采用鹽浴釬焊(外協(xié))加工，但發(fā)現(xiàn)焊后清洗困難且清洗后的散熱器易吸潮而引起腐蝕。

                   圖1　散熱器示意圖

　　氟化物釬劑具有不吸潮，釬渣難溶于水，去膜能力強(qiáng)，釬縫致密性好，釬焊接頭耐蝕性好等特點(diǎn)^［1］，但釬劑配制質(zhì)量的好壞直接影響釬焊質(zhì)量的好壞，而成品氟化物釬劑具有長期穩(wěn)定的活性^［2］。鋁硅鍶鑭釬料流動(dòng)性能、機(jī)械性能、耐腐蝕和鍍覆性能均良好^［3］。本工藝采用成品氟化物釬劑，配合鋁硅鍶鑭釬料，在空氣爐中釬焊散熱器，取得良好效果。

1　釬焊設(shè)備

1.1　釬焊爐的主要結(jié)構(gòu)組成　　該爐由控制系統(tǒng)、可動(dòng)爐體和推車三部分組成，如圖2所示。

圖2　釬焊爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　釬焊爐工作方式　　

爐體預(yù)熱?爐罩上升?推車移出?工件放置
?推車復(fù)位?爐罩下降?釬焊?出爐

1.3　爐溫測控系統(tǒng)　　

該系統(tǒng)主要由AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器、小型圓圖溫度記錄儀、可控硅模塊、各功能按鈕及儀表等組成。將設(shè)定值輸入AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器(溫度和時(shí)間)，由調(diào)節(jié)器控制可控硅模塊，通過調(diào)整一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)可控硅通斷比例來實(shí)現(xiàn)輸出功率大小變化，從而達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)加熱爐功率的目的。小型圓圖溫度記錄儀通過熱電偶的轉(zhuǎn)換，可分別記錄爐膛溫度和釬焊工件溫度(模擬)與時(shí)間的曲線，有利于釬焊工藝的分析和參數(shù)的調(diào)整。該控制系統(tǒng)具有測溫精度高，控溫性能好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

2　釬焊工藝

2.1　母材、釬料和釬劑　　

釬焊使用母材為LF21，釬料為φ1.5鋁硅鍶鑭共晶釬料(HL81-01)，鋁釬劑為成品共晶氟化物釬劑。

2.2　加熱規(guī)范的確定　　

由于該工件厚度較厚，體積較大，采用硬加熱規(guī)范，把爐膛溫度預(yù)置到650℃，然后把安置好釬料和釬劑的工件放入爐膛進(jìn)行加熱，待工件溫度上升到600℃即可出爐冷卻。圖3為爐膛和工件溫度與時(shí)間的變化曲線。2.3　焊后清洗　　釬焊后的工件在20％左右的硝酸溶液中清洗，可以得到滿意的清洗效果。

3　釬焊接頭性能

3.1　釬焊接頭機(jī)械性能和金相組織　　

釬焊接頭按國標(biāo)GB2651-89、GB2653-89進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度為100MPa，冷彎角為145^°，拉伸試樣斷裂部位都在母材，表明釬縫的強(qiáng)度比母材高，彎曲試驗(yàn)表明釬焊接頭塑性較好。分析釬縫的金相組織，該組織為典型的α～A1＋Si共晶組織，但由于鋁硅鍶鑭釬料中鍶鑭的變質(zhì)作用，共晶硅由粗大片狀變成細(xì)粒狀，所以釬焊接頭機(jī)械性能得到提高。

圖3　爐膛和工件溫度隨時(shí)間變化曲線

3.2　交變濕熱試驗(yàn)　　

結(jié)合整機(jī)要求，將清洗后的散熱器按GJB367.2-87進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)，周期為48h，釬縫表面保持金屬光澤，無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

4　生產(chǎn)應(yīng)用

　　在空氣爐中釬焊如圖1所示鋁合金散熱器共15件，焊接過程穩(wěn)定，可操作性好，釬焊后的工件經(jīng)檢驗(yàn)，釬縫連續(xù)、圓角飽滿、沒有溶蝕和未焊透缺陷。

5　結(jié)論

5.1　研制的釬焊爐具有結(jié)構(gòu)合理、控溫性能好和操作方便等特點(diǎn)。
5.2　在普通空氣爐釬焊散熱器，采用成品氟化物釬劑，配合鋁硅鍶鑭釬料，釬焊質(zhì)量良好，完全能滿足散熱器生產(chǎn)需要。