[分享]铝合金的焊接方法和材料选用解析

作者：戒不掉的gentle 时间: 2020-09-19 07:26 阅读: 次大中小

　　铝合金的焊接办法很多，各种办法有其不同的应用场所。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊办法外，其他一些焊接办法(如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等)也能够容易地将铝合金焊接在一同。

　　铝合金常用焊接办法的特性及适用范围见表1。应依据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品构造以及对焊接性的请求等选择。

　　表1 铝合金常用焊接办法的特性及适用范围

　　焊接办法

　　特性

　　适用范围

　　气焊

　　热功率低，焊件变形大，消费率低，易产生夹渣、裂纹等缺陷

　　用于非重要场所的薄板对接焊及补焊等

　　手工电弧焊

　　接头质量差

　　用于铸铝件补焊及普通修理

　　钨极氩弧焊

　　焊缝金属致密，接头强度高、塑性好，可取得优质接头

　　应用普遍，可焊接板厚1～20㎜

　　钨极脉冲氩弧焊

　　焊接过程稳定，热输入准确可调，焊件变形量小，接头质量高

　　用于薄板、全位置焊接、装配焊接及对热敏理性强的锻铝、硬铝等高强度铝合金

　　凝结极氩弧焊

　　电弧功率大，焊接速度快

　　用于厚件的焊接，可焊厚度为50㎜以下

　　凝结极脉冲氩弧焊

　　焊接变形小，抗气孔和抗裂性好，工艺参数调理普遍

　　用于薄板或全位置焊，常用于厚度2～12㎜的工件

　　等离子弧焊

　　热量集中，焊接速度快，焊接变形和应力小，工艺较复杂

　　用于对接焊请求比氩弧焊更高的场所

　　真空电子束焊

　　熔深大热影响区小，焊接变形量小接头力学性能好

　　用于焊接尺寸较小的焊件

　　激光焊

　　焊接变形小，消费率高

　　用于需停止精细焊接的焊件

　　(1)气焊

　　氧-乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因而焊件变形大、消费率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂痕等缺陷。这种办法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝构造件和铸件的焊补上。

　　(2)钨极氩弧焊

　　这种办法是在氩气维护下施焊，热量比拟集中，电弧熄灭稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中取得起来越普遍的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接办法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。

　　(3)凝结极氩弧焊

　　自动、半自动凝结极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，消费效率比手工钨极氩弧焊可进步2～3倍。能够焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。例如，焊接厚度30㎜的铝板不用预热，只焊接正、反两层就可取得外表润滑、质量优秀的焊缝。半自动凝结极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及构造外形不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可便当灵敏地停止焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏理性较大。

　　(4)脉冲氩弧焊

　　1)钨极脉冲氩弧焊

　　用这种办法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于经过调理各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场所以及对热敏理性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。

　　2)凝结极脉冲氩弧焊

　　可采用的均匀焊接电流小，参数调理范围大，焊件的变形及热影响区小，消费率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。

　　(5)电阻点焊、缝焊

　　可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。关于质量请求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需求用较复杂的设备，焊接电流大、消费率较高，特别适用于大批量消费的零、部件。

　　(6)搅拌摩擦焊

　　搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态衔接技术。与传统熔焊办法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需求添加焊丝和维护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接办法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备请求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。

　　铝用焊接资料

　　(1)焊丝

　　采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需求加填充焊丝。铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。为了得到良好的焊接接头，应从焊接构件运用请求思索，选择合适于母材的焊丝作为填充资料。

　　选择焊丝首先要思索焊缝成分请求，还要思索产品的力学性能、耐蚀性能，构造的刚性、颜色及抗裂性等。选择凝结温度低于母材的填充金属，可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向。关于非热处置合金的焊接接头强度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。

　　含镁3%以上的5000系的焊丝，应防止在运用温度65℃以上的构造中采用，由于这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感，在上述温度和腐蚀环境中会发作应力腐蚀龟裂。用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可避免焊缝金属的裂纹倾向。

　　目前，铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的规范牌号焊丝。在缺乏规范牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。较为通用的焊丝是HS311，这种焊丝的液态金属活动性好，凝固时的收缩率小，详细优秀的抗裂性能。为了细化缝晶粒、进步焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中参加少量的Ti、V、Zr等合金元素作为蜕变剂。

　　选用铝合金焊丝应留意的问题如下：

　　1)焊接接头的裂纹敏理性

　　影响裂纹敏理性的直接要素是母材与焊丝的匹配。选用凝结温度低于母材的焊缝金属，能够减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏理性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏理性很大，

　　但用硅含量5%的ER4043焊丝，由于其凝结温度比6061合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊缝金属防止镁与铜的组合，由于Al-Mg-Cu有很高的裂纹敏理性。

　　2)焊接接头的力学性能

　　工业纯铝的强度最低，4000系列铝合金居中，5000系列铝合金强度最高。铝硅焊丝固然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需求塑性变形加工的接头来说，应防止选用含硅焊丝。

　　3)焊接接头的运用性能

　　填充金属的选择除取决于母材成格外，还与接头的几何外形、运转中的抗腐蚀性请求以及对焊接件的外观请求有关。例如，为了使容用具有良好的抗腐蚀才能或避免所贮存产品对其的污染，贮存过氧化氢的焊接容器请求高纯度的铝合金。在这种状况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。

　　(2)焊条

　　铝合金焊条型号、规格与用处见表2。铝合金焊条的化学成分和力学性能见表3。

　　表2 铝及铝合金焊条的型号(牌号)、规格与用处

　　型号

　　牌号

　　药皮类型

　　焊芯材质

　　焊条规格/㎜

　　用处

　　E1100

　　L109

　　盐基型

　　纯铝

　　3.2，4.5

　　345～355

　　焊接纯铝板、纯铝容器

　　E4043

　　L209

　　盐基型

　　铝硅合金

　　3.2，4.5

　　345～355

　　焊接铝板、铝硅铸件、普通铝合金、锻铝、硬铝(铝镁合金除外)

　　E3003

　　L309

　　盐基型

　　铝锰合金

　　3.2，4.5

　　345～355

　　焊接铝锰合金、纯铝及其他铝合金

　　表3 铝及铝合金焊条的化学成分和力学性能

　　型号

　　牌号

　　药皮类型

　　电源品种

　　焊芯化学成分

　　熔敷金属

　　抗拉强度

　　/MPa

　　焊接接头

　　抗拉强度

　　/MPa

　　E1100

　　L109

　　盐基型

　　直流反接

　　Si+Fe≤0.95,Co0.05～0.20

　　Mn≤0.05,Be≤0.0008

　　Zn≤0.10,其他总量≤0.15

　　Al≥99.0

　　≥64

　　≥80

　　E4043

　　L209

　　盐基型

　　直流反接

　　Si4.5～6.0,Fe≤0.8

　　Cu≤0.30,Mn≤0.05

　　Zn≤0.10,Mg≤0.0008

　　其他总量≤0.15,Al余量

　　≥118

　　≥95

　　E3003

　　L309

　　盐基型

　　直流反接

　　Si≤0.6,Fe≤0.7

　　Cu0.05～0.20,Mn1.0～1.5

　　Zn≤0.10,其他总量≤0.15

　　Al余量

　　≥118

　　≥95

　　(3)维护气体

　　焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气。氩气的技术请求为Ar>99.9%,氧<0.005%，氢<0.005%，水分<0.02mg/L，氮<0.015%。氧、氮增加，均恶化阴极雾化作用。氧>0.3%，则使钨极烧损加剧，超越0.1%使焊缝外表无光泽或发黑。

　　钨极氩弧焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚度板;直流正极性焊接选用Ar+He或纯Ar。

　　凝结极氩弧焊时，当板厚<25㎜时，采用纯Ar。当板厚为25～50㎜时，采用添加10%～35%Ar的Ar+He混合气体。当板厚为50～75㎜时，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar+He混合气体。当板厚>75㎜时，引荐添加50%～75%He的Ar+He混合气体。

　　铝合金焊接工艺

　　1 铝合金的气焊

　　氧-乙炔气焊的热效率低，焊接热输入不集中，焊接铝及铝合金时需采用熔剂，焊后又需肃清残渣，接头质量及性能也不高。由于气焊设备简单，无需电源，操作便当灵敏，常用于焊接对质量请求不高的铝合金构件，如厚度较薄的薄板及小零件，以及补焊铝合金构件和铝铸件。

　　(1)气焊的接头方式

　　气焊铝合金时，不宜采用搭接接头和T形接头，这种接头难以清算流入缝隙中的残留熔剂和焊渣，应尽可能采用对接接头。为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿，能够采用带槽的垫板，垫板普通用不锈钢或纯铜等制成，带垫板焊接可取得良好的背面成形，进步焊接消费率。

　　(2)气焊熔剂的选用

　　铝合金气焊时，为了使焊接过程顺利停止，保证焊缝质量，气焊时需求加熔剂来去除铝外表的氧化膜及其他杂质。

　　气焊熔剂(又称气剂)是气焊时的助熔剂，主要作用是去除气焊过程中生成在铝外表的氧化膜，改善母材的润湿性能，促使取得致密的焊缝组织等。气焊铝合金必需采用熔剂，普通是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊丝上参加熔池内。

　　铝合金熔剂是钾、钠、钙、锂等元素的氯人盐，是粉碎后过筛并按一定比例配制的粉状化合物。例如铝冰晶石(Na3AlF6)在1000℃进能够熔解氧化铝，又如氯化钾等可使难熔的氧化铝转变为易熔的氯化铝。这种熔剂的熔点低，活动性好，还能改善凝结金属的活动性，使焊缝成形良好。

　　(3)焊嘴和火焰的选择

　　铝合金有激烈的氧化性和吸气性。气焊时，为使铝不被氧化，应采用中性焰或微小碳化焰(乙炔既过剩的碳化焰)，使铝熔池置于复原性氛围的维护下而不被氧化。严禁采用氧化焰，由于用氧化性较强的氧化焰会使铝激烈氧化，障碍焊接过程停止;而乙炔过多，游离的氢可能溶入熔池，会促使缝产生气孔，使焊缝疏松。

　　(4)定位焊缝

　　为避免焊件在焊接中产生尺寸和相对位置的变化，焊件焊前需求点固焊。由于铝的线收缩系数大、导热速度快、气焊加热面积大，因而，定位焊缝较钢件应密一些。

　　定位焊用的填充焊丝与产品焊接时相同，定位焊接前应在焊缝间隙内涂一层气剂。定位焊的火焰功率比气焊时稍大。

　　(5)气焊操作

　　焊接钢铁资料时，能够从钢材的颜色变化判别加热的温度。但焊铝时，却没有这个便当条件。由于铝合金从室温加热到凝结的过程中没有颜色的明显变化，给操作者带来控制焊接温度艰难。但可依据以下现象控制施焊机遇：

　　1)当被加热的工件外表由光亮白色变成暗淡的雪白色，外表氧化膜起皱，加热处金属有动摇现象时，标明行将到达凝结温度，能够施焊;

　　2)用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处，焊丝与母材能熔合时，即到达凝结温度，能够施焊;

　　3)母材边棱有倒下现象时，母材到达凝结温度，能够施焊。

　　气焊薄板可采用左焊法，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因火焰指向未焊的冷金属，热量流失一局部，有利于避免熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，热量损失小，熔深大，加热效率高。

　　气焊厚度小于3㎜的薄件时，焊炬倾角为20～40°;气焊厚件时，焊炬倾角为40～80°，焊丝与焊炬夹角为80～100°。铝合金气焊应尽量将接头一次焊成，不堆敷第二层，由于堆敷第二层时会形成焊缝夹渣等。

　　(6)焊后处置

　　气焊焊缝外表的残留焊剂和熔渣对铝接头的腐蚀，是铝接头日后运用中惹起损坏的缘由之一。在气焊后1～6h之内，应将残留的熔剂、熔渣清洗掉，以防惹起焊件腐蚀。焊后清算工序如下。

　　1)焊后将焊件放入40～50℃的热水槽中浸渍，最好用活动的热水，用硬毛刷刷焊缝及焊缝左近残留熔剂、熔渣的中央，直至肃清洁净。

　　2)将焊件浸入硝酸溶液中。当室温为25°以上时，溶液浓度15%～25%，浸渍时间为10～15min。室温为10～15℃时，溶液浓度20%～25%，浸渍时间为15min。

　　3)将焊件置于活动热水(温度为40～50℃)的槽中浸渍5～10min。

　　4)用冷水将焊件冲洗5min。

　　5)将焊件自然晾干，也可放在枯燥箱中烘干或用热空气吹干。

　　2 铝合金的钨极氩弧焊(TIG焊)

　　也称为钨极惰性气体维护电弧焊，是应用钨极与工件之间构成电弧产生的大量热量凝结待焊处，外加填充焊丝取得结实的焊接接头。氩弧焊焊铝是应用其“阴极雾化”的特性，自行去除氧化膜。钨极及缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽维护，避免焊缝区和四周空气的反响。

　　TIG焊工艺最适于焊接厚度小于3㎜的薄板，工件变形明显小于气焊和手弧焊。交流TIG焊阴极具有去除氧化膜的清算作用，能够不用熔剂，防止了焊后残留熔剂、熔渣对接头的腐蚀。接头方式能够不受限制，焊缝成形良好、外表光亮。

　　氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织和性能，适于全位置焊接。由于不用熔剂，焊前清算的请求比其他焊接办法严厉。

　　焊接铝合金较适合的工艺办法是交流TIG焊和交流脉冲TIG焊，其次是直流反接TIG焊。通常，用交流焊接铝合金时可在载流才能、电弧可控性以及电弧清算作用等方面完成最佳配合，故大多数铝合金的TIG焊都采用交流电源。

　　采用直流正接(电极接负极)时，热量产生于工件外表，构成深熔透，对一定尺寸的电极可采用更大的焊接电流。即便是厚截面也不需预热，且母材简直不发作变形。固然很少采用直流反接(电极接正极)TIG焊办法来焊接铝，但这种办法在连续焊或补焊薄壁热交流器、管道厚在2.4㎜以下的相似组件时有熔深浅、电弧容易控制、电弧有良好的净化作用等优点。

　　(1)钨极

　　钨的熔点是3410℃，是熔点最高的金属。钨在高温时有激烈的电子发射才能，在钨电极参加微量稀土元素钍、铈、锆等的氧化物后，电子逸出功显著降低，载流才能明显进步。铝合金TIG焊时，钨极作为电极主要起传导电流、引燃电弧和维持电弧正常熄灭的作用。常用钨极资料分纯钨、钍钨及铈钨等。

　　(2)焊接工艺参数

　　为了取得优秀的焊缝成形及焊接质量，应依据焊件的技术请求，合理地选定焊接工艺参数。铝合金手工TIG焊的主要工艺参数有电流品种、极性和电流大小、维护气体流量、钨极伸出长度、喷嘴至工件的间隔等。自动TIG焊的工艺参数还包括电弧电压(弧长)、焊接速度及送丝速度等。

　　工艺参数是依据被焊资料和厚度，先肯定钨极直径与外形、焊丝直径、维护气体及流量、喷嘴孔径、焊接电流、电弧电压和焊接速度，再依据实践焊接效果调整有关参数，直至契合运用请求为止。

　　铝合金TIG焊工艺参数的选用要点如下。

　　1)喷嘴孔径与维护气体流量

　　铝合金TIG的喷嘴孔径为5～22㎜;维护气体流量普通为5～15L/min。

　　2)钨极伸出长度及喷嘴至工件的间隔

　　钨极伸出长度：对接焊缝时普通为5～6㎜，角焊缝时普通为7～8㎜。喷嘴至工件的间隔普通取10㎜左右为宜。

　　3)焊接电流与焊接电压与板厚、接头方式、焊接位置及焊工技术程度有关。

　　手工TIG焊时，采用交流电源，焊接厚度小于6㎜铝合金时，最大焊接电流可依据电极直径d按公式I=(60～65)d肯定。电弧电压主要由弧长决议，通常使弧长近似等于钨极直径比拟合理。

　　4)焊接速度

　　铝合金TIG焊时，为了减小变形，应采用较快的焊接速度。手工TIG焊普通是焊工依据熔池大小、熔池外形和两侧熔合状况随时调整焊接速度，普通的焊接速度为8～12m/h;自动TIG焊时，工艺参数设定之后，在焊接过程中焊接速度普通不变。

　　5)焊丝直径

　　普通由板厚和焊接电流肯定，焊丝直径与两者之间呈正比关系。

　　1)气孔产生缘由

　　氩气纯度低或氩气管路内有水分、漏气等;焊丝或母材坡口左近焊前未清算洁净或清算后又被污物、水分等沾污;焊接电流和焊速过大或过小;熔池维护欠佳，电弧不稳，电弧过长，钨极伸出过长等。

　　避免措施

　　保证氩气的管路，选择认真清算焊丝、焊件，清算后及时焊接，并避免再次污染。更新送气管路，选择适宜的气体流量，调整好钨极伸出长度;正确选择焊接工艺参数。必要时，能够采取预热工艺，焊接现场装挡风安装，避免现场有风活动。

　　2)裂纹产生缘由

　　焊丝合金成分选择不当;当焊缝中的镁含量小于3%，或铁、硅杂质含量超出规则时，裂纹倾向增大;焊丝的凝结温度偏高时，会惹起热影响区液化裂纹;构造设计不合理，焊缝过于集中或受热区温渡过高，形成接头拘谨应力过大;高浊停留时间长，组织过热;弧坑没填满，呈现弧坑裂纹等。

　　避免措施

　　所选焊丝的成分与母材要匹配;参加引弧板或采用电流衰减安装填满弧坑;正确设计焊接构造，合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处，选择适宜的焊接次第;减小焊接电流或恰当增加焊接速度。

　　3)未焊透产生缘由

　　焊接速渡过快，弧长过大，焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过小，钝边过大;工件坡口边缘的毛刺、底边的污垢焊前没有除净;焊炬与焊丝倾角不正确。

　　避免措施

　　正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接工艺参数;增强氧化膜、熔剂、熔渣和油污的清算;进步操作技艺等。

　　4)焊缝夹钨产生缘由

　　接触引弧所致;钨极末端外形与焊接电流选择得不合理，使尖端零落;填丝触及到热钨极尖端和错用了氧化性气体。

　　避免措施

　　采用高频高压脉冲引弧;依据选用的电流，采用合理的钨极尖端外形;减小焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极伸出长度;更新惰性气体;进步操作技艺，勿使填丝与钨极接触等。

　　5)咬边产生缘由

　　焊接电流太大，电弧电压太高，焊炬摆幅不平均，填丝太少，焊接速度太快。

　　避免措施

　　减小焊接电流与电弧电压，坚持焊炬摆幅平均，恰当增加送丝速度或降低焊接速度。

　　3铸件常规补焊工艺

　　通常的铝合金铸件缺陷均能够采用氩弧焊接工艺停止补焊挽救,而以交流TIG焊办法补焊效果为佳。

　　采用补焊工艺施行铸件缺陷补焊时,除了以上提到的普通做法如焊前留意清算焊丝和工件待焊部位,选用合理的焊丝资料,选择短弧和小角度焊丝参加方式停止施焊等要点之外,在理论中针对不同缺陷类型还有许多胜利的经历值得自创,如尽量选用小电流施焊;

　　选用补焊时的焊丝合金成分高于母材,以便在补焊过程中补充烧损合金,使焊缝成分与母材坚持分歧;对带有裂纹缺陷的铸件补焊前在两端打止裂孔;焊接时应首先加热待焊部位,采用左焊法填丝,以利于察看焊缝的凝结状况,待施焊处凝结后再行填丝以构成充沛润湿的熔池;

　　当缺陷尺寸较大时为了进步补焊效率,可在传统TIG焊前将很薄的一层外表活性剂(简称ATIG活性剂)涂敷在施焊位置外表,焊接时活性剂惹起焊接电弧收缩或熔池内金属流态发作变化,使得焊缝熔深增加,在停止铝合金交流TIG焊时,是在焊缝外表涂敷一层SiO2活性剂以改动焊缝熔深、减少预热程序和降低焊接难度。

　　6完毕语

　　铝合金的焊接和补焊通常可采用便当和低本钱的TIG和MIG氩弧焊办法。当采用高能束流焊和搅拌摩擦焊等铝合金焊接新工艺时,能够有效防止合金元素烧损、接头软化和焊接变形等问题,特别是搅拌摩擦焊为固相衔接具有绿色环保的特性。

　　常规补焊办法用于铝合金铸件缺陷补焊时,为防止焊接缺陷,应留意焊前清算、选配合理的焊丝填料和正确的焊接工艺标准,通常宜选用交流TIG补焊。

　　在铸件缺陷状况特殊和条件具备时,能够分离实践采用特种补焊办法,以便进步铝合金铸件的补焊质量。

　　本文来源：A1制造

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