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氩弧焊培训教程 1 目录 一 铝及铝合金焊接基础知识二 铝及铝合金焊接方法及焊接过程三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施四 焊接应力与变形 2 一 铝及铝合金焊接基础知识 1 铝及铝合金的牌号 成分 我车间常用铝及铝合金牌号 见下表 3 铝及铝合金焊接的主要问题是气孔 裂纹及接头性能变化等 工业纯铝 1XXX 和防锈铝 3XXX和5XXX 的焊接性较好 主要问题是气孔 而大多数热处理强化铝焊接性能较差 主要问题是裂纹及接头性能下降 纯铝和非热处理强化铝合金一般不易出现裂纹 但在接头拘束度高或杂志较多时 也会产生裂纹 对于热处理强化铝合金 则具有较高的热裂纹倾向 热裂纹主要分为结晶裂纹和液化裂纹 防止热裂纹的措施 关键在于选择合适的焊丝 控制焊缝的成分以及配合合理的规范参数 2 1 硬铝 2XXX 超硬铝 7XXX 以及铸铝 ZLXXX 由于成分复杂 产生热裂纹倾向大 在原合金系统中进行成分调整难以改善抗裂性 因此常用含硅5 的Al Si焊丝 S311 来解决裂纹问题 这种焊丝能形成足够数量的低熔点共晶物 这些低熔点共晶物流动性能好 结晶温度区间窄 凝固时收缩小 焊接应力低 因而治愈裂纹的能力强 但这种焊丝强度低 达不到母材强度水平 在焊接裂纹倾向较大的铝合金时 不宜采用大电流和高焊速 2 铝及铝合金焊接的主要问题 4 对于AL Mg合金 需采用含镁5 的Al Mg焊丝 S331 采用热能集中地焊接方法 如MIG焊 有利于减少裂纹 2 2 铝合金的焊接气孔其中以纯铝和铝镁合金的焊接气孔最为突出 防止气孔的措施 a减少氢的来源 化学方法或机械办法清理焊丝或工件表面氧化膜 b合理选择规范参数 钨极氩弧焊选择较大焊接电流和较快焊速 熔化极气体保护焊时选择较低焊速并提高焊接线能量有利于减少气孔 c对厚的工件适当预热 5 3 铝及铝合金焊接特点 3 1铝在空气中及焊接时极易氧化 生成的氧化铝 Al2O3 熔点高 非常稳定 不易去除 阻碍母材的熔化和熔合 氧化膜的比重大 不易浮出表面 易生成夹渣 未熔合 未焊透等缺陷 铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分 易使焊缝产生气孔 焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理 清除其表面氧化膜 在焊接过程加强保护 防止其氧化 3 2铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多 铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍 在焊接过程中 大量的热量能被迅速传导到基体金属内部 因而焊接铝及铝合金时 能量除消耗于熔化金属熔池外 还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位 这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著 为了获得高质量的焊接接头 应当尽量采用能量集中 功率大的能源 有时也可采用预热等工艺措施 3 3铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍 铝凝固时的体积收缩率较大 焊件的变形和应力较大 因此 需采取预防焊接变形的措施 铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔 缩松 热裂纹及较高的内应力 6 3 4铝对光 热的反射能力较强 固 液转态时 没有明显的色泽变化 焊接操作时判断难 高温铝强度很低 支撑熔池困难 容易焊穿 3 5铝及铝合金在液态能溶解大量的氢 固态几乎不溶解氢 在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中 氢来不及溢出 极易形成氢气孔 弧柱气氛中的水分 焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分 都是焊缝中氢气的重要来源 因此 对氢的来源要严格控制 以防止气孔的形成 可通过预热工件 焊丝减少焊材中水分含量 采用稳定的保护气流 防止空气中氢元素的进入 3 6合金元素易蒸发 烧损 使焊缝性能下降 3 7母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时 焊接热能会使热影响区的强度下降 7 二 铝及铝合金焊接方法及焊接过程 几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金 但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同 各种焊接方法有其各自的应用场合 其中惰性气体保护焊 TIG或MIG 是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法 铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊 铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊 氩氦混合钨极气体保护焊 熔化极气体保护焊 脉冲熔化极气体保护焊 熔化极气体保护焊 脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛 氩气或氩 氦混合气 8 1 钨极氩弧焊 TIG 原理及焊接特点 右图为TIG原理示意图 焊接时惰性气体1从焊枪的喷嘴2中连续喷出 在电弧4周围形成气体保护层隔绝空气 以防止对钨极3 熔池5及邻近热影响区的有害影响 从而获得优质焊缝6 薄板焊接一般不需填充焊丝 需填充焊丝时 把焊丝8从旁边不断送入焊接区 靠电弧热熔熔入熔池从而成为焊缝金属的组成部分 9 TIG焊可采用直流正接 直流反接 和交流三种电极形式 见下表 10 从表中可以看出 使用直流电源焊接时 对于绝大多数金属采取正接法 但是正接法没有阴极清洗作用 无法焊接那些容易被氧化的铝 镁 及其合金 虽然直接反接法具有阴极清洗作用 能够焊接铝 镁 及其合金 但是直接反接的焊接熔深浅 焊缝宽大 若增加焊接电流又受到钨极易烧损的限制 故这类金属多采取交流TIG焊 11 TIG焊的优缺点 1 优点 a 在惰性气体保护下焊接 不需要使用焊剂就可以焊接所有的金属 特别适用于焊接化学活性强和形成高熔点氧化物的 镁 及其合金 b 焊接工艺性能好 明弧 能观察电弧及熔池 电弧燃烧稳定 无飞溅 焊后不需清渣 焊缝成形美观 能进行全位置焊接 c 能进行脉冲焊接 减少焊接热输入 很适于薄板或对热敏感材料的焊接 2 缺点 a 熔深浅 熔敷速度小 焊接生产效率低 b 钨极载流能力有限 过大焊接电流会引起钨极熔化和蒸发 其微粒可能进入熔池 造成对焊缝金属的污染 c 焊接时需采取防风措施 d 惰性气体较贵 生产成本高 12 2 熔化极氩弧焊 MIG 原理及焊接特点 右图为MIG焊原理图 MIG焊是以可熔化的金属焊丝做电极 并有气体做保护的电弧焊 其焊接过程如右图所示 利用焊丝3和吗 母材1之间的电弧2来熔化焊丝和母材 形成熔池8 熔化的焊丝作为填充金属进入熔池与母材融合 冷凝后几位焊缝金属9 通过喷嘴5向焊接区喷出保护气体 使处于高温的熔化焊丝 熔池及其附近的母材免受周围空气的有害作用 其焊丝时连续的 由送丝轮6不断送进焊接区 13 MIG焊时 为了获得稳定而细小的熔滴过渡 一般采用直流反接电流 下图左边卫直流反接 右边为直流正接 反接时 焊丝接正极 电弧阳极斑点的分布被约束在熔滴缩颈以下的液态金属表面 该处是金属蒸汽产生较多的区域 此时全部电流流过熔滴 于是产生较大的存进熔滴过渡的电磁收缩力 因而在熔滴尺寸较小时就被强制过渡 且过渡稳定而有力 若采用正接 即焊丝接负极 则电弧的阴极斑点可以爬到焊丝的固态部分 焊丝端部的电流有一部分不流经熔滴 熔滴过渡较大程度上依靠重力 故熔滴尺寸较大 过渡很不稳定 14 MIG焊的优缺点 1 优点 a 惰性气体几乎不与任何金属产生化学作用 也不熔于金属中 所以几乎可以焊接所有金属 处于经济考虑 主要用于焊接铝 镁及其合金 不锈钢和某些低合金钢 b 焊丝外表没有涂料层 焊接电流可提高 因而母材熔深较大 焊丝熔化速度快 熔敷率高 与TIG焊比 其生产效率高 c 一般采用直接反接 这样电弧稳定 熔滴过渡均匀 飞溅少 焊缝成形好 2 缺点 a 对母材及焊丝的油 锈很敏感 容易产生气孔 c 与CO2焊比熔深较小 抗风能力弱d 惰性气体较贵 生产成本高 15 3 氩弧焊焊前清理a 机械清理先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污 然后根据零件形状采用切削方法 如使用风动或电动铣刀 也可使用刮刀 锉刀等 较薄的氧化膜可采用不锈钢钢丝刷清理 不宜采用砂纸或砂轮打磨 清理后的焊丝 工件焊前存放时间一般不要超过12h b 化学清理用化学试剂与焊丝或工件表面氧化层发生化学反应去除氧化层的方法 效率高 质量稳定 适用于清理焊丝以及尺寸不大 批量生产的工件 小型工件可采用浸洗法 焊丝清洗后可在150 200 烘箱内烘焙0 5h 然后存放在100 烘箱内随用随取 清洗过的焊件应立即进行装配 焊接 16 4 电流类型 MIG焊接通常使用直流电源焊接 直流反接 即电极 焊丝 连接到电源的正极 工件连接到电源的负极 TIG焊通常使用交流电源 5 焊接材料 我车间常用焊丝材质为ER4043 S311 和ER5356 S331 通常焊接硬铝或铸铝时选用ER4043 焊接纯铝 防锈铝和锻铝时选用ER5356 6 保护气体 常用焊接气体为99 9999 的高纯氩 Ar 7 焊接参数 焊接参数包括电流 电压 气体流量 焊接速度等 具体参数应按工艺守则执行 17 8 焊接过程 铝合金焊接因材料的特殊性 在整个焊前准备 焊接过程及焊后处理过程中有较多的注意事项及禁忌 操作人员必须注意这些事项 才能焊接出合格的焊缝 1 引弧 焊枪开关按下后 焊丝开始按预设速度送丝 同时保护气体开始流出 当焊丝接触工件表面而短路 产生很大短路电流使焊丝尖端材料气化引燃电弧 此时电弧还很微弱 若送丝速度很高则电弧很可能被焊丝挤压而熄灭 这就需要二次引弧或三次引弧 现代的智能化焊机为了解决这种问题 可以编制特殊的引弧程序 在起弧的瞬间增大电流 使焊丝 过烧 从而避免焊丝挤压微弱的电弧而造成熄弧 待电弧稳定后引弧程序终止 电流回归正常 2 焊接 引弧后 焊枪以一定姿态运行 焊枪与工件及焊接方向应保持一定的角度 但运行过程中可机动地调整 焊枪指向焊接前进方向时称为左焊法 焊枪指向反焊接方向时称为右焊法 如下图所示 18 19 若其他焊接条件相同 左焊法时熔深较小 焊道较宽较平 熔池被电弧力推向前方 操作者易观察到焊接接头位置 易掌握焊接的方向 右焊法可获得较大的熔深 焊道窄而凸起 熔池被电弧力推向后方 电弧能直接作用于母材上 铝及铝合金的焊接多采用左焊法及亚射流过渡方式 焊接时 喷嘴下端与工件间的距离保持在8mm 15mm之间 过低易与熔池接触 过高时 弧长被拉长 保护效果变差 熔深变浅 焊枪摆动在焊接过程中 可以通过有规律的焊枪摆动 来提高焊缝质量 完成焊接工作 常用的四种摆动方式 其一为小幅度起伏摆动 在电流较大时 此种摆动方式可使打底焊不至烧穿 同时可加大熔深 使焊缝饱满 其二为较大幅度的在焊接方向前后摆动 适用于厚板 但焊丝摆动幅度不能超越熔池 其步骤为 前进 回拉 停留 再前进 再回拉 采用这种方式可以避免烧穿 同时能加大熔深 其三为划圈摆动 适用于焊接时温度过高而需避免过热 此法可将焊接热扩散 但熔深将有所降低 其四为 八字步 式摆 适用于PF位置的焊缝 这种摆动可以防止金属液下坠 也可避免烧穿 20 多道焊对较厚的工件焊接时 一道焊缝已经不能填充满焊道 这时就需要多层多道焊接 对于单面多道焊 每焊完一条焊道 需要使用钢丝刷等工具清理焊缝表面 熔覆焊道要宽而浅 以便于气体的逸出 铝合金焊接时还需严加控制层间温度为60 100 使用温度计测量 以防过热产生热裂纹等缺陷 对于双面多层多道焊 正面打底焊应一次焊透 在焊完一面在反面清根后 需做PT 渗透探伤 检查无裂纹后 方可进行反面打底焊接 3 熄弧 熄弧时容易产生弧坑及焊缝过热 从而产生弧坑裂纹 现代焊机一般都带有熄弧程序 可以在关闭焊枪开关后电流递减 并保持气体通送一定时间 从而时弧坑填满 操作者需要在关闭焊枪开工后继续停留一会再移开焊枪 并将余高过高处修磨平整 铝合金焊接中 起弧端和收弧端是裂纹的高发区域 所以若焊缝中间停顿 若在接头处再次起弧 必需再次将接头打磨成斜坡状 对于重要的焊缝 如铝合金地铁车体底架的牵引梁与枕梁20mm厚板双面焊缝 需添加起弧板及收弧板 在焊缝区域外进行起弧和收弧 待焊接完成后将起弧板及收缝有无缺陷 以便返工 弧板切除 21 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 铝及铝合金TIG焊的焊接质量与焊前准备情况 保护气纯度 焊接参数的正确性 电极材料的质量 操作技术的熟练程度等因素有关 再结合铝及铝合金焊接特点 其常见缺陷产生原因及防止措施如下 1 气孔2 未焊透3 裂纹4 咬边5 焊缝夹钨6 烧穿7 未熔合 22 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 23 5KA 573 040静触头 24 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 25 5KA 510 431中心导体 26 弧坑裂纹 任何裂纹都是不允许存在的 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 27 综合来讲 都是操作问题 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 28 2020 2 7 29 需金相分析发现 未曾听说事业部出现过 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 30 与未焊透一样 完全靠焊工的操作来控制 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 31 七 未熔合1 产生原因 1 焊接热输入太低 2 电弧指向偏斜 3 坡口侧壁有油污 4 层间清渣不彻底 2 防止措施 1 正确选择焊接工艺参数 采用合理的焊接电流 2 加强焊工的操作技能 3 注意层间修整 避免出现沟槽等而导致未熔合 4 正确处理焊接停留时间 三 铝及铝合金焊接缺陷及防止措施 32 33 34 30 手工氩弧焊 45 手工氩弧焊 30 半自动氩弧焊 45 半自动氩弧焊 35 30 手工氩弧焊 45 手工氩弧焊 30 半自动氩弧焊 45 半自动氩弧焊 36 四 焊接应力与变形 4 1 焊接应力及变形产生的原因 粗略的说焊接过程对焊件进行了局部的 不均匀的加热是产生焊接应力及变形的原因 焊后焊缝和焊缝附近受热区的金属都发生了缩短 缩短主要表现在两个方向上 即沿着焊缝长度方向的纵向收缩和垂直于焊缝长度方向的横向收缩 正是由于焊缝处有这两个方向的收缩和收缩所引起的这两个方向上的缩短就造成了焊接结构的各种变形 37 4 2 焊接变形的基本形式 种类和产生原因 4 2 1纵向收缩和横向收缩变形 例如两块板对接焊后 发生长度缩短和宽度变窄的变形 这种变形是分别由焊缝的纵向和横向收缩所引起的 38 39 4 2 2角变形 如V型坡口对接焊后发生的角变形 这是由于焊缝截面形状上下不对称 从而焊缝的横向缩短上下不均匀所引起的 40 X型坡口的对接接头 由于坡口形状对称 焊后正反两个方向的角变形能互相抵消 但是 当焊接顺序不合理 造成正反两条焊缝的横向缩短不相等时 也会产生角变形 数字代表焊接顺序 41 4 2 3弯曲变形 焊接梁或柱产生弯曲变形的主要原因是焊缝在结构上布置不对称所引起 比如焊缝位于梁的中心线一侧 焊后由于焊缝纵向缩短引起弯曲变形 42 4 2 4波浪变形 主要出现在薄板焊接结构中 产生原因一种是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力 另一种是由于焊缝横向缩短所造成的角变形 还有些波浪变形是上述两种原因共同作用引起的 43 另一种是由于焊缝横向缩短所造成的角变形 44 4 2 5扭曲变形 装配质量不好 工件搁置不当以及焊接顺序和焊接方向不合理 都可能引起扭曲变形 但归根结底 都是由于焊缝的纵向或横向缩短所致 通过上述分析 进一步说明焊后焊缝的纵向及横向缩短是引起各种变形和应力的根本原因 同时也可以看出 各种形状的变形还和焊缝在结构上的位置 焊接顺序和焊接方向等因素有关 45 在一个焊接结构中 焊接残余应力与变形之间有什么关系呢 焊接变形和应力在焊接结构中是一个矛盾的两个方面 如果在焊接过程中焊件能够自由地收缩 则焊后焊件的变形较大 而焊接残余应力较小 如果在焊接过程中焊件由于外力限制或自身刚性较大而不能自由收缩 则焊后焊件变形很小 但是内部存在着较大的残余应力 例如 焊接厚度较大的钢板和焊补刚性很大的铸件缺陷时 焊后不易变形 但焊接处产生较大拉应力 在实际的生产中 焊后结构既产生一些变形 又存在着一定的焊接残余应力 4 2 6总结 46 4 3减小焊接应力和变形的方法 4 3 1 反变形法 根据变形规律 对焊件焊后的变形方向和数值先进行估算 然后在焊前作出相应的反方向变形来抵消焊件焊后的变形 达到减小变形的目的 T字形角接缝的翼板反变形是应用较多的一例 焊前将翼板在压力机上压成一定角度 以弥补角接焊缝焊后的变形 47 对梁体的总体挠度 往往也采用一定的反变形值 较常见的一种是行车梁梁体 利用其对称进行 两两对称组装 并事先