铝及铝合金的焊接工艺研究.doc

铝及铝合金的焊接工艺研究摘要铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。关键词：铝及铝合金 手工氩弧焊 焊接特点Abstrace铝及铝合金具有良好的耐蚀性，较高的比强度及一定的导热性，所以在工业得到了广泛的应用铝是银白色的金属，它的熔点为658，密度为2.7。铝的电导率较高，仅次于金，银，铜，居第四位。纯铝热导性约为低碳钢的5倍，线胀系数约为低碳钢的2倍.。铝还具有热容量和熔化潜热高，耐蚀性好，以及在低温下保持良好的力学性能等特性.。1.铝及铝合金的化学成分和力学性能（1）工业纯铝 工业纯铝是指用工业方法大规模生产的纯铝，其纯度为99.7%-98.8%，工业纯铝中含有铁，硅，铜，锌等少量杂质。纯铝具有面心立方点阵结构，没有同素异构转变，塑性好，无低温脆性转变，但强度低。（2）铝合金 焊接结构中主要应用是变形铝合金，并且应用最广的是非时效强化的铝合金（防锈铝），铸造了铝合金只在焊补是会遇到。2铝及铝合金的焊接特点 .由于铝及铝合金所欲有的物理性能，在焊接的过程中会产生一系列的困难和特点：1.强的氧化能力。铝与氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合生成致密的氧化铝薄膜，厚度约0,1um,氧化铝的熔点高达2050，远远超过铝合金的熔点，而且密度大，约是铝的1.4倍。在焊接的过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。而且氧化膜会吸收水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。2 较大的热导系数和比热容。铝和铝合金的热导系数，比热容等都很大（约为钢的一倍），在焊接的过程中大量的热能被迅速的传导到基本金属内部，因此焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量。为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中，功率大的热源，有时需采用预热等工艺。3 热裂纹倾向性大。铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的两倍，凝固时的体积收缩率达6.5%,左右，因此，焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹，这是铝合金，尤其是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。生产中常用调整焊丝成分的方法防止裂纹的产生。（4）容易产生气孔。焊接接头的气孔是铝及铝合金焊接时易产生的另一个常见的缺陷，氢是熔焊时产生气孔的主要原因。铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体，高温时融入大量的气体，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。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气体中的氢的主要来源。（5）焊接热对基本金属有影响。焊接可热处理强化的铝合金时，由于焊接热的影响，会使基本金属近缝区某些部位的力学性能变坏，对于冷作硬化的合金也是如此，使接头性能弱化，并且焊接热输入越大，性能降低的程度也越严重。（6）无色泽的变化。铝及铝合金从固态变成液态时，无明显的颜色变化，因此在焊接过程中给操作者带来不困难。二.焊前准备铝及铝合金的焊前准备包括焊件及焊丝的表面清理，破口设计及焊丝的选择等（一） 焊件及焊丝表面的清理铝及铝合金表面一般都覆盖着油污和氧化薄膜，它们阻碍着焊缝金属的熔合，导致焊缝产生气孔，夹渣及未焊透等缺陷，影响了接头性能，也会恶化了焊缝的成形，因此，焊接之前必须严格的清除焊接区（焊缝边缘两边30-50mm）和焊丝表面的油污及氧化膜等杂质。清理方法有化学清洗法和机械清洗法二种1. 化学清洗法此法清洗效率高，质量稳定，适用于清洗焊丝及构件尺寸不大的焊件。清洗工艺顺序如下：除油污采用有机溶液（汽油，丙酮，四氯化碳）擦净铝材表面的油污，也可以用40%-50%工业磷酸三钠，40%-50%碳酸钠和20%-30%水玻璃配成的溶剂，然后将溶剂加热到60-70摄氏度，浸5-8分钟去除油污。最后将焊件或焊丝放在60-70摄氏度的热水中冲洗掉附在表面的溶液，再在流动的水中冲洗干净表2-1-1 铝及铝合金除氧化膜化学清洗法清洗顺序碱 洗冲洗 中和光泽冲洗烘干溶液Tt（min）溶液T t纯铝6%-10%NaOH40-602030%HNO3室温或40-601-3流动清水风干或低温干燥铝镁，铝猛合金7流动清水2.机械清理法在去除油污后，用细钢丝刷（钢丝直径小于等于0.2mm）将焊接区域表面氧化膜刷净；对于小尺寸焊件以及化学清洗后又局部氧化膜焊件也可用刮刀清除金，直至露出金属高光泽为止。一般不宜用砂轮，砂纸或喷砂等方法，因为沙粒留在金属表面，焊接时会产生夹渣等缺陷。清洗后焊件及焊丝应保持清洁和干燥。在存放的过程中，特别在潮湿的环境中会很快生成新的氧化膜。因此，清洗后的焊件和焊丝存放时间不得超过24h，潮湿环境及蒸汽，酸，碱等污染环境不得超过4小时，否则要重新清洗。（二） 接头的型式和破口型式铝及铝合金在焊接结构中常见的接头形式见图5-15。但是气焊时接头形式宜选用图5-15中a,c，不宜b,d或e的接头形式。因为气焊熔化后的焊剂具有良好的流动性，容易残留在两板间隙中，不易清洗，残留的焊剂和熔渣易对焊件起腐蚀作用。坡口型式见表2-2-1。表里所列的规格也可根据板材的厚度，焊接工艺以及焊缝质量的要求进行适当的调整。对于不同厚度的板材，坡口应按2-1所示的规格加工接头形式板厚&（mm）间隙b(mm)钝边p(mm)破口角度a(。)备注对接接头卷边不开破口T型接头角接接头搭接接头（三） 焊丝的选择铝及铝合金焊丝的化学成分影响到焊缝金属的组织成分，决定着焊缝的强度，塑性，抗裂性，耐蚀性等。因此，合理的选择焊丝及填充材料是非常重要的。一般选用与基本金属化学成分相同的同质焊丝，或可从母材金属上截取狭条代用。较为通用的焊丝为SalSi5，这种焊丝的液态金属流动性好，特别是凝固时的收缩率小，焊缝金属具有较高的抗裂性，也能保证一定的力学性能，一般常用于除镁铝合金以外的其他各种铝合金。采用SalSi5焊丝焊接硬铝，超硬铝，锻铝等高强度铝合金时，焊缝具有一定的抗裂性，但焊成的接头强度只有基本金属的50%-60%。在焊接镁铝合金时，考虑到镁在焊接过程中的烧损，可选用含镁量比基本金属高1%-2%的铝焊丝。铝及铝合金同种材料焊接时，选用的焊丝牌号见表3-1。异种铝及铝合金焊接用焊丝见表3-2。焊丝的直径可根据焊件的厚度进行选择，见表3-3。但是焊补铝铸件的焊丝，其化学成分与基本金属相同，直径可适当粗些，一般为5-8mm。表3-3-1 铝及铝合金焊丝牌号，化学成分及机械性能类别名称牌号主要成分（%）相当牌号熔点抗拉强度纯铝2号纯铝焊丝SAl-2Al99.6HS30166069-783号纯铝焊丝SAl-3Al99.5HS3024号纯铝焊丝SAl-4Al99.3纯美铝镁2号焊丝SAlMg2Mg2.20-2.8铝镁3号焊丝SAlMg3Mg3.2-3.8Mo0.3-0.6铝镁4号焊丝SAlMg4MnMg4.3-5.2Mg0.5-1.0Cr0.05-0.28铝镁5号焊丝SAlMg5Mg4.7-5.7Mo0.2-0.6HS331638-660265-294铝硅铝硅5焊丝SAlSi5Si4.5-6.0HS331580-610123-137铝铜铝铜6焊丝SAlCu6Cu6.0-7.0铝猛铝猛1号焊丝SAlMn1Mn1.0-1.6HS321643-654123-133表3-3-2 异种铝及铝合金焊接焊丝基本金属组合填充焊丝牌号基本金属组合填充焊丝牌号（L2-L4）与LF21LF21或SAlSi5或与母材相同的纯铝丝LF3与 LF5,LF11 LF 5LF21与ZL7ZL7或SAlMg5LF21与LF2 LF33或SalMnl,SAlMg5LF21与ZL10ZL10呈SAlMg5LF21与LF3 LF5或SAlMg5LF21与ZL21ZL 21或SAlMg5LF6与LF11，LF5 LF6（L1-L6）与LF2,LF3SAlMg5或与母材相同的纯铝表3-3-3 函件厚度与焊丝直径的关系焊件厚度（mm）1.51.5-2.03-55-1010-20焊丝直径（mm）1.5-2.02-33-44-55-6（四） 定位焊为了保证两焊件的相对位置，减少焊接变形，可采用焊接工具架或定位焊固定焊件，定位焊长度及间距可根据构件厚度来定，其参考数据值见2-4-1。定位焊时，选用的焊丝和操作工艺与正式焊接时相同，为防止定位焊引起变形，应采用对称定位（指圆周椭圆形焊缝）或逐点的进行定位（指长焊缝），对于薄板焊件的定位置，其方向应从左向右，这样可减少变形，不至影响装配的间隙，保证装配过程的正常进行。表2-4-1 定位焊与焊件厚度的关系焊件厚度（mm）10定位焊距离（mm）定位焊高度（mm）定位焊长度（mm）10-301.0-1.25-730-501.2-2.06-1050-802.5-3.58-1580-1203.0-5.010-30120-1805.0-7.020-40三 铝及铝合金的钨极手工氩弧焊氩弧焊具有良好的保护效果，热量集中，焊缝质量好，成型美观，焊件变形小和操作容易等优点。因此对质量要求高的铝及铝合金构件，常采用氩弧焊工艺。（一） 钨极手工氩弧焊电源根据铝及铝合金焊接表面易生成氧化膜的特点，通常用交流电源。因交流电源的极性不断变化的，当焊件为负半波时，由于高温电弧的作用，氩气被电离成大量的氩离子（带正电）。由于其质量较大，受阴极区电场的加速作用，撞击焊件熔池及其周边表面时，释放出来的能量将难熔的氧化膜撞碎破坏，同时由于电子从焊件表面离开时有效地冲破了氧化膜，即清除了焊件及熔池表面的氧化膜，使熔化的焊缝金属能很好的熔合，这种现象称为电流阴极破碎作用。当焊件为正半波时（钨极为负极）无阴极破碎作用，此时钨极有较高的电流密度，发出的电弧热量射向焊件，增加了熔透度。由于半波周期十分短促，而且在氩气的有效保护下，熔池表面不易被氧化。若采用直流电源正接极（见5-19），钨极发射电子，因此，对铝材表面及熔池没有阴极破碎作用，不能去除铝材表面及熔池的氧化膜，是焊接质量恶化和电弧不稳定。而当采用直流反接时（见5-19），虽对焊件受电弧区域的氩离子（带正电）高速撞击焊件，使熔池表面其释放出来的能量将表面的氧化膜撞碎破坏，起到阴极破碎作用。但是，钨极端部被高速电子长期冲击而使温度剧烈升高，引起钨极严重的过热和熔化，焊接电流受到很大的限制，远小于直流正接极相同直径的钨极允许焊接电流值（见表5-51）表5-51 不同电源极性不同直径钍钨极的许用电源范围（二） 焊接规范的选择 铝及铝合金钨极手工氩弧焊适用于各种接头型式，见5-15。焊接时正确选择焊接规范是焊接成形良好和焊接过程稳定的重要保证。焊接规范的主要参数包括焊接电流，钨极直径，焊丝直径，焊接速度，氩气流量，喷嘴口径，钨极伸出喷嘴的长度以及喷嘴到焊嘴表面的距离等，上述各种参数是相互有链接的。焊接电流是钨极手工电弧焊的主要焊接参数。而焊接电流的确定，一般