小直径薄壁铝管材焊接工艺
徐 国祥 ，茅 鹏 ，徐培全 ，马 俊
(1．上海工程技术大学 材料工程学院 ，上海 201620；2．东华 大学 材料科学与工程学院 ，上海 201620)
摘要：小直径薄壁(声8×0．8)铝管作为冷凝器 中铜 管的替代品，可以降低产品生产成本 ，然而铝
舍金材料的使 用给焊接带来了困难。采用交流钨极氩弧焊(GTAW)工艺与设备，可以解决薄壁
1060铝合金管的对焊问题。经试验研究推荐该薄壁铝管采用两道焊接：{dy}道使卷边熔敷金属
熔化 ；第二道焊接形成合格焊缝。焊接电流分别为 25A和 50A，焊接速度为 150 mm／min。焊接
过 程 由可编程控 制 器程控 。
关键词 ：薄壁管 ；铝 ；钨极氩弧焊
铝及其合金具有较高的比强度，良好的耐蚀性 会生成一层致密的A12O3薄膜，铝及其合金较强的
及导 电、导热性，在工业 中应用广泛 。本文涉及 的 氧化能力也会阻碍金属之间的良好结合 ，给焊接带
1060铝是一种变形铝合金，通过加工硬化，可提高 来一定的困难。铝合金熔化温度低，薄壁铝合金管
力学性能。铝的化学活泼性强，与空气接触时表面 焊接时更易熔化 ，焊缝成形 困难 ，易产生裂纹 、夹渣 和气孔[ 。冷凝 器用 1060铝合 金管材 的几何
形 ，如图 1所示。铝管 8×0．8，焊接接头形式
长度为 300 mm 与 12 1-11的小直径管件对接接头
图 1 小直径薄壁 8×0．8铝管
Fig．1 Thin—wall aluminium alloy tube wj
small—diameter
1 焊接方法选择
铝及其合金的导热性强而热容量大，须采用
量集中的热源 ，以保证熔合 良好。铝合金线胀系
大，焊接时容易产生翘曲变形，铝及其合金的高温
度低，不宜采用悬空焊方式 ，常采用垫板和夹具等
以保证装配质量和防止焊接变形 J。
铝及其合金表面极易形成高熔点 的氧化膜 ，
氧化膜的密度与金属铝的密度相近，易成为焊缝
属夹杂物 ，氧化膜还能吸收较多水分 ，成为形成焊
气孔的重要原 因之一。因此 ，除了焊接以前工件
采用化学和机械的方法清理之外，焊接过程 中还
须加强保护。
铝 合 金 薄 件 焊 接 一 般 采 用 钨 极 氩 弧
(G， ，)。在氩气保护下 的焊接，电弧稳定，热量
中，焊接铝合金一般都采用交流 电 J。在交流 电
的负半周里 (铝工件为阴极)，质量较大的阳离子
击阴极，可以xx熔池表面的氧化膜。而在交流
流的正半周里(钨极为阴极)，冷却钨极，有利于电
稳定 。利用交流钨极氩弧焊的“阴极清理”作用对
除氧化物是十分有利的，可获得理想的焊接接头
焊接 8×0．8的 1060铝合金管采用了交流钨极
孤焊的焊接方法。焊机为 Miller Syncrowave250DX
2 焊接接头设计
如前所述 ，铝合金管焊接时氧化问题必须引
十分重视 ，焊接接头的形式应避免采用搭接接头，
接口间隙的氧化膜能有效地暴露在电弧作用的范
内，以免残渣落人管中间隙而无法除去。根据合金
管焊接要求采用对接接头，考虑到铝合金管的壁厚
只有0．8 l"nlTl，可以通过设计成卷边形式，增加填充
金属量 ，但要对长度为 12 1-11的铝合金管进行卷边加
工比较 困难。因此采 用单边卷边形式 ，在 300 mm
长的铝合金管一侧制作卷边 ，如图 2所示。 一
图 2 300 mill一侧铝合金管卷边形式
Fig．2 Flange form of aluminium alloy tube with
diameter 300 mill
焊接前要保持卷边的清洁 、平整，表面无油污、
卷边均匀 、厚薄一致。
3 焊接工艺规范
焊接工艺的规范包括焊接电流与焊接次数、氩
气流量和焊接速度等。
3．1 焊接电流与焊接次数
搭接接头焊接时残渣会落人工件的间隙中无法
除去，应当避免。但若对焊接过程进行改进，焊接二
道，就能解决这一问题。在工件旋转{dy}圈时，使卷
边上的金属微熔后敷于接缝上，同时又使液态熔池
金属充分暴露在电弧气氛下。当工件旋转第二圈
时，使焊接接头区域的金属xx熔化 ，避免了搭接接
头中夹渣、气孔等缺陷。若{dy}道电流略小，则{dy}
圈卷边金属不能熔敷到接缝处，使得第二圈焊接时
容易因卷边不均匀或电弧偏移，导致焊穿。第二道
电流小时则会引起未焊透，而电流过大会使得焊接
线能量增加，填充金属熔化量增加，引起焊穿或近缝
区过热裂纹。
经试验，{dy}道焊接电流为25 A左右，第二道
焊接电流为50 A左右。焊接结束收弧时电流不能
太大，否则在焊缝表面会形成弧坑 ，出现热裂纹 ，因
此，焊接结束前应有一个电流衰减的过程。
3．2 氩气流量及喷嘴孔径
对于一定孔径的喷嘴，如果氩气流量过小，气流
挺度太差 ，排除周围空气的能力弱，轻微的侧向风也
能使其偏离和散乱 ，保护效果不好。反之 ，氩气流量
过大，喷出的气流近壁层 流很薄，甚 至为紊流，则易
混入空气 ，保护效果也不好。实验确定氩气流量为
8～10 L／rain。
3．3 焊接速度
焊接速度也是焊接工艺中的主要参数。焊接速
度过高 ，焊接的线能量过小 ，使填充金属熔化不足
导致未焊透。若焊接速度过低 ，焊接线能量过大，出
现热 裂 纹 或 直 接 焊 穿，经 实 验，焊 接 速 度 为
150 inlrn／min，工件转速为 6 r／min。可 以获得理想
的焊缝成形 ，如图 3所示。
图 3 铝合金管焊缝成 形
Fig．3 W eld forming of alumininm alloy tubes
4 焊接装置
根据被焊工件的几何外形 ，属回转类工件，工件
在焊接夹具带动下旋转 ，实现焊接加工过程 ，这样可
以避免焊接设备绕工件的转动。为简化焊接操作
提高 自动化程度，采用可编程控制器操控焊接过程
传动机构如图 4所示。步进电动机通过联轴器
将动力传递给高速轴 ，经同步带啮合后传递动力至
低速轴，带动焊接夹具使工件以一定的速度旋转 ，形
成焊接速度。
5 焊接接头试验
5．1 接头弯曲试验
按照 GB 2649—89《焊接接头机械性 能试 验与
取样方法》截取弯曲试验试样。接头弯曲试样与焊
缝轴线垂直，按照 GB 2653--89((焊接接头弯曲及压
扁试验法》对试样进行正面弯曲和背面弯曲试验
焊接接头在进行正弯 180。和背弯 180。的弯曲试验中
均未出现裂纹 ，接头区域的塑性 良好。 l 2 3 4 5 6 7
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I
—I I 1一卡盘与焊接夹具；2一同步带大齿轮；3一传动带；
4一传动轴；5一同步带小齿轮；6一联轴器；7一步进电机
图 4 传动结构原 理
Fig．4 Principle of transmission mechanism
5．2 显微硬度测试
测得 的焊接接头显微硬度分布，如图 5所示。
离焊缝中心距离／mm
图 5 焊接接头显微硬度分布
Fig．5 Micro—hardness distribution of welded joint 从图 5可 以看到 ，在焊缝 中心附近存在着一个 硬度下降区间，这是一个焊接接头的软化带。这个 区域在距离焊缝 中心 0．6 mm左右 ，出现软化带 的 原因与焊接热影响区特征有关 。对于 1060 A1这种 固态无相变的金属材料，在焊缝的热影响区存在一
个粗大晶粒的过热区。在加热过程中长大了的晶粒
在冷却过程中不会发生因相变引起重结晶使晶粒细
化。因此在焊接过热区内，晶粒粗大的现象 比固态
时有重结晶相变的材料更严重。这种材料 的热影 响
区过热问题应引起关注。为防止过热 区晶粒过大 ，
在焊接时应该尽量减少焊接热输入，采用能量密度
高的焊接方法和小的线能量，并使用铜制夹具。
5．3 断口分析
对确定焊接规范工艺的接头拉伸试样，使用
HITACHI—SEM2007扫描电子显微镜观察断口情
况，其外观呈杯锥状。断口分为 3个区：中心纤维
区、放射区和边缘剪切唇区。纤维区位于断 口的中
央，呈韧窝形貌，如 图6(a)和图6(b)所示。裂纹起
源于纤维区 ，并在此区中缓慢地扩展。当达到一定
(尺寸时，裂纹开始快速扩展而形成放射区。由于有
效截面减少，裂纹扩展至表面，属于韧性断裂 。
6 结 语
小直径薄壁 t060铝管 声8×0．8对接 ，采用交流
钨极氩弧焊 ，两道焊接，焊接 电流分别为 25 A和 5
A，氩气流量为 8 L／rain，工件转速为 6 r／rain，可获得
性能和外观 良好 的焊接接头 ，焊缝横截面熔合线附
近分布着柱状晶粒，热影响区的硬度比母材略低 ，焊
接接头拉伸断口属韧性断裂。
参考文献：
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