铝合金常规焊接工艺详解
1 铝及铝合金的焊接特点
1.1 氧化皮问题
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、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分,易使焊缝产生气孔。
(1)焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理,xx其表面氧化膜。在焊接过程加强保护,防止其氧化。
(2)钨极氩弧焊时,选用交流电源,通过“阴极清理”作用,去除氧化膜。
(3)气焊时,采用去除氧化膜的焊剂。
(4)在厚板焊接时,可加大焊接热量,例如,氦弧热量大,利用氦气或氩氦混合气体保护,或者采用大规范的熔化极气体保护焊,在直流正接情况下,可不需要“阴极清理”。
1.2 导热性问题
(1)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。
(2)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。
(3)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。
1.3 热膨胀问题
(1)铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。
(2)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。
(3)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。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下,可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。
(4)在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大,随着硅含量增加,合金结晶温度范围变小,流动性显著提高,收缩率下降,热裂倾向也相应减小。 根据生产经验,当含硅5%~6%时可不产生热裂,因而采用SAlSi條(硅含量4.5%~6%)焊丝会有更好的抗裂性。
1.4 焊穿问题
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。
1.5 气孔问题
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。
1.6 烧损问题
合金元素易蒸发、烧损,使焊缝性能下降。
1.7 时效问题
母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时,焊接热会使热影响区的强度下降。
1.8 相变问题
铝为面心立方晶格,没有同素异构体,加热与冷却过程中没有相变,焊缝晶粒易粗大,不能通过相变来细化晶粒。
2 铝合金焊接方法
2.1 概说
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。
2.2 气焊与弧焊
气焊和焊条电弧焊方法,设备简单、操作方便。
(1)气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。
(2)焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。
(3)铝及铝合金气焊时不宜采用搭接接头和T形接头,因为这些接头易于残留气焊熔剂和焊渣,不便焊后清理,其接头形式见下图:
图1 铝合金焊接接头形式
(4)火焰和焊嘴号码 :气焊时火焰可采用中性焰 (或轻微碳化焰),焊嘴号码根据铝板厚度进行选择,见表1。
表1 铝及铝合金气焊焊接工艺参数
焊件厚度(mm) |
1.2 |
1.5~2.0 |
3.0~4.0 |
5.0~7.0 |
7.0~10.0 |
10.0~20.0 |
焊丝直径(mm) |
1.5~2.0 |
2.0~2.5 |
2.0~3.0 |
4.0~5.0 |
5.0~6.0 |
5.0~6.0 |
射吸式焊炬型号 |
H01~6 |
H01~6 |
H01~6 |
H01~12 |
H01~12 |
H01~20 |
焊嘴号码 |
1 |
1~2 |
3~4 |
1~3 |
2~4 |
4~3 |
焊嘴孔径(mm) |
0.9 |
0.9~1.0 |
1.1~1.3 |
1.4~1.8 |
1.6~2.0 |
3.0~3.2 |
乙炔气消耗量(L/h) |
75~150 |
150~300 |
300~500 |
500~1400 |
1400~2000 |
~2500 |
(5)定位焊:定位焊时的工艺参数见表2。
表2 铝及铝合金气焊定位焊工艺参数
(6)焊嘴和焊丝倾角:焊薄板时,焊嘴倾角约为30°~45°,焊丝倾角约为40°~50°;焊厚板时,焊嘴倾角应为50°左右,焊丝倾角为40°~50°。
2.3 氩弧焊
惰性气体保护焊(TIG或MIG)方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。
(1)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。
(2)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。
(3)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)。
(4)MIG焊铝常采用亚射流过渡——在射流过渡的电弧成分中调试出3-5%的短路过渡成分,以保证电弧长度较短、电弧不漂移、气体保护和阴极雾化效果好、产生气孔的倾向小、焊缝内在质量高。
(5)MIG焊铝的工艺难题主要有:a. 铝及铝合金的熔点低(纯铝 660℃),表面生成高熔点氧化膜( AL2O3 2050℃),容易造成焊接不熔合。b. 低熔点共晶物和焊接应力,容易产生焊接热裂纹。c. 母材、焊材氧化膜吸附水分,焊缝容易产生气孔。d. 铝的导热性是钢的3倍,焊缝熔池的温度场变化大,控制焊缝成型的难度较大。e. 焊接变形较大。
(6)MIG焊铝时,因焊丝的熔化速度很快,送丝速度高;铝焊丝刚性小,比较软,推丝送进时,细焊丝容易堆丝打弯,影响正常焊接。所以一般使用Φ1.2/Φ1.6铝焊丝。
(7)TIG交流和MIG直流反接焊铝时,负电极(母材)表面上集中发射电子的光亮微小区域—“阴极雾化区”,此区域为清洁宽度,以有效清理铝表面氧化膜。
2.4 焊丝的选用
铝及铝合金用焊丝牌号见表3。其中HS311是一种通用焊丝,采用这种焊丝焊接时,金属流动性好,有较高的抗热裂性能,并能保证一定的强度。但在焊接铝镁合金时,焊缝中会出现脆性化合物Mg2Si,降低接头的塑性和耐腐蚀性。焊接铝镁合金时应采用HS331。
表3 铝及铝合金用焊丝牌号
统一 牌号 名称 化学成分(质量分数)(%) 焊缝力学性能 用 途 Mg Mn Si Fe Al 母材 抗拉强度 (MPa) HS301 纯铝焊丝 - - - - 余量 纯铝 70~80 纯铝及接头质量要求不高的铝合金 HS311 铝硅合金焊丝 - - 4~6 - 余量 LF21 120~140 除铝镁合金以外的铝合金 HS321 铝锰合金焊丝 - 1.0~1.6 - - 余量 LF21 120~140 铝锰合金 HS331 铝锰合金焊丝 4.5~5.7 0.2~0.6 0.2~0.5 ≤0.4 余量 LF5 220~260 铝镁合金
2.5 焊接接头及坡口形式
下图为铝合金TIG焊接坡口形式。
图2 铝合金TIG焊接坡口形式
2.6 工艺参数
(1)手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊的焊接工艺参数,分别见表4、5。
表4 铝及铝合金手工钨极氩弧焊焊接工艺参数
焊件厚度 (mm) |
焊丝直径 (mm) |
钨极直径 (mm) |
预热温度 (℃) |
焊接电流 (A) |
氩气流量 (L/min) |
喷嘴孔径 (mm) |
焊接层数 (正面/反面) |
备 注 |
1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 16~20 22~25 |
1.6 1.6~2.0 2~2.5 2~3 3 3~4 4 4~5 4~5 4~5 5~6 5~6 5~6 5~6 5~6 5~6 |
2 2 2~3 3 4 4 5 5 5 5~6 5~6 6 6 6 6 6~7 |
— — — — — — — 100 100~150 150~200 180~200 200~220 200~240 200~260 200~260 200~260 |
40~60 50~80 90~120 150~180 180~200 180~240 240~280 160~320 280~340 300~360 340~380 340~380 360~400 360~400 300~380 360~400 |
7~9 7~9 8~12 8~12 10~15 10~15 16~20 16~20 16~20 18~22 20~24 20~24 25~30 25~30 25~30 30~35 |
8 8 8~12 8~12 8~12 10~12 14~16 14~16 14~16 16~20 16~20 16~20 16~20 20~22 16~20 20~22 |
正1 正1 正1 正1 1~2/1 1~2/1 1~2/1 2/1 3~4/1~2 3~4/1~2 3~4/1~2 4~5/1~2 4~5/1~2 4~5/1~2 2~3/2~3 3~4/3~4 |
卷边焊 卷边或单面对接焊 对接焊 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 Y形坡口对接 双V形坡口对接 双V形坡口对接 |
表5 铝及铝合金自动钨极氩弧焊焊接工艺参数
焊件厚度 (mm) |
焊接层数 |
钨极直径 (mm) |
焊丝直径 (mm) |
喷嘴孔径 (mm) |
氩气流量 (L/min) |
焊接电流 (A) |
送线速度 (m/h) |
1 2 3 4 5 6~8 8~12 |
1 1 1~2 1~2 2 2~3 2~3 |
1.5~2 3 4 5 5 5~6 6 |
1.6 1.6~2 2 2~3 2~3 3 3~4 |
8~10 8~10 10~14 10~14 12~16 14~18 14~18 |
5~6 12~14 14~18 14~18 16~20 18~24 18~24 |
120~160 180~220 220~240 240~280 280~320 280~320 300~340 |
— 65~70 65~70 70~75 70~75 75~80 80~85 |
(2)熔化极氩弧焊的焊接工艺参数
自动及半自动熔化极氩弧焊焊接铝及铝合金时的焊接工艺参数,分别见表6、图3。焊接电源采用直流反接。
表6 铝及铝合金自动熔化极氩弧焊焊接工艺参数
焊件 牌号 |
焊丝 牌号 |
焊件 厚度 (mm) |
坡口 形式 |
坡口尺寸 |
焊丝 直径 |
喷嘴 孔径 |
氩气 流量 (L/min) |
焊接 电流 (A) |
电弧 电压 (V |
焊接 速度 (m/h) |
备注 | ||
钝边 (mm) |
坡口 角度 (°) |
间隙 (mm) | |||||||||||
LPS |
SAiMg5 |
5 |
- |
- |
- |
- |
2.0 |
22 |
28 |
240 |
21~22 |
42 |
单面焊双面成形 |
L2L3 |
L2 |
6 8 10 12 14 16 20 25 28~30 |
- V形 V形 V形 V形 V形 V形 V形 双V形 |
- 4 6 8 10 12 16 21 16 |
- 100 100 100 100 100 100 100 100 |
0~0.5 0~0.5 0~1 0~1 0~1 0~1 0~1 0~1 |
2.5 2.5 3.0 3.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 |
22 22 28 28 28 28 28 28 28 |
30~35 30~35 30~35 30~35 40~45 40~45 50~60 50~60 50~60 |
230~260 300~320 310~330 320~340 380~400 380~420 450~500 490~550 560~570 |
26~27 26~27 27~28 28~29 29~31 29~31 29~31 29~31 29~31 |
25 24~28 18 15 18 17~20 17~19 - 13~15 |
正反面均焊1层 |
LF2 LF3 |
LF3 LF5 |
12 18 20 25 |
V形 V形 V形 |
8 14 16 16 |
120 120 120 120 |
0~1 0~1 0~1 0~1 |
3.0 4.0 4.0 4.0 |
22 28 28 28 |
30~35 50~60 50~60 50~60 |
320~350 450~470 450~700 490~520 |
28~30 29~30 28~30 29~31 |
24 18.7 18 16~19 | |
LY11 |
SAISi5 |
50 |
双V形 |
6~8 |
75 |
0~0.5 |
4.2 |
28 |
50 |
450~500 |
24~27 |
15~18 |
也可采用双面U形坡口 钝边6~8mm |
图3 纯铝MIG工艺参数
3 焊前准备
3.1 表面清理
清理的目的是去除焊件表面的氧化膜和油污,这是防止产生气孔、夹渣的重要措施。
(1)化学清洗
效率高、质量稳定、适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的焊件。化学清洗分浸洗法和擦洗法两种,清洗剂及清洗工艺,见表5。
表5 铝及铝合金的化学清洗法
(2)机械清理
先用有机溶剂(丙酮、松香或汽油)擦拭焊件表面的油污,然后用细铜线刷至表面露出金属光泽,或者用刮刀清理表面。清理后的焊件应在4h内施焊,否则应重新清理。
3.2 垫板
(1)为了保证焊透并使焊件不致焊穿或塌陷,焊前可在接缝下面安放垫板。
(2)垫板材料可采用石墨、不锈钢或碳钢,表面开一圆弧形槽,以保证反面焊缝成形。
3.3 预热
(1)对薄、小的焊件一般可以不用预热。
(2)焊接厚度超过5mm的焊件时,为了使接缝附近达到所需要的温度,焊前应对焊件进行预热,预热温度为100~300℃。
4 焊后清理
焊件焊后留在焊缝及邻近的残存熔剂和焊渣,需要及时清理干净,否则在空气、水分的作用下,残存的溶剂和焊渣会破坏具有防腐作用的氧化铝薄膜,激烈的腐蚀焊件。因此,焊后应立即严格xx焊件上残存的污物。
常用的清渣方法和步骤:
(1)在热水中用硬毛刷仔细地洗刷焊接接头。
(2)将焊件在温度为60~80℃、质量分数为2%~3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗约5~10min,并用硬毛刷仔细洗刷。或者将焊件放于15~20℃质量分数为10%的硝酸溶液中浸洗10~20min。
(3)在热水中冲刷洗涤焊件。
(4)将焊件用热空气吹干或在100℃干燥箱内烘干。