铝及铝合金焊接工艺的研究

铝及铝合金焊接工艺的研究内容摘要：

G焊（手工、自动） 很好 很好 很好 较差 ≥2 ～ 8 适用于薄板焊接 气焊 很好 很差 较差 很差 ～ 10 ～ 25 适用于薄板焊接 焊条电弧焊 较好 很差 较差 很差 3～ 8 — 直流反接，需预热，操作性差 电阻焊（点焊、缝焊） 较好 很好 很好 较好 ～ 3 ～ 4 需要电流大 等离子弧焊 很好 很好 很好 较差 1～ 10 — 焊缝晶粒小，抗气孔性能好 电子束焊 很好 很好 很好 较好 3～ 75 ≥3 焊接质量好，适用于厚件 现代科学技术的发展促进了铝合金 焊接技术的进步。 可焊接的铝合金材料范围逐步扩大，现在不仅可以成功地焊接非热处理强化的铝合金，而且解决了传统的航空航天和军工等行业，逐步扩大到国民经济生产和人民生活的各个领域。 2 铝合金的焊接方法和材料选用 铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。 除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。 铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表。 应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接 性的要求等选择。 表 铝合金常用焊接方法的特点及适用范围 焊接方法 特点 适用范围 气焊 热功率低，焊件变形大，生产率低，易产生夹渣、裂纹等缺陷 用于非重要场合的薄板对接焊及补焊等 手工电弧焊 接头质量差 用于铸铝件补焊及一般修理 钨极氩弧焊 焊缝金属致密，接头强度高、塑性好，可获得优质接头 应用广泛，可焊接板厚 1～ 20㎜ 钨极脉冲氩弧焊 焊接过程稳定，热输入精确可调，焊件变形量小，接头质量高 用于薄板、全位置焊接、装配焊接及对热敏感性强的锻铝、硬铝等高强度铝合金 熔化极氩弧焊 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 熔化极脉冲氩弧焊 焊接变形小，抗气孔和抗裂性好，工艺参数调节广泛 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 用于对接焊要求比氩弧焊更高的场合 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，生产率高 用于需进行精密焊接的焊件 （ 1）气焊 氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。 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、气孔及裂缝等缺陷。 这种方法只用于厚度范围在 ～ 10 ㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。 （ 2）钨极氩弧焊 这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。 钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。 （ 3）熔化极氩弧焊 自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提 高 2～ 3 倍。 可以焊接厚度在50 ㎜以下的纯铝及铝合金板。 例如，焊接厚度 30 ㎜的铝板不必预热， 只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。 半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。 （ 4）脉冲氩弧焊 1）钨极脉冲氩弧焊 用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节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、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、 硬铝、超硬铝等的焊接。 2）熔化极脉冲氩弧焊 可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，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。 对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。 焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、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连接技术。 与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加 焊丝和保护气体，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。 这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。 由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。 铝用焊接材料 （ 1）焊丝 采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。 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，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材料。 选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能，结构的刚性、颜色及抗裂 性等。 选择熔化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。 对于非热处理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，应避免在使用温度 65℃以上的结构中采用，因为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生应力腐蚀龟裂。 用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可防止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标准牌号焊丝。 在缺乏标准牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。 较为通用的焊丝是 HS311，这 种焊丝的液态金属流动性好，凝固时的收缩率小，具体优良的抗裂性能。 为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中加入少量的 Ti、 V、 Zr 等合金元素作为变质剂。 选用铝合金焊丝应注意的问题如下。 1）焊接接头的裂纹敏感性 影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配。 选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。 例如，焊接硅含量 %的 6061 合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，但用硅含量 5%的 ER4043 焊丝，由于其熔化温度比 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，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为 Al－Mg－ Cu 有很高的裂纹敏感性。 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 虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。 3）焊接接头的使用性能 填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。 例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。 在这种情况下，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、规格与用途见表。 铝合金焊条的化学成分和力学性能见表。 表 铝及铝合金焊条的型 号（牌号）、规格与用途 型号 牌号 药皮类型 焊芯材质 焊条规格 /㎜ 用途 E1100 L109 盐基型 纯铝 ， 345 ～355 焊接纯铝板、纯铝容器 E4043 L209 盐基型 铝硅合金 ， 345 ～355 焊接铝板、铝硅铸件、一般铝合金、锻铝、硬铝（铝镁合金除外） E3003 L309 盐基型。