铝及铝合金焊接技术.docx
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铝及铝合金焊接技术
随着铝材的不断发展,铝的加工技术也得到突飞猛进的进步。
然而,由于铝具有氧化性强、熔点低、导热快、线膨胀系数大、熔化潜热大等多种物理及化学性能特点,因此,选择适合的焊接方法成为关注的重点。
铝是地壳中含量较多的元素之一,其含量达8.8%,居四大金属元素之首,占整个金属元素质量的1/3。
由于制铝技术的改进,铝工业以惊人的速度发展。
到2004年,世界铝产量达2980万t,其中我国为680万t,居世界第三位,铝合金的品种已超过千种。
由于铝材的发展,铝的加工技术也得到突飞猛进的进步。
铝合金因其质量轻、比强度高、低温性能好、可塑性好易于加工及耐腐蚀等特点,在航空航天工业、车辆制造、压力容器及交通运输等领域得到了广泛的应用。
焊接是连接金属的重要加工方法。
与铁相比,铝的氧化性强、熔点低、导热快、线膨胀系数大、熔化潜热大、高温强度低和能形成低熔点共晶等物理及化学性能特点,给焊接工作带来一系列的困难:
1、铝及铝合金为活泼金属,易与氧作用生成致密而难熔的氧化膜Al2O3,其熔点高达2050℃,远高于铝(660℃),另外比重也较大。
因此,易在焊缝中造成未熔合缺陷或氧化物夹渣,致使去除氧化膜成为焊接工艺的关键。
2、易产生气孔。
液态铝可以溶解大量氢(0.69ml/100g),而固态铝却几乎不溶解氢(0.036ml/100g),两者相差20倍,因此,焊接快速冷却凝固时,极易生成气孔。
3、铝导热快、热容量大,焊接时要消耗较大的功率,所以必须采用大功率或热量集中的热源。
4、铝的线膨胀系数大(比铁大一倍),凝固时收缩率也大(比铁大两倍),因此焊接铝件易产生变形。
5、铝的高温强度低(370℃时仅为1kg/m2),焊接时易产生焊漏和塌陷。
根据铝及铝合金的焊接特性,对焊接方法也有特殊的选择(如表)
最初,用氧-乙炔火焰进行气焊铝合金,为了去除氧化膜,必须使用氟化物和氯化物与Al2O3作用,然后再清洗、去渣。
由于气体火焰热量低,所以加热面积大,工件变形也大,现在已很少应用。
DCTIG焊问世以来,很快就用于焊铝。
采用DCEN接法,钨极烧损少,但由于没有阴极雾化作用,所以不能用于焊铝。
相反DCEP接法,铝工件为阴极,有阴极雾化作用,去膜作用清除了焊缝区的氧化铝薄膜,但是钨极为阳极,烧损严重。
为此,又采用交流ACTIG焊,EN半波钨极得到冷却,EP半波能产生阴极雾化,其结果不仅可以去膜,而且还能减轻钨极烧损(如图1)。
于是出现了正弦交流和方波交流,正弦交流TIG焊因产生直流分量,影响焊接效果;方波交流时,正负半波的幅值相同,但宽度可调节,所以对焊缝熔深等形状可调整,从而也可调节焊缝的性能,钨极烧损情况也有所改善。
但为了进一步改善焊接效果,又提出了变极性TIG焊(VPTIG焊)。
虽然VPTIG焊电流波形仍为方波,但不同的是,正、负半波的幅值不同。
EN半波电流较小,宽度较大;而EP半波电流较大,宽度较窄,其结果是EP半波钨极为正。
虽然钨极易烧损,但是因为时间短,所以钨极烧损不多,仍保持圆锥形。
同时,由于工件为负,且幅值较高,所以尽管时间短,也能保证阴极雾化作用。
其结果是变极性TIG表现出DCTIG(EN)焊的特点,不仅钨极烧损较少,而且焊缝熔深较大。
DCMIG焊采用EP接法,具有电弧稳定和阴极雾化的作用,在较大电流时(大于临界电流)为射流过渡,可以焊接厚板。
为了焊接薄板,可采用脉冲MIG焊(DCPMIG),电流范围较大,1.2铝焊丝,电流范围为30A~350A,所以在小电流时,可以焊接薄板。
EP半波与DCPMIG焊一样,电弧稳定,每个脉冲过渡一个熔滴,且有阴极雾化作用。
EN半波的电流幅值与宽度都较小,对电弧稳定性影响不大,但对焊缝的熔深影响较大。
总之,这种方法的焊接过程稳定,同时能通过调节IEN而改变焊缝熔深的大小,适合薄板焊接。
双脉冲MIG焊(DPMIG)是在单脉冲MIG焊基础上发展起来的。
单脉冲能够实现一个脉冲一个熔滴的稳定熔滴过渡,焊丝熔化效率高、烟雾少。
但是焊铝时,仍易产生气孔,且焊缝表面缺乏美丽的鱼鳞波纹。
为此,在单脉冲基础上又开发了双脉冲焊,目前双脉冲焊有两种方案:
一种为单脉冲加低频脉冲送丝;另一种为双脉冲加等速送丝。
前者采用脉动送丝,比较复杂;后者送丝系统比较简单。
双脉冲MIG焊是在高频基础上,加以低频调制。
高频保证一个脉冲过渡一个熔滴,而低频是为了实现一个脉冲形成一个熔池,脉冲频率为0.5Hz~5Hz。
于是就形成了鱼鳞纹,同时每个低频周期都能对熔池产生一定的搅拌作用,促使熔池中的气体排出去,从而减少了气孔的倾向,这种作用类似于脉冲TIG焊,却又比TIG焊的效率高,其焊缝成形如图2。
双丝PMIG焊又称Tandem法,将两根焊丝按一定角度放在同一个焊枪喷嘴内,两根焊丝分别由各自独立的电源供电(如图3),且两根焊丝在同一个熔池中产生电弧。
由于采用EP接法,所以电弧稳定,且具有阴极雾化作用,两个电弧交替接通脉冲电流,使得电弧和熔滴过渡稳定,可以进行高速焊(达到3~5m/min)和高熔敷率焊接。
除了上述电弧焊方法外,还可以用变极性等离子弧(VPPA)法焊接铝合金,该方法采用转移弧和变极性交流电。
兼顾去膜和钨极烧损,这种方法可以保证连续长时间的自动焊,此时电弧更集中,有小孔效应,适于板厚为2~20mm,且焊缝中基本无气孔,被誉为无缺陷焊接法。
激光-MIG复合焊是近几年发展起来的先进焊接法,激光与MIG电弧同时作用于焊接区,通过激光与电弧的相互影响,克服每一种方法自身的不足,进而产生良好的复合效应(如图4)。
激光的高能量密度可用来提高焊接效率,但焊接工艺中遇到的主要问题是:
由于光束直径很细,要求坡口装孔间隙小于0.5mm,对焊缝跟踪精度要求较高,同时在尚未形成熔池时热效率较低。
这些问题可以通过激光-MIG复合焊解决。
众所周知MIG焊的特点是:
焊机成本低、焊缝的搭桥性能较好、通过熔滴过渡可以向焊缝添加金属并形成较宽的焊缝。
不足之处为熔深浅,如果采用激光复合焊,因其熔深较大可降低装配要求,从而使跟踪更容易。
MIG电弧可以解决焊缝金属的初始熔化问题,从而减少使用的激光器的功率,同时MIG焊的气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题。
相反,激光产生的等离子体增强了MIG电弧的引燃和维持能力,使MIG电弧更稳定。
总之,复合之后能带来更好的综合性能,如得到深熔、高速和高效焊接的效果,并使焊接的适应性增强(如图5)。
激光与MIG焊电弧两种热源相互作用的叠加效果表现为:
在激光-MIG焊时,电弧加热金属而降低焊缝金属对激光的反射率,增加了其对光能的吸收,同时激光又起到稳定电弧的作用。
突出特点是:
焊缝熔深较大、焊接速度较高。
在焊接薄板铝合金时,奥地利Fronius公司所使用的复合焊焊枪,采用该法时的焊速可达到8m/min。
总之,随着铝及铝合金的扩大应用,焊接铝的工艺也日渐完善和多样化,用户可以根据需要(质量、生产率或价格等)来选择合适的焊接方法及焊接设备。
同时,我们还应看到更新、更先进的焊接铝的方法在不断涌现,如A-TIG焊、真空电子束焊和搅拌摩擦焊等。
新的焊接技术必将使过去难做,甚至不可能做的事情,变为好做且容易做的事情。
1.试述铝及铝合金的焊接性。
⑴强的氧化能力
铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄,厚度约0.1μm。
Al2O3的熔点高达2050℃,远远超过铝及铝合金的熔点(约660℃),而且体积质量大,约为铝的1.4倍。
焊接过程中,氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合,并易形成夹渣。
氧化膜还会吸附水分,焊接时会促使焊缝生成气孔。
因此,焊前必须严格清理焊件表面的氧化物,并加强焊接区域的保护。
⑵较大的热导率和比热容
铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍,焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。
因此,焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量,焊前常需采取预热等工艺措施。
⑶热裂纹倾向大
线膨胀系数约为钢的2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产生热裂纹。
生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹,如使用焊丝HS311.
⑷容易形成气孔
形成气孔的气体是氢。
氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g,而在660℃凝固温度时,氢的溶解度突降至0.04ml/100g,使原来溶解于液态铝中的氢大量析出,形成气泡。
同时,铝和铝合金的密度小,气泡在熔池中的上升速度较慢,加上铝的导热性强,熔池冷凝快,因此,上升的气泡往往来不及逸出,留在焊缝内成为气孔。
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氢的主要来源,因此焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。
⑸接头不等强度
铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。
纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75%~100%;热处理强化铝合金的接头强度较小,只有母材的40%~505。
⑹焊穿
铝及铝合金从固态转变为液态时,无明显的颜色变化,所以不易判断母材温度,施焊时常会因温度过高无法察觉而导至焊穿。
2.铝及铝合金焊前应进行哪些准备工作?
⑴焊前清理
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
2)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37。
表37 铝及铝合金的化学清洗法
工艺
材料
脱 脂
碱 洗
冲洗
中和光化
冲洗
干燥
NaOH溶液的
质量分数
温度
(℃)
时间
(min)
HNO3溶液的
质量分数
温度
(℃)
时间
(min)
纯铝
汽油煤油
6%~10%
40~50
≥20
清水
30%
室温
1~3
清水
风干或
低温干燥
铝镁、
铝锰合金
汽油煤油
6%~10%
40~50
≥7
清水
30%
室温
1~3
清水
风干或
低温干燥
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。
⑵垫板 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。
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。
⑶预热 对薄、小的焊件一般可以不用预热。
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℃。
3.铝及铝合金焊后应进行哪些清理工作?
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,焊后应立即严格清除焊件上残存的污物。
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。
4.试述铝及铝合金钨极氩弧焊的焊接工艺。
⑴焊丝的选用 铝及铝合金用焊丝牌号见表38。
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38 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
F
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