鋁及鋁合金零件的焊接工藝方法

      【摘要】鋁及鋁合金材料密度低，強度高，熱電導率高，耐腐蝕能力強，具有良好的物理特性和力學性能，應用于工業產品的焊接結構上。長期以來，由于焊接方法及焊接工藝參數的選取不當，焊接時的常出現缺陷，本文介紹了此類金屬零件焊接時的工藝步驟及其焊接參數的選取。

　　【關鍵詞】鋁合金焊接加工工藝

　　鋁及鋁合金材料密度低，強度高，熱電導率高，耐腐蝕能力強，具有良好的物理特性和力學性能，應用于工業產品的焊接結構上。長期以來，由于焊接方法及焊接工藝參數的選取不當，造成鋁合金零件焊接后因應力過于集中產生嚴重變形，或因為焊縫氣孔、夾渣、未焊透等缺陷，導致焊縫金屬裂紋或材質疏松，嚴重影響了產品質量及性能。

　　1 鋁合金材料特點

　　鋁是銀白色的輕金屬，具有良好的塑性、較高的導電性和導熱性，同時還具有防氧化和防腐蝕的能力。鋁極易氧化產生三氧化二鋁薄膜，在焊縫中容易產生夾雜物，從而破壞金屬的連續性和均勻性，降低其機械性能和耐腐蝕性能。常見鋁合金母材和焊絲的化學成分及機械性能見表1。

　　2 鋁合金材料的焊接難點

　　（1）極易氧化。在空氣中，鋁容易同氧化合，生成致密的三氧化二鋁薄膜（厚度約0．1－0．2μm），熔點高（約2050℃），遠遠超過鋁及鋁合金的熔點（約600℃左右）。氧化鋁的密度3．95－4．10g/cm3，約為鋁的1．4倍，氧化鋁薄膜的表面易吸附水分，焊接時，它阻礙基本金屬的熔合，極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，引起焊縫性能下降。

　　（2）易產生氣孔。鋁和鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因是氫，由于液態鋁可溶解大量的氫，而固態鋁幾乎不溶解氫，因此當熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及逸出，容易在焊縫中聚集形成氣孔。氫氣孔目前難于避免，氫的來源很多，有電弧焊氣氛中的氫，鋁板、焊絲表面吸附空氣中的水分等。實踐證明，即使氬氣按GB/T4842標準要求，純度達到99．99% 以上，但當水分含量達到20ppm時，也會出現大量的致密氣孔，當空氣相對濕度超過80%時，焊縫就會明顯出現氣孔。

　　（3）焊縫變形和形成裂紋傾向大。鋁的線膨脹系數和結晶收縮率約比鋼大兩倍，易產生較大的焊接變形的內應力，對剛性較大的結構將促使熱裂紋的產生。

　　（4）鋁的導熱系數大（純鋁0．538卡/Cm．s．℃）。約為鋼的4倍，因此，焊接鋁和鋁合金時，比焊鋼要消耗更多的熱量。

　　（5）合金元素的蒸發的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素（如鎂、鋅、錳等），在高溫電弧作用下，極易蒸發燒損，從而改變焊縫金屬的化學成分，使焊縫性能下降。

　　（6）高溫強度和塑性低。高溫時鋁的強度和塑性很低，破壞了焊縫金屬的成形，有時還容易造成焊縫金屬塌落和焊穿現象。

　　（7）無色彩變化。鋁及鋁合金從固態轉為液態時，無明顯的顏色變化，使操作者難以掌握加熱溫度。

　　3 鋁合金材料焊接的工藝方法

　　（1）焊前準備

　　采用化學或機械方法，嚴格清理焊縫坡口兩側的表面氧化膜。

　　化學清洗是使用堿或酸清洗工件表面，該法既可去除氧化膜，還可除油污，具體工藝過程如下：體積分數為6%～10%的氫氧化鈉溶液，在70℃左右浸泡0．5min→水洗→體積分數為15%的硝酸在常溫下浸泡1min進行中和處理→水洗→溫水洗→干燥。洗好后的鋁合金表面為無光澤的銀白色。

　　機械清理可采用風動或電動銑刀，還可采用刮刀、銼刀等工具，對于較薄的氧化膜也可用0．25mm的銅絲刷打磨清除氧化膜。

　　清理好后立即施焊，如果放置時間超過4h，應重新清理。

　　（2）確定裝配間隙及定位焊間距

　　施焊過程中，鋁板受熱膨脹，致使焊縫坡口間隙減少，焊前裝配間隙如果留得太小，焊接過程中就會引起兩板的坡口重疊，增加焊后板面不平度和變形量；相反，裝配間隙過大，則施焊困難，并有燒穿的可能。合適的定位焊間距能保證所需的定位焊間隙，因此，選擇合適的裝配間隙及定位焊間距，是減少變形的一項措施。根據經驗，不同板厚對接縫較合理的裝配工藝參數如表2。

　　（3）選擇焊接設備

　　目前市場上焊接產品種類較多，一般情況下宜采用交流鎢極氬弧焊（即TIG焊）。它是在氬氣的保護下，利用鎢電極與工件問產生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。該焊機工作時，由于交流電流的極性是在周期性的變換，在每個周期里半波為直流正接，半波為直流反接。正接的半波期間鎢極可以發射足夠的電子而又不致于過熱，有利于電弧的穩定。反接的半波期間工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而獲得表面光亮美觀、成形良好的焊縫。

　　（4）選擇焊絲

　　一般選用301純鋁焊絲及311鋁硅焊絲。

　　（5）選取焊接方法和參數

　　一般以左焊法進行，焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上時，以右焊法進行，焊炬和工件成90°角。

　　焊接壁厚在3mm以上時，開V形坡口，夾角為60°～70°，間隙不得大于1mm，以多層焊完成。壁厚在1．5mm以下時，不開坡口，不留間隙，不加填充絲。焊固定管子對接接頭時，當管徑為200mm，壁厚為6mm時，應采用直徑為3～4mm的鎢極，以220～240A的焊接電流，直徑為4mm的填充焊絲，以1～2層焊完。

　　根據經驗，在鋁及鋁合金焊接時，其適用的焊接參數如表3所示。