東莞市鋁及鋁合金的焊接方法

鋁及鋁合金的焊接特點

    （1）鋁在空氣中及焊接時極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點高、非常穩定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產生氣孔。焊接前應采用化學或機械方法進行嚴格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過程加強保護，防止其氧化。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，去除氧化膜。氣焊時，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時，可加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護，或者采用大規范的熔化極氣體保護焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。

    （2）鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內部，因而焊接鋁及鋁合金時，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著，為了獲得高質量的焊接接頭，應當盡量采用能量集中、功率大的能源，有時也可采用預熱等工藝措施。

    （3）鋁及鋁合金的線膨脹系數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應力較大，因此，需采取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。生產中可采用調整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生。在耐蝕性允許的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5%時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結晶溫度范圍變小，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應減小。根據生產經驗，當含硅5%~6%時可不產生熱裂，因而采用SAlSi條（硅含量4.5%~6%)焊絲會有更好的抗裂性。

    （4）鋁對光、熱的反射能力較強，固、液轉態時，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。

    （5）鋁及鋁合金在液態能溶解大量的氫，固態幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，對氫的來源要嚴格控制，以防止氣孔的形成。

 （6）合金元素易蒸發、燒損，使焊縫性能下降。

    （7）母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時，焊接熱會使熱影響區的強度下降。

    （8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構體，加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細化晶粒。

    2．焊接方法

    幾乎各種焊接方法都可以用于焊接鋁及鋁合金，但是鋁及鋁合金對各種焊接方法的適應性不同，各種焊接方法有其各自的應用場合。氣焊和焊條電弧焊方法，設備簡單、操作方便。氣焊可用于對焊接質量要求不高的鋁薄板及鑄件的補焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補焊。惰性氣體保護焊（TIG或MIG）方法是應用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊。熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊應用越來越廣泛（氬氣或氬/氦混合氣）

鋁及鋁合金管的焊接工藝

　概述　　

鋁合金由于重量輕、強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結構產品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結構重量可減輕50 %以上。因此，鋁及鋁合金除廣泛的應用于航空、航天和電工等領域外，同時還越來越多的應用于石油化學工業。中原大化新建空分裝置就大量使用了鋁鎂合金(主要有：5083、5183、5A02相當于舊牌號中的LF2、LF4)。但是鋁及鋁合金在焊接過程中，易出現氧化、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷等問題。此類材質是被公認為焊接難度較大的被焊接材料，特別是小徑薄壁管的焊接更難掌握。因此，解決鋁及鋁合金的這些焊接缺陷是施工過程中必須解決的問題。 

2鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點

2.1 易氧化　　

鋁和氧的親和力很強。在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續氧化，對自然防腐有利，但它給焊接帶來了困難，這是由于氧化鋁的熔點(2050℃)遠遠超過了鋁的熔點(600℃左右)，比重約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，會阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣，而且氧化鋁薄膜還吸附了較多的水份，焊接時會促使焊縫生成氣孔。

2.2 較大的導熱系數和比熱容　　

鋁的導熱系數約為鋼的四倍，因此，焊接鋁材管時，比鋼管焊接要消耗更多的熱量，為得到高質量的焊接接頭，必需采用能量集中，功率大的熱源。 

2.3 易形成氫氣孔　　

鋁及鋁合金的焊接氣孔主要氫氣孔。鋁在液態時能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態下為0.00036 ml/g，前后相差近20倍。鋁的導熱系數很大，在相同的焊接工藝條件下，其冷卻速度為鋼的4～7倍，使金屬結晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時析出大量過飽和氣體，氫氣來不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此，在焊接鋁材時，焊縫產生氣孔的傾向很大。

2.4 易形成熱裂紋　　

鋁的線膨脹系數和結晶收縮率比鋼大約一倍，易產生較大的焊接變形和應力，加上某些雜質或合金元素的不利影響，在剛性較大的接頭中將導致產生裂紋。

2.5 燒穿和塌陷　　

鋁及鋁合金由固態轉變為液態時.由于沒有明顯的顏色變化，所以，不易判斷熔池的溫度。焊接時，常因溫度過高不易被察覺而導致燒穿或嚴重塌陷。　

3 焊前準備 

3.1坡口加工采用機械加工法　　加工后的坡口表面應平整、無毛刺和飛邊。坡口的形式一般為V型，無鈍邊，坡口角度70～75℃為宜。不同壁厚的對接焊應有14O的過渡段。

3.2 焊前準備　　

焊前將焊絲、焊管坡口及其坡口內外各30～50mm范圍內的油污和氧化膜清除掉，清除順序和方法如下：用丙酮或四氯化碳等有機溶劑去除表面油污，坡口內外兩側清除范圍應不小于50mm。清除油污后，焊絲采用化學法，坡口易采用機械法，試管也采用化學法清除表面氧化膜。機械方法，是坡口及其附近表面可用銼削、刮削、銑削或用0.2mm左右的不銹鋼絲刷清除至露出金屬光澤，兩側的清除范圍距坡口邊緣應不小于30mm，使用的工具定期脫脂處理。化學法。是用約70℃ 5～10%的NaOH溶液浸泡30～60秒后，或用常溫5～10%的NaOH溶液浸泡3分鐘。接著用約15%的HNO3(常溫)浸泡2分鐘左右后用溫水清洗。或用冷水沖洗，再使其完全干燥。對已經可靠表面處理、并未被氧化或受污染的焊絲，不再進行上述處理可直接使用。清理好的坡口及焊絲，在焊前不應再被玷污，若無有效的防護措施，應在8小時內施焊。否則應重新進行清理。管道組對時，應做到內壁平齊，無毛刺、粒屑，其錯邊量應符合b≤0.5mm。內部不加襯圈焊口，要求間隙盡可能等于零，特別是仰焊部位，管內壁應倒1～1.5mm的圓角。3.3焊機的注意事項及其它　　焊機必須是交流TIG焊機，具有陡降的外特性和足夠的電容量。并且有參數穩定、調節靈活和安全可靠的使用性能，還應具有引弧、穩弧和消除直流分量裝置，焊機上電流、電壓表應經計量部門鑒定合格，焊機在使用前，先檢查接地是否完好，冷卻水路和氣路是否暢通，其各項功能須確保能正常工作。焊接場所應保持清潔。除應有防風、防雨雪設施外，還應保證焊接時的相對濕度≤80%，環境溫＞5℃。　　

4 焊接工藝

4.1焊接材料的選擇　　焊絲原則上選擇與母材成分相同的鋁及鋁合金焊絲或板條。氬氣純度＞99.95%，盡量選用大直徑焊絲。在Al-Mg系鋁合金的弧焊中，通常都是推薦使用CB-AMr2、CB-AMr3、CB-AMr6、CB- AMr61、CB-AMr63、1557、1577焊條，對Al-Cu系鋁合金則推薦用01201和01217。

4.2組對與點固焊　　

由于鋁及鋁合金管導熱快、熔池結晶快，所以.組對時不留間隙、鈍邊，應避免強制進行，以減少焊接后產生較大的殘余應力，定位焊縫長度10-15mm為易。定位焊位置在管的7點、9點、12點處。定位焊焊縫常做為正式焊縫保留，因此發現問題應及時處理。焊前對定位焊表面黑粉、氧化膜進行清除，并將兩端修成緩坡型。焊件不需要預熱.焊前在試板上試焊，當確認無氣孔后再進行正式焊接。采用高頻引弧，起弧點應越過中心線20mm左右，并停留不動約2-3秒，見圖1。然后在保證焊透的情況下，采用大電流、快速焊。焊絲不擺動，焊絲端部不應離開氬氣保護區。如離開氬氣保護區.焊絲端部應剪掉。焊絲與焊縫表面的夾角宜在15O右。焊槍與焊縫表面的夾角宜保持在80O～90O之間，如圖2。為增大氬氣保護區和增強保護效果，可采用大直徑焊槍瓷嘴，加大焊槍氬氣流量。當噴嘴上有明顯阻礙氬氣氣流流通的飛濺物附著時。必須將飛濺物清除或更換噴嘴。當鎢極端部出現污染，形狀不規則等現象時.必須修整或更換。鎢極不宜伸出噴嘴外。焊接溫度的控制主要是焊接速度和焊接電流大小的控制。試驗結果表明，大電流、快速焊能有效防止氣孔的產生。這主要是由于在焊接過程中以較快速度焊透焊縫，熔化金屬受熱時間短，吸收氣體的機會少。收弧時，注意填滿弧坑,縮小溶池,避免產生縮孔,終點的結合處應焊過20~30mm。停弧后，要延遲停氣6秒。可旋轉的鋁及鋁合金管對接平焊時.焊炬應處于稍帶上坡焊位置。這樣有利于焊透。厚壁管子底層焊時。可不填加焊絲。但以后的焊層需加焊絲。　　

5 焊接檢驗　　

按HGJ222--92《鋁及鋁合金焊接技術規范》對所有焊縫進行表面和射線探傷檢查。

6 實施效果　　

采用上述焊接工藝，實際的焊接施工中氣孔和燒穿問題得到了有效的解決。焊接探傷合格率達到了97%。當然還存在背面成型問題，這主要依靠操作者的感覺，對操作者的技術要求較高。

鋁散熱器空氣爐中釬焊工藝及設備

本所某大功率合成設備用散熱器(圖1)，該結構的散熱器體積較大，壁厚相差大。曾采用鹽浴釬焊(外協)加工，但發現焊后清洗困難且清洗后的散熱器易吸潮而引起腐蝕。

                   圖1　散熱器示意圖

　　氟化物釬劑具有不吸潮，釬渣難溶于水，去膜能力強，釬縫致密性好，釬焊接頭耐蝕性好等特點^［1］，但釬劑配制質量的好壞直接影響釬焊質量的好壞，而成品氟化物釬劑具有長期穩定的活性^［2］。鋁硅鍶鑭釬料流動性能、機械性能、耐腐蝕和鍍覆性能均良好^［3］。本工藝采用成品氟化物釬劑，配合鋁硅鍶鑭釬料，在空氣爐中釬焊散熱器，取得良好效果。

1　釬焊設備

1.1　釬焊爐的主要結構組成　　該爐由控制系統、可動爐體和推車三部分組成，如圖2所示。

圖2　釬焊爐結構示意圖

1.2　釬焊爐工作方式　　

爐體預熱?爐罩上升?推車移出?工件放置
?推車復位?爐罩下降?釬焊?出爐

1.3　爐溫測控系統　　

該系統主要由AI人工智能工業調節器、小型圓圖溫度記錄儀、可控硅模塊、各功能按鈕及儀表等組成。將設定值輸入AI人工智能工業調節器(溫度和時間)，由調節器控制可控硅模塊，通過調整一個固定的時間內可控硅通斷比例來實現輸出功率大小變化，從而達到連續調節加熱爐功率的目的。小型圓圖溫度記錄儀通過熱電偶的轉換，可分別記錄爐膛溫度和釬焊工件溫度(模擬)與時間的曲線，有利于釬焊工藝的分析和參數的調整。該控制系統具有測溫精度高，控溫性能好，操作方便等優點。

2　釬焊工藝

2.1　母材、釬料和釬劑　　

釬焊使用母材為LF21，釬料為φ1.5鋁硅鍶鑭共晶釬料(HL81-01)，鋁釬劑為成品共晶氟化物釬劑。

2.2　加熱規范的確定　　

由于該工件厚度較厚，體積較大，采用硬加熱規范，把爐膛溫度預置到650℃，然后把安置好釬料和釬劑的工件放入爐膛進行加熱，待工件溫度上升到600℃即可出爐冷卻。圖3為爐膛和工件溫度與時間的變化曲線。2.3　焊后清洗　　釬焊后的工件在20％左右的硝酸溶液中清洗，可以得到滿意的清洗效果。

3　釬焊接頭性能

3.1　釬焊接頭機械性能和金相組織　　

釬焊接頭按國標GB2651-89、GB2653-89進行拉伸和彎曲試驗，釬焊接頭的抗拉強度為100MPa，冷彎角為145^°，拉伸試樣斷裂部位都在母材，表明釬縫的強度比母材高，彎曲試驗表明釬焊接頭塑性較好。分析釬縫的金相組織，該組織為典型的α～A1＋Si共晶組織，但由于鋁硅鍶鑭釬料中鍶鑭的變質作用，共晶硅由粗大片狀變成細粒狀，所以釬焊接頭機械性能得到提高。

圖3　爐膛和工件溫度隨時間變化曲線

3.2　交變濕熱試驗　　

結合整機要求，將清洗后的散熱器按GJB367.2-87進行交變濕熱試驗，周期為48h，釬縫表面保持金屬光澤，無腐蝕現象發生。

4　生產應用

　　在空氣爐中釬焊如圖1所示鋁合金散熱器共15件，焊接過程穩定，可操作性好，釬焊后的工件經檢驗，釬縫連續、圓角飽滿、沒有溶蝕和未焊透缺陷。

5　結論

5.1　研制的釬焊爐具有結構合理、控溫性能好和操作方便等特點。
5.2　在普通空氣爐釬焊散熱器，采用成品氟化物釬劑，配合鋁硅鍶鑭釬料，釬焊質量良好，完全能滿足散熱器生產需要。