鋁及鋁合金焊接工藝研究

曹 健

有色金屬（non-ferrousmetal），狹義的有色金屬又或簡(jiǎn)稱其為非鐵金屬，是對(duì)我國(guó)除鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱。廣義的有色金屬還包括有色合金。有色合金是以一種有色金屬為基體含量通常大于50%，在其中混合一種或者幾種不同的金屬元素形成的合成金屬。有色金屬是國(guó)家實(shí)力、航空航天、國(guó)防工業(yè)和科技發(fā)展不可缺少的基本材料和重要戰(zhàn)略物資。沒有有色金屬，就不能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)現(xiàn)代化、國(guó)防現(xiàn)代化。比如，飛機(jī)、雷達(dá)、火箭、核潛艇、航空母艦等尖端武器，以及先進(jìn)技術(shù)，如原子能、電視、通信、雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)所需的構(gòu)件或部件，大多由有色金屬中以及輕金屬和稀有金屬構(gòu)成；此外，沒有鎳、鈷、鎢、鉬、釩、鈮等有色金屬，也不能生產(chǎn)合金鋼。有色金屬在電力、航空航天等行業(yè)的使用量也是非常大的。有色金屬在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也屬于國(guó)家級(jí)別戰(zhàn)略資源，國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。

1 鋁合金的分類

硬鋁：硬鋁就是指以銅為主要合成元素的鋁合金，硬鋁具有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度比其他鋁合金要大，而且硬鋁的密度小，可以用于制作輕型結(jié)構(gòu)材料。為了增加鋁合金的抗拉強(qiáng)度，需控制合金中銅的含量，銅含量不得超過4%。錳含量也是影響鋁合金硬度的主要成分，鋁合金中加入適量錳，主要目的是降低鐵與鋁發(fā)生對(duì)抗性，而對(duì)鋁合金性能產(chǎn)生的影響。一般的硬鋁中，嚴(yán)格控制Mn 的含量小于1%。在硬鋁中可以加入少量的鈦，合金晶粒得到一定細(xì)化。鋁合金合成元素中，鎂、銅、硅等元素可快速形成且屬于可溶性有機(jī)化合物，硬鋁合金通過高溫加熱時(shí)，其性能更加優(yōu)良。銅鋁在高溫退火過程中的抗拉性能和強(qiáng)度一般在160Mpa ～220Mpa 之間，經(jīng)高溫淬火和加速時(shí)效后其抗拉強(qiáng)度可提高到312Mpa ～460Mpa。由于硬鋁抗腐蝕性能不佳，為增強(qiáng)鋁合金的抗腐蝕性，可在硬鋁合金外層增加一層保護(hù)膜。

硬鋁的缺點(diǎn)主要有：

（1）硬鋁的抗腐蝕性較差，所以一般要在硬鋁焊件的表面鍍上一層工業(yè)純鋁，來保護(hù)件不被腐蝕，這種材料被叫做包鋁硬鋁，當(dāng)材料有包鋁層時(shí)，它的強(qiáng)度會(huì)因純鋁的厚度降低強(qiáng)度。

（2）焊接裂紋傾向大，用熔焊法焊接這類材料時(shí)，很容易出現(xiàn)裂紋，存在一定的局限性。

鍛鋁：鍛鋁是鋁合金材料中較為適合用于制作合金鍛件的一種，屬于變形鋁合金的一類，被廣泛應(yīng)用與制作形狀復(fù)雜的鍛件，因其具有良好的導(dǎo)熱性跟易塑形，而且為了讓鍛鋁的塑性更強(qiáng)，通常會(huì)減少鍛鋁中的鋁含量。具有良好的熱強(qiáng)度跟耐熱抗腐蝕性也是鍛鋁的一大優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中，鍛鋁已經(jīng)廣泛應(yīng)用與冶金、鍛造和焊接工業(yè)上了。

超硬鋁：超硬鋁是鋁、鋅、銅、鎂系的合金。超硬鋁也是目前發(fā)現(xiàn)的合金中在室溫下力學(xué)強(qiáng)度最高的一類合金，經(jīng)過固溶處理和時(shí)效后它的強(qiáng)度能達(dá)到680Mpa，其比強(qiáng)度已經(jīng)可以跟超強(qiáng)度鋼相媲美，因此命名為超硬鋁。由于它的超高強(qiáng)度，所以飛機(jī)上受力較大的結(jié)構(gòu)件通常應(yīng)用此種材料。超硬鋁合金進(jìn)行淬火加熱時(shí)對(duì)溫度要求嚴(yán)格，可以控制過燒敏感性，合金在460℃～500℃范圍內(nèi)淬火，均能保證合金的性能，如LC4 板材，一般規(guī)定淬火溫度為470℃，一般規(guī)定淬火溫度為470℃。超硬鋁合金經(jīng)過淬火加工，其物理性質(zhì)變得敏感，所以要嚴(yán)格控制淬火持續(xù)時(shí)間，超硬合金加工過程中通常將轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在15s 以內(nèi)。當(dāng)冷卻條件變慢時(shí)，不僅其力學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低，而且耐腐蝕性能也同樣降低。

2 鋁合金的焊接工藝

2.1 氣焊

氧一乙炔氣焊因燃燒火焰導(dǎo)熱不良，產(chǎn)生的熱量不夠集中，所以在應(yīng)用這種焊接工藝后，鋁合金易出現(xiàn)變形，最終導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。氣焊只適用于厚度范圍在0.5mm ～10mm 范圍內(nèi)，比較薄的鋁合金焊件上，因?yàn)樗臒嵝实?，所以焊接厚度比較大的焊件時(shí)，就需要先預(yù)熱，這樣就導(dǎo)致焊件的焊縫不但不夠牢固，而且晶粒也比較粗大，甚至還容易被氧化，夾雜氧化鋁雜質(zhì)。

2.2 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊焊接工藝最突出特點(diǎn)主要是受氬氣保護(hù)，焊接產(chǎn)生的熱量分布均勻，電弧加熱集中，可避免焊縫出現(xiàn)致密問題，焊接件及金屬接頭耐高溫、不易氧化，在我國(guó)焊接工業(yè)中已逐漸獲得很大發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中也是得到廣泛的應(yīng)用。雖然這種焊接方法已經(jīng)比較完善，而且效果在其他焊接技術(shù)中也是出類拔萃，但猶豫其設(shè)備的復(fù)雜性，所以就不適合在露天環(huán)境下進(jìn)行操作。

2.3 熔化極氬弧焊（MIG 焊）

與鎢極氬弧焊相比，熔化極氬弧焊電弧功率大，產(chǎn)生的熱量相對(duì)集中，熱量對(duì)焊接造成的影響小，生產(chǎn)效率比手工鎢極氬弧焊提高了2 倍～3 倍，而且厚度小于50mm 的純鋁及鋁合金都可以進(jìn)行焊接。值得一提的是，使用此方法焊接厚度為30mm 的鋁合金時(shí)不用預(yù)熱，只需焊正、反兩層即可獲得表面光滑、質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊縫。半自動(dòng)熔化極氬弧焊適用于定位焊縫、斷續(xù)短焊縫和不規(guī)則形狀的焊件，用半自動(dòng)氬弧焊焊炬可以方便靈活地進(jìn)行焊接，但是半自動(dòng)焊也存在一些缺點(diǎn)，比如焊絲的直徑較小，以及焊縫更加容易產(chǎn)生氣孔。

2.3.1鋁合金半自動(dòng)MIG 焊工藝

為了提高操作人員的視野，可以采用左焊法，焊炬與工件間的夾角75°。適用于橢圓封頭、人孔接管、座板、加強(qiáng)圈、各種內(nèi)件和圓錐等鋁制容器中的點(diǎn)焊、斷續(xù)焊接和鋁制容器。熔極半自動(dòng)氬弧焊點(diǎn)固焊縫應(yīng)設(shè)置在坡口反面，點(diǎn)固焊縫的長(zhǎng)度為40mm~60mm；對(duì)同樣厚度的鋁錳、鋁鎂合金，應(yīng)降低至20mm ～30mm，氬氣流量增加10/min ～151/min。采用脈沖MIG 焊，熔池控制小，易于實(shí)現(xiàn)全位置焊接，特別是對(duì)薄板，是一種理想的焊接方法。

2.3.2鋁合金MIG 焊需注意的問題如下

（1）粗絲大電流MIG 焊400^1000a.因其本身具有熔深大、生產(chǎn)率高、不易發(fā)生變形等諸大技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中被采用。由于熔池尺寸大，為不斷加強(qiáng)對(duì)整個(gè)熔池的保護(hù)，所以還應(yīng)同時(shí)考慮采用雙層保護(hù)焊口和有保護(hù)的平面厚焊槍，可以焊口噴嘴之上同時(shí)輸送一種惰性氣體，這樣它就可通過不斷擴(kuò)大焊口寬度提高對(duì)熔池區(qū)域的保護(hù)性，同時(shí)可以保護(hù)整個(gè)熔池的整體結(jié)構(gòu)形狀。

（2）而在使用大功率高壓電流時(shí)，為了能夠有更高效率地保護(hù)熔池后面的雙層高壓電流保護(hù)膜涂層和電流焊道，可以在雙層高壓電流保護(hù)膜的高壓噴頭后，再安裝另一種帶有高壓電流保護(hù)膜涂層的高壓噴嘴。

2.4 脈沖氬弧焊

2.4.1 鎢極脈沖氬弧焊

采用該焊接方法，可以明顯性地提高小功率電流電弧焊接過程的溫度穩(wěn)定性，并能通過自動(dòng)調(diào)節(jié)各種焊接的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接功率的精確控制，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的提升。用這種焊接方式焊件變形小，熱變化影響小，誤差小，尤其適用于金屬薄板、全位置焊接及對(duì)熱變化敏感的鍛壓軟鋁、硬鋁、超剛性硬鋁等特殊場(chǎng)合，尤其適合對(duì)熱變化敏感的氬弧焊。

2.4.2熔化極脈沖氬弧焊

熔化極脈沖氬弧焊最早被應(yīng)用在鋁及鋁合金焊接工藝上是在上個(gè)世紀(jì)50 年代，距今已經(jīng)有了70 年的發(fā)展歷程，之后隨著工藝的不斷進(jìn)步，開始被應(yīng)用與銅和不銹鋼等其他金屬的焊接上，現(xiàn)如今也廣泛用于低合金鋼等黑色金屬焊接中。熔化極脈沖氬弧焊的適用范圍非常廣，幾乎可以用來焊接所有種類的金屬或者合金。這種方法可采用的平均焊接電壓，但時(shí)參數(shù)的可調(diào)節(jié)范圍很大，焊件才焊接時(shí)發(fā)生的形變及熱溫度變化條件影響小，生產(chǎn)率高，抗壓和彈性好，對(duì)氣孔及不同焊件間的抗裂性好，適用于焊接工件厚度在2mm ～10mm 間的輕質(zhì)鋁合金工件，且可以全位置焊接。

2.5 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是目前工業(yè)中焊接鋁及鋁合金材料時(shí)最常用的焊接技術(shù)。攪拌式摩擦焊與傳統(tǒng)的熔焊、電焊工藝相比，幾乎沒有飛濺，也不會(huì)產(chǎn)生任何煙塵，焊接時(shí)也不需要準(zhǔn)備氣體保護(hù)層，接頭幾乎沒有任何氣孔、裂紋。該焊法與普通焊接方法相比，焊接件的長(zhǎng)度、寬度并不會(huì)對(duì)其造成影響，可進(jìn)行直接焊接。這種焊接加工方法同時(shí)還有一些別的好處，如接頭的強(qiáng)度高，力學(xué)性能好、消耗能源低、不會(huì)產(chǎn)生污染性氣體、焊前準(zhǔn)備條件要求低等。由于鋁及其他鋁合金材料熔點(diǎn)低，攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接時(shí)釋放的熱量低，使用攪拌摩擦焊更為合適。

3 鋁合金的焊接性特點(diǎn)

鋁合金熔化焊時(shí)有如下困難和特點(diǎn)：

（1）由于鋁自身獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)鋁暴露在空氣中時(shí)，極易與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一層氧化鋁薄膜，這是一層熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純鋁并且基本不會(huì)與水相溶的特殊氧化物，所以在融化時(shí)，內(nèi)部的鋁已經(jīng)融化，但外層的氧化鋁薄膜依舊存在。這層氧化鋁薄膜不會(huì)跟其他的金屬相容，而且會(huì)妨礙被熔融填充金屬潤(rùn)濕。所以，在焊接工作開始之前，必須先將鋁表面的氧化鋁薄膜清理掉或者破壞掉。

（2）熔焊時(shí)，鋁合金的良好的理化性質(zhì)首先就要直接體現(xiàn)在它的抗裂性上。通過在鋁中加入Fe、Mn、Zn、Si 等金屬元素，就可以獲得不同類型、不同性質(zhì)的合金，每一種不同的合金在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的影響都不一樣。

（3）焊后接頭焊縫易腐蝕產(chǎn)生較大氣孔，焊接面與接頭接縫區(qū)易發(fā)生軟化。

4 焊接材料選用相關(guān)事項(xiàng)

4.1 氬氣純度≥99.99%，露點(diǎn)≤-55℃

當(dāng)瓶裝氬氣的輸出壓力如果大于等于0.5Mpa 時(shí)不宜使用。氬氣中的含氮量原則上不能少于0.04%，如果含氮量過低，焊縫表面會(huì)產(chǎn)生淡黃色或者是青色的氧化鋁斑紋以及氣孔；氬氣中的氧含量要不低于0.03%，否則在熔池的表面就會(huì)出現(xiàn)密密麻麻的小黑點(diǎn)，以及電弧不問和電弧飛濺較大的現(xiàn)象。含水量應(yīng)大于等于0.07%，否則熔池就會(huì)沸騰，而且焊接時(shí)焊縫處會(huì)產(chǎn)生氣孔。

4.2 MIG 焊時(shí)，送絲設(shè)備的要求

用MIG 焊接鋁及鋁合金時(shí)，由于鋁合金焊絲的質(zhì)地比較軟，同時(shí)為了能避免外力咬傷或者拉扯到焊絲，所以為了避免焊絲收到磨損，在MIG 焊時(shí)，送絲輪不允許使用帶有齒輪的送絲輪，推絲式也同樣不能使用。

5 焊接前的準(zhǔn)備工作

（1）焊絲、坡口表面以及兩側(cè)大于50mm 的位置務(wù)必對(duì)其表面進(jìn)行清理，具體為去除表面氧化鋁薄膜、打磨表面至光滑。

（2）在清理的時(shí)候也要注意，表面的氧化膜一定要完全清除干凈，不能將其壓進(jìn)鋁合金焊件之中，所以在清理的時(shí)候必須足夠小心。

（3）電焊絲面可用不銹鋼絲磨光，或可用油砂紙磨光；對(duì)于某些表面氧化膜較厚的焊絲，不僅在焊接前要打磨干凈，還要進(jìn)行化學(xué)清洗，完全清除表面的氧化鋁薄膜。

（4）產(chǎn)品化學(xué)清理：先將焊絲放入70℃、5%～10%的氫氧化鈉溶液中充分浸泡三分鐘左右，之后再用清水把殘留的溶液沖洗干凈，之后再浸泡再15%左右的稀硝酸溶液約一分鐘，取出后用溫水沖洗幾遍，再用手持小型吹風(fēng)機(jī)吹干，然后放進(jìn)烘干機(jī)中，用100℃將表面徹底烘干。注意，吹干時(shí)不能使用空氣壓縮機(jī)。

（5）清潔徹底之后的焊絲和焊件應(yīng)保持干凈、干燥，不能用手直接接觸焊件，或者向焊接部位吹氣，防止表面接觸氧氣之后氧化。焊工再焊接時(shí)必須戴著干凈的白色焊工手套，不能因?yàn)榕侣闊┒髋K手套。

（6）如果焊絲或者焊件在焊接前被嚴(yán)重污染，畢竟重新清理一遍，如果只是局部污染，可對(duì)被污染的部位重新清理，在局部清理時(shí)，需要用白紙把坡口兩側(cè)蓋上。一般焊接工作必須在清理后立即進(jìn)行，假如在清理之后的四個(gè)小時(shí)之內(nèi)還沒有焊接，就必須要把焊絲重新清理一遍以防焊絲被氧化。

（7）焊件在焊接時(shí)的裝配位置選擇必須準(zhǔn)確無(wú)誤。

（8）鋁板在焊接時(shí)易變形、易松動(dòng)產(chǎn)生焊接塌陷，因此鋁合金在焊前應(yīng)具針對(duì)性地制作加工夾具和焊接墊板。

（9）使用夾具時(shí)一般是要求整個(gè)零件正反面都必須用工具夾緊，而且夾具的硬度跟夾緊時(shí)的壓力要適中，如果硬度較小而夾緊時(shí)的壓力過大，就有可能造成夾具損壞，如果硬度較大而壓力較小，可能會(huì)導(dǎo)致夾具脫落，夾緊力應(yīng)取350Kg/100mm。

（10）在進(jìn)行軟性鋁合金焊接時(shí)，夾具應(yīng)選用碳鋼或者不銹鋼制品，這樣可以讓散熱速度降低；強(qiáng)化鋁合金焊接時(shí)，應(yīng)使用鋁制的夾具，這樣可以讓熱量散發(fā)地更快。

（11）縱縫的裝配夾具組合裝配裝置可用琴鍵式，縱縫在裝配時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)利用加縫，以增大縱縫之間的間隙，以便利用縱縫的焊后裝配工作機(jī)具，有效地?cái)U(kuò)大間隙和切割的預(yù)留空間；對(duì)于一些環(huán)縫（包括圓形縫的凸緣、法蘭等）要充分利用縱縫的焊后角或斜角后的扳邊，因?yàn)檫@些縱縫在焊后容易發(fā)生變形。

（12）對(duì)焊縫冷卻反應(yīng)速度的直接影響也是選擇墊板材料時(shí)必須去仔細(xì)考慮的一個(gè)重要因素。比如當(dāng)所用焊件厚度比較大或者焊接墊板裝配時(shí)的間隙也比較大時(shí)，可以考慮使用一些粘性劑或土壤將裝配間隙全部封死，在完成焊接之后去除即可。

6 焊接要求

（1）鋁合金焊接前一個(gè)重要步驟為預(yù)熱，因鋁材加工時(shí)會(huì)激發(fā)材料的氧化性及導(dǎo)熱性，所以通常應(yīng)用的焊接方式為手工電弧、氬極電弧，若需進(jìn)行焊接鋁合金材料厚度超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則必須進(jìn)行焊接前預(yù)熱處理，同時(shí)控制好預(yù)熱溫度，溫度維持在100℃以下，鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)因焊接材料層間超過預(yù)熱層，因此溫度也要控制在100℃以下。根據(jù)選用鋁合金板材的實(shí)際情況，應(yīng)用遠(yuǎn)紅外線板、抗氧化火焰進(jìn)行焊接加熱。

（2）合金焊接期間嚴(yán)格把控焊絲填入位置，正確位置應(yīng)為電弧正上方，焊接熔池電弧邊緣是焊接線條固定最佳位置，距離焊接熔池較近位置，要求熔池表面高于焊絲填入點(diǎn)，可降低母材熔化概率，金屬不易氧化。

（3）當(dāng)焊接完成后回收焊絲時(shí)，不能在沒有保護(hù)氣體的環(huán)境下將焊絲露出來，焊絲如果直接接觸到空氣，就會(huì)跟空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氧化鋁，將被氧化的焊絲再次運(yùn)送回熔池中就會(huì)導(dǎo)致熔池被污染。在每次焊接準(zhǔn)備過程中，如果與鎢極點(diǎn)完全接觸或碰到進(jìn)入焊縫中的金屬，應(yīng)立即停止焊接，用金屬磨頭迅速清除金屬污染，修磨焊縫鎢極；在每次焊前或焊接準(zhǔn)備過程中，都應(yīng)該把焊絲端部被氧化的部分完全清除掉方能進(jìn)行焊接。

（4）充填弧坑，保證焊接接觸位置達(dá)到焊透狀態(tài)。

（5）在普通的熄弧焊機(jī)上應(yīng)用堆高加壓熄弧方式：堆高過程中將電弧進(jìn)行抬升，當(dāng)電弧熄滅時(shí)停止加壓抬高電弧，未進(jìn)行堆高處理的焊縫出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，必要時(shí)進(jìn)行加壓填充熄弧焊絲。熄弧焊機(jī)裝設(shè)自動(dòng)衰減熄弧裝置，此時(shí)采用堆高熄弧方法效果較好。

7 焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

鋁合金材料焊接的有些發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)是顯而易見的：不斷逐步提高國(guó)民生產(chǎn)力；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械焊接全自動(dòng)化；繼續(xù)努力尋找更加有效率的現(xiàn)代焊接設(shè)備和工藝。通過新工藝的出現(xiàn)以及使用的高強(qiáng)度不銹鋼和優(yōu)質(zhì)鋁合金的數(shù)量增多，整體焊接構(gòu)件上的重量大大減輕。在國(guó)際焊接展上，我們能清楚地看到現(xiàn)代電子元件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代數(shù)字通訊技術(shù)的快速發(fā)展，影響著現(xiàn)代焊接設(shè)備的不斷發(fā)展。諸如混合激光熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊和攪拌摩擦焊新工藝已經(jīng)出現(xiàn)，傳統(tǒng)的熱熔鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊、熔化極惰性氣體渦流保護(hù)電弧焊以及埋弧摩擦焊等工藝毫無(wú)疑問將逐步被這些新工藝所取代。

8 結(jié)論

鋁材及其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)在我國(guó)現(xiàn)代建筑工業(yè)及其他高科技領(lǐng)域已得到愈來越來越廣泛的應(yīng)用，并已作為一種不可或缺的結(jié)構(gòu)材料，成為推動(dòng)我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)快速發(fā)展的重要組成部分。對(duì)鋁及其他鋁合金材料在整體結(jié)構(gòu)、性能、材料焊接等方面的特性進(jìn)行深入研究，不僅能充分認(rèn)識(shí)鋁及其它鋁合金材料的獨(dú)特之處、材料特點(diǎn)和焊接性能，因此我們一定要通過本論文更好的深入了解并全面掌握各種鋁及鋁合金材料所具有的獨(dú)特焊接性能，并充分了解鋁合金材料的具體情況，并充分掌握各種鋁合金材料的焊接性能，也希望能在此基礎(chǔ)上去不斷地探索研究新的鋁合金構(gòu)件焊接技術(shù)。