铝和铝合金的焊接

铝和铝合金的焊接石油化工铝制料仓施工质量验收规范SH/T3513—2009石油化工铝制料仓施工技术规程SH/T3605—20091应用1）大型空分装置冷箱中主塔（分馏塔）等塔类设备均为铝镁合金材质。2）铝料仓3）煤化工装置中的工艺管道等。2、焊接特性分析1）强的氧化能力铝和氧的亲和力很强,在空气极易生成致密的Al2O3薄膜,Al2O3的熔点高达2050℃,远远超过铝和铝合金的熔点(500℃～600℃)。Al2O3的相对密度较大，在焊接过程中阻碍金属之间的良好的结合，引起氧化膜夹渣或未熔合。氧化膜还会吸附水份，焊接时会促使焊缝生成气孔。在横焊或仰焊的特定位置下，这些气孔在凝固过程中上升至焊缝上部熔合线附近，被上部固态金属阻挡而无法逸出，因而在焊缝上部形成链状气孔。（2）较高的热导率和比热容大铝和铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低合金钢的两倍多。在焊接过程中，由于高的热导率使热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时采用预热的措施。（3）热裂倾向大线膨胀系数大，约为碳素钢和低合金钢的两倍。体积收缩率较大，达6.5%左右,铁约为3.5%。这样由于过大的收缩内应力而导致焊接熔池凝固时容易产生缩孔、热裂纹。生产中可采取调整焊丝的成分与焊接工艺的措施防止热裂纹。（4）气孔敏感性高铝和铝合金熔池很易吸收氢等气体，高温下溶入的大量气体在焊后泠却凝固过程中来不及析出，聚集在焊缝中会形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面的氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。采取的措施：焊前清理母材坡口及焊丝。5）固态液化时无色泽变化焊接时熔池金属由固态变成液态时，没有明显的色泽变化，给焊接者带来不便。（6）低的高温强度和塑性由于高温下的强度和塑性较低，以致于不能支承住液体金属从而导致变形或塌陷。采取的措施：加垫板。3铝与铝合金牌号的分类L-----纯铝（L1~L6）LF防锈铝(Al-Mn、Al-Mg)(LF1~LF7、LF10、LF11、LF21)LT特殊铝（Al-Si）（LT1）LD锻铝（LD1、LD2、LD5~LD10）LY硬铝（LY1、LY2）LC超硬铝（LC2、LC4）中国(GB)国际(ISO)美国(AA)日本(JIS)原苏联(ΓOCT)德国(DIN)英国(BS)法国(NF)LG5-11991N99AB000Al99.98RS1-LG2-10901N90AB1Al99.9--LG1Al99.81080A1080AB2Al99.81A-L1Al99.71070A1070A00Al99.7-1070AL2-1060A1060A0---L3Al99.51050-A1Al99.51B1050AL5-1Al99.01100A1100A2Al99.03L541100L5-1200A1200-Al991C1200LF2AlMg2.55052A5052AMrAlMg2.5N45052LF3AlMg35154A5154AMr3AlMg3N5-LF4AlMg4.5Mn0.75083A5083AMr4AlMg4.5MnN85083LF5-1AlMg55056A5056-AlMg5N6-LF5AlMg5Mn0.45456-Amr5-N61-LF21AlMn1Cu3003A3003AMuAlMnCuN33003LD2-6165A6165AB---LD7AlCu2MgNi26182N01AK4-H162618ALD9-2018A2018AK2---LD10AlCu4SiMg2014A2014AK8AlCuSiMg-2014LD11-4032A4032AK9-38S4032LD30AlMg1SiCu6061A6061AΠ33AlMg1SiCuH206061LD31AlMg0.7Si6063A6063AΠ31AlMgSi0.5H19-LY1AlCu2.5Mg2217A2217AΠ18AlCu2.5Mg0.53L86-LY11AlCu4MgSi2017A2017AΠ1AlCuMg1H152017ALY12AlCu4Mg12024A2024AΠ16AlCuMg2GB-24S2024LC3AlZn7MgCu7174-B94---LC9AlZn5.5MgCu7075A7075-AlZnMgCu1.5L957075LC10-70797N11-AlZnMgCu0.5--LT1AlSi54043A4043AKAlSi5N21-LT17AlSi124047A4047-AlSi12N2-LB1-7072A7072-SlZn1--4焊接材料焊接材料的选择铝及铝合金的焊接材料包括电焊条、焊丝、焊剂、电极和保护气体。1）焊丝按我国国标88及GB10858-2008，焊丝分为电焊条芯及焊丝两个类别。按美国国标ANSI/AWSA5.10-92，焊丝分为电极丝（代号E）及填充丝（代号R）和电极丝、填充丝两者兼用丝（ER）。2）焊接材料选用原则①焊接时生成焊接裂纹的倾向低；②焊接时生成焊缝气孔的倾向低；③焊缝及焊接接头的力学性能（强度、延性）好；④焊缝及焊接接头在使用环境条件下的耐蚀性能好；⑤焊缝金属表面颜色与母材表面颜色能相互匹配。焊丝的性能表现及其适用性需与其预定用途联系起来，以便针对不同的材料和主要的性能要求来选择焊丝。表1：针对不同的材料和性能要求选择焊丝材料按不同性能要求推荐的焊丝要求高强度要求高延性要求焊后阳极化后颜色匹配要求抗海水腐蚀要求焊接时裂纹倾向低1100SAlSi-1SAl-1SAl-1SAl-1SAlSi-12A16SAlCuSAlCuSAlCuSAlCuSAlCu3A21SAlMnSAl-1SAl-1SAl-1SAlSi-15A02SAlMg-5SAlMg-5SAlMg-5SAlMg-5SAlMg-55A05LF14LF14SAlMg-5SAlMg-5LF145083ER5183ER5356ER5356ER5356ER51835086ER5356ER5356ER5356ER5356ER53566A02SAlMg-5SAlMg-5SAlMg-5SAlSi-1SAlSi-16063ER5356ER5356ER5356SAlSi-1SAlSi-17005ER5356ER5356ER5356ER5356X51807039ER5356ER5356ER5356ER5356X5180铝和铝合金焊接焊接纯铝时，可采用同型号纯铝焊丝；焊接铝-锰合金时，可采用同型号铝-锰合金焊丝或纯铝SAl-1焊丝；焊接铝-镁合金时，如果含镁量在3%以上，可采用同系型号焊丝；如果含镁量在3%以下，如5A01及5A02合金，由于其热裂倾向强，应采用高Mg含量的SAlMg5或ER5356焊丝；焊接铝-镁-硅合金时，由于生成焊接裂纹的倾向强，一般应采用SAlSi-1焊丝，如果焊缝与母材颜色不匹配，在结构拘束度不大的情况下，可改用SAlMg-5焊丝；焊接铝-铜-镁、铝-铜-镁-硅合金时，如硬铝合金2A12、2A14，由于焊接时热裂倾向强，一般应采用抗热裂性能好的SAlSi-1、ER4145或BJ-380A焊丝。3）焊丝、焊件的清洗在焊前必须将铝丝、铝板表面上的油污、氧化膜等污物清洗掉。清洗方法如下：a)去油污在清除氧化膜之前，先将铝丝表面、铝板坡口及其两侧(各30mm内)的油污、脏物清洗干净。在生产上一般采用汽油或丙酮、醋酸乙酯、松香水、四氯化碳等溶剂。也可配制一种化学混合液进行脱脂处理，其步骤如下：①在温度为(60～70)℃的混合溶液(工业磷酸三钠(40～50)g，碳酸钠(40～50)g，水玻璃(20～30)g，水1L)中加热(5～8)min；②在50℃左右的热水中冲洗2min；③冷水中冲洗2min。铝和铝合金焊接b)清除氧化膜氧化膜的清理有机械清理及化学清理两种方法。①机械清理在去除油污后，可用不锈钢丝轮、铜丝轮或刮刀，将焊件坡口两侧表面刮净。这种方法较简便，但清理的质量较差，主要用于焊缝质量要求不高、焊件尺寸较大、不易用化学方法清理或化学清理后又被局部污染的焊件。这种方法难于清除焊丝表面的氧化膜。铝和铝合金焊接②化学清理铝及铝合金板材、管子及铝丝化学清理时，先把铝板、铝管及铝丝放入温度为40~60℃、浓度8~10%的氢氧化钠溶液中侵蚀，保持10~15min（对于铝合金只需5min）后取出，用冷水冲洗2min；再置于30%的硝酸溶液中进行光化处理，以中和余碱，避免碱液继续腐蚀铝板、铝管、铝丝；再用流动的冷水冲洗2~3min。清理工作完成后，铝丝应置于150~200℃的烘箱内，随用随取。清理过的焊件、焊丝必须妥善保管，不准随意乱放。铝板坡口清理后宜立即进行装配、焊接，一般不得超过24h。5、焊接方法1）气焊气焊的热功率比电弧焊低，热量分散，因而焊件变形大，生产效率低。且焊缝金属晶粒粗大，组织疏松，容器产生夹渣。实际上被氩焊所取代。2）焊条电弧焊焊条电弧焊的接头质量较差，工业中应用较少，主要用于焊补。3）手工钨极氩弧焊优点：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较高，接头质量较优，可焊接的板厚度为1mm~20mm，是焊接铝和铝合金最普通的方法。缺点：此方法不宜在露天操作。4）熔化极氩弧焊优点：以焊丝为电极，电流比较大，电弧功率大，热量集中，焊接速度快，生产效率高。可焊接厚度为小于50mm。缺点：焊丝直径受送丝系统的限制，且焊缝的气孔敏感性较大。5）熔化极脉冲钨极氩弧焊焊接电流小，参数调节范围广，焊件变形小，适用于薄板焊和全位置焊。常用于2~12mm。6）其它不常用的焊接方法等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、电阻焊等。6焊接工艺1)手工钨极氩弧焊手工钨极氩弧焊时，采用交流电源，利用“阴极破碎作用”清除焊接部位表面上的氧化膜。氩气的纯度必须大于99.99%，含氮量小于0.04%、含氧量小于0.03%、水分小于0.07%，当氮气超过标准值时，焊缝表面会产生淡黄色或草绿色的化合物（氮化物）及气孔，给焊工的操作带来困难；而且当氧气过量时，在熔池表面上还会出现密集的黑点，使电弧不稳定，飞溅较大，水分会导致熔池沸腾，并形成气孔。铝和铝合金焊接a)大于3mm厚的焊件需加工成V形坡口，厚度超过14mm的焊件宜开双V形坡口，厚度超过3mm的管子也应加工成V形坡口。b)组对方式通常有不留间隙、留间隙加垫板和较大间隙（对弧焊)。钨极端部通常烧结成球珠形以利于电弧稳定燃烧。c)板厚超过10mm的焊件焊接时或重要结构定位焊时，应采取预热措施。预热温度的选择主要取决于焊件大小及焊缝金属的冷却速度。板材愈厚，预热温度愈高。一般预热温度控制在200～250℃。多层焊时，要保证层间温度不低于预热温度。铝和铝合金焊接2)熔化极氩弧焊(MIG焊)熔化极氩弧焊（分为自动及半自动）适用于中等厚度、大厚度铝及铝合金板材的焊接，焊接时采用直流反接。采用该方法焊接时焊接速度快，焊接接头热影响区和焊件的变形量小。焊前焊件不必预热，例如厚度达30mm的铝板仅需正、反面各焊接一层。自动熔化极氩弧焊时，气孔的敏感性较大，这与焊丝直径有显著关系，为此，常选用粗的焊丝及较大的焊接电流值，焊丝直径越粗，焊丝的比表面积就越小，反之，越大。用细焊丝焊接时，由铝丝表面带入熔池的氧化膜及表面吸附水等杂质的数量要高于粗丝焊，因此容易产生气孔缺欠。6mm的铝板对接焊时开I形坡口，间隙小于0.5mm，厚度大于8mm的铝板，需加工成V形坡口。铝和铝合金焊接7、铝及铝合金焊接时常见的缺欠铝及铝合金焊缝中常见的缺欠有焊缝成形不良、基体金属的咬边、裂纹、气孔、未焊透、烧穿、夹渣等。1.焊缝成形不良焊缝成形不良表现在熔宽尺寸不一，成形粗糙，且不光亮；接头太多；焊缝中心突起，两边平坦或凹陷；焊缝满溢等。这些缺欠的形成原因主要是与焊工的操作不够熟练，焊接工艺参数选择不当，焊炬角度不正确，氧乙炔火焰或电弧没有严格对准坡口，导电嘴孔径太大（对自动、半自动熔化极氩弧焊而言），焊丝表面、焊条涂料及氩气中含有水分等因素有关。