铝及铝合金的焊接

江苏石油勘探局职工培训处铝及铝合金的焊接江苏油田焊接培训中心孙浩江苏石油勘探局职工培训处1.概述铝合金由于重量轻、强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50%以上。因此，铝及铝合金除广泛的应用于越来越多的领域。但铝合金焊接易出现氧化、气孔、热裂纹、烧穿和塌陷等问题。此类材质是被公认为焊接难度较大的被焊接材料。因此，解决铝及铝合金的这些焊接缺陷是施工过程中必须解决的问题。江苏石油勘探局职工培训处2铝及铝合金的理化性能及焊接特点易氧化铝和氧的亲和力很强。在常温下，铝表面就能被氧化成厚度约0.1～0.2mm致密的Al2O3薄膜。熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。虽然这层氧化铝薄膜比较致密，能防止金属的继续氧化，对自然防腐有利，但它给焊接带来了困难。而且氧化铝薄膜还吸附了较多的水份，焊接时会促使焊缝生成气孔。焊接前应该采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。江苏石油勘探局职工培训处较大的导热率和比热容铝的导热率和比热容约为碳素钢和低合金钢的两倍多，是奥氏体不锈钢的十几倍。焊接过程中，大量的热能被迅速传导到基体金属内部，因此，焊接铝材管时，比钢管焊接要消耗更多的热量，为得到高质量的焊接接头，必需采用能量集中，功率大的热源。有时也可以采用预热等工艺措施。江苏石油勘探局职工培训处易产生热裂纹铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形和热裂纹的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5%～6%时可不产生热裂。江苏石油勘探局职工培训处铝及铝合金固液转态时不明显铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿或严重塌陷。江苏石油勘探局职工培训处易形成氢气孔铝及铝合金的焊接气孔主要氢气孔。铝在液态时能大量吸收和溶解氢，固态几乎不溶解氢。铝的导热系数很大，在相同的焊接工艺条件下，其冷却速度为钢的4～7倍，使金属结晶加快，焊接熔池在快速冷却过程中，氢的溶解度急剧下降，此时析出大量过饱和气体，氢气来不及析出在焊缝金属中形成气孔。因此，在焊接铝材时，焊缝产生气孔的倾向很大。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，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。江苏石油勘探局职工培训处铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。江苏石油勘探局职工培训处2.焊接方法几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）。铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光-电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。江苏石油勘探局职工培训处氩弧焊是焊接铝及铝合金较完善的方法，由于氩气的保护作用和氩离子对氧化膜的阴极破碎作用，氩弧焊可以不用焊剂，这就避免了焊后残渣对接头的腐蚀，此外，焊接时氩气流对焊接区的冲刷，使接头显著冷却，从而改善了接头的组织和性能，但是由于不用焊剂，焊接清理的要求比其他焊接方法要严格一些。氩弧焊可以采用钨极或熔化极，手工或自动（半自动），方法选择是根据工件结构大小或生产条件决定。薄板结构一般用手工钨极氩弧焊，厚板用熔化极氩弧焊，钨极手工氩弧焊时一般使用交流电源，熔化极氩弧焊采用直流电源。江苏石油勘探局职工培训处3.铝合金焊接的难点铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50%以上。铝合金焊接有几大难点:①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍;②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3其熔点为2060℃),这就需要采用大功率密度的焊接工艺;③铝合金焊接容易产生气孔;④铝合金焊接易产生热裂纹;⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形;⑥铝合金热导率大(约为钢的4倍),相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4倍。因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。江苏石油勘探局职工培训处4.焊接材料（1）焊丝铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性(通过弯曲试验)达到规定要求，对含镁量超过3％的铝镁合金应满足冲击韧性的要求，对有耐蚀要求的容器，焊接接头的耐蚀性还应达到或接近母材的水平。因而焊丝的选用主要按照下列原则：1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材；2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近；3）铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材；4）异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝；5）不要求耐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝(注意强度可能低于母材)。江苏石油勘探局职工培训处我们用的ER4043(HS311)焊丝是一种通用性较大的铝硅合金焊丝，焊缝金属具有优良的抗热裂性能，也能保证一定的力学性能但是ER4043不适合焊接铝镁合金，在焊缝中易生成脆性化合物MG2SI，使接头的塑性和耐蚀性降低。江苏石油勘探局职工培训处纯铝(1xxx系列),可焊性很好,对应焊材:ER1100和ER4043铝铜合金(2xxx系列),可焊性较差,对应焊材:ER4043,ER4015,ER23铝锰合金(3xxx系列),可焊性很好,对应焊材:ER4043,ER5356铝硅合金(4xxx系列),一般用于制造焊丝(4043,4047)铝镁合金(5xxx系列),高强度,可焊性很好,(5083-H112单纯加工硬化状态)对应焊丝:ER5356,ER5183等铝镁硅合金(6xxx系列),应用最广,可焊性好,对应焊丝:ER5xxx,ER4xxx.铝锌合金(7xxx系列),高强度,用于飞机制造业,可焊性很差易裂,对应焊丝:ER5356(仅限7005和7039母材)其它铝合金(8xxx系列),可焊性很差江苏石油勘探局职工培训处（2）保护气体保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频TIG焊时，采用大于99．9％纯氩气，直流正极性焊接宜用氦气。MIG焊时，板厚25mm时宜用氩气；板厚25mm～50mm时氩气中宜添加10％～35％的氦气；板厚50mm-75mm时氩气中宜添加l0％～35％或50％的氦气；当板厚75mm时推荐采用添加50％～75％氦气的氩气。氩气应符合GB／T4842-1995《纯氩》的要求。氩气瓶压低于0.5MPa后压力不足，不能使用。江苏石油勘探局职工培训处(3)钨极氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。在纯钨中加入1％～2％氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。在纯钨中加入1.8％～2.2％的氧化铈(杂质≤0.1％)的电极为铈钨极。铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。江苏石油勘探局职工培训处（4）焊剂气焊用焊剂为钾、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物，可去除氧化膜。江苏石油勘探局职工培训处5.焊前准备(1)焊前清理铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。1）化学清洗化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH硝酸溶液洗3min～7min(纯铝时间稍长但不超过20min)，流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％HNO3溶液酸洗1min～3min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。江苏石油勘探局职工培训处2）机械清理在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为0.15mm～0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24h)应当重新处理。江苏石油勘探局职工培训处(2)垫板铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。江苏石油勘探局职工培训处(3)焊前预热薄、小铝件一般不用预热，厚度10mm～15mm时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。江苏石油勘探局职工培训处（4）焊机要求焊机必须是交流TIG焊机，具有陡降的外特性和足够的电容量。并且有参数稳定、调节灵活和安全可靠的使用性能，还应具有引弧、稳弧和消除直流分量装置，焊机上电流、电压表应经计量部门鉴定合格，焊机在使用前，先检查接地是否完好，冷却水路和气路是否畅通，其各项功能须确保能正常工作。焊接场所应保持清洁。江苏石油勘探局职工培训处钨极准备钨极直径可以根据焊接电流大小来选用，选用Ф5.0的铈钨极，它具有电子发射能力强，化学稳定性高的，放射性小，电流承载能力大的优点。焊接时，钨极端头也要磨成平底锥形，但与焊接普通结构钢不同的是，磨制时，钨极头的锥角要大一些，端部锥台直径控制在钨极直径的2/3，然后在铝板上用稍大于正常焊接的电流将钨极端部锥台打成半球形，如图所示。操作中发现，打钨极时，使用比正常施焊小一号的喷嘴，更有利与形成规则的半球形端头。江苏石油勘探局职工培训处6.焊接技术焊接工艺参数的选择铝合金焊接时对焊接质量影响较大的参数主要有:焊接电流、焊接速度、清理比例、交流偏置、氩气流量等.焊接时尽量采用较大的焊接