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    鋁及鋁合金的焊接方法

    作者:創(chuàng )(chuàng )始人 日期:2022-08-18 人氣:26426

    鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn)(diǎn)

        
    1)鋁在空氣中及焊接時(shí)(shí)極易氧化,生成的氧化鋁(Al2O3)熔點(diǎn)(diǎn)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(chǎn)(chǎn)生氣孔。焊接前應采用化學(xué)(xué)或機械方法進(jìn)(jìn)行嚴格表面清理,清除其表面氧化膜。在焊接過(guò)(guò)程加強保護,防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)(shí),選用交流電源,通過(guò)(guò)陰極清理作用,去除氧化膜。氣焊時(shí)(shí),采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時(shí)(shí),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(guò)(guò)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(shí)(shí),能量除消耗于熔化金屬熔池外,還要有更多的熱量無(wú)(wú)謂消耗于金屬其他部位,這種無(wú)(wú)用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著(zhù)(zhù),為了獲得高質(zhì)(zhì)量的焊接接頭,應當盡量采用能量集中、功率大的能源,有時(shí)(shí)也可采用預熱等工藝措施。

        
    3)鋁及鋁合金的線(xiàn)(xiàn)膨脹系數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)(shí)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(shí)(shí)容易產(chǎn)(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。生產(chǎn)(chǎn)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(chǎn)(chǎn)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(shí)(shí)熱裂傾向較大,隨著(zhù)(zhù)硅含量增加,合金結晶溫度范圍變小,流動(dòng)(dòng)性顯著(zhù)(zhù)提高,收縮率下降,熱裂傾向也相應減小。根據生產(chǎn)(chǎn)經(jīng)(jīng)驗,當含硅5%~6%時(shí)(shí)可不產(chǎn)(chǎn)生熱裂,因而采用SAlSi條(硅含量4.5%~6%)焊絲會(huì )(huì )有更好的抗裂性。

        
    4)鋁對光、熱的反射能力較強,固、液轉態(tài)(tài)時(shí)(shí),沒(méi)(méi)有明顯的色澤變化,焊接操作時(shí)(shí)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(tài)(tài)能溶解大量的氫,固態(tài)(tài)幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過(guò)(guò)程中,氫來(lái)(lái)不及溢出,極易形成氫氣孔?;≈鶜夥罩械乃?、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(lái)(lái)源。因此,對氫的來(lái)(lái)源要嚴格控制,以防止氣孔的形成。


     (6)合金元素易蒸發(fā)(fā)、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(shí)(shí)效強化時(shí)(shí),焊接熱會(huì )(huì )使熱影響區的強度下降。

        
    8 鋁為面心立方晶格,沒(méi)(méi)有同素異構體,加熱與冷卻過(guò)(guò)程中沒(méi)(méi)有相變,焊縫晶粒易粗大,不能通過(guò)(guò)相變來(lái)(lái)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(chǎng)(chǎng)合。氣焊和焊條電弧焊方法,設備簡(jiǎn)(jiǎn)單、操作方便。氣焊可用于對焊接質(zhì)(zhì)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(TIGMIG)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(lái)(lái)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(wú)(wú)磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)(diǎn)而被廣泛地應用于各種焊接結構產(chǎn)(chǎn)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(lǐng)(lǐng)域外,同時(shí)(shí)還越來(lái)(lái)越多的應用于石油化學(xué)(xué)工業(yè)(yè)。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(guò)(guò)程中,易出現氧化、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷等問(wèn)(wèn)題。此類(lèi)(lèi)材質(zhì)(zhì)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(guò)(guò)程中必須解決的問(wèn)(wèn)題。 


    2鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點(diǎn)(diǎn)


    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0.10.2 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(lái)(lái)了困難,這是由于氧化鋁的熔點(diǎn)(diǎn)(2050)遠遠超過(guò)(guò)了鋁的熔點(diǎn)(diǎn)(600左右),比重約為鋁的1.4倍。在焊接過(guò)(guò)程中,會(huì )(huì )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(shí)(shí)會(huì )(huì )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(shí)(shí),比鋼管焊接要消耗更多的熱量,為得到高質(zhì)(zhì)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(tài)(tài)時(shí)(shí)能大量吸收和溶解氫,在熔融狀態(tài)(tài)下溶解度為0.0069ml/g,而在高溫凝固狀態(tài)(tài)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47倍,使金屬結晶加快,焊接熔池在快速冷卻過(guò)(guò)程中,氫的溶解度急劇下降,此時(shí)(shí)析出大量過(guò)(guò)飽和氣體,氫氣來(lái)(lái)不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此,在焊接鋁材時(shí)(shí),焊縫產(chǎn)(chǎn)生氣孔的傾向很大。


    2.4 易形成熱裂紋  


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


    2.5 燒穿和塌陷  


    鋁及鋁合金由固態(tài)(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)(tài)時(shí)(shí).由于沒(méi)(méi)有明顯的顏色變化,所以,不易判斷熔池的溫度。焊接時(shí)(shí),常因溫度過(guò)(guò)高不易被察覺(jué)(jué)而導致燒穿或嚴重塌陷。 


    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(wú)(wú)毛刺和飛邊。坡口的形式一般為V型,無(wú)(wú)鈍邊,坡口角度7075為宜。不同壁厚的對接焊應有14O的過(guò)(guò)渡段。


    3.2 焊前準備  


    焊前將焊絲、焊管坡口及其坡口內外各3050mm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(xué)(xué)法,坡口易采用機械法,試管也采用化學(xué)(xué)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?;瘜W(xué)(xué)法。是用約70 510%NaOH溶液浸泡3060秒后,或用常溫510%NaOH溶液浸泡3分鐘。接著(zhù)(zhù)用約15%HNO3(常溫)浸泡2分鐘左右后用溫水清洗?;蠐美淥疀_洗,再使其完全干燥。對已經(jīng)(jīng)可靠表面處理、并未被氧化或受污染的焊絲,不再進(jìn)(jìn)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(wú)(wú)有效的防護措施,應在8小時(shí)(shí)內施焊。否則應重新進(jìn)(jìn)行清理。管道組對時(shí)(shí),應做到內壁平齊,無(wú)(wú)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11.5mm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(jīng)(jīng)計量部門(mén)(mén)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(chǎng)(chǎng)所應保持清潔。除應有防風(fēng)(fēng)、防雨雪設施外,還應保證焊接時(shí)(shí)的相對濕度≤80%,環(huán)(huán)境溫>5。  


    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0120101217。


    4.2組對與點(diǎn)(diǎn)固焊  


    由于鋁及鋁合金管導熱快、熔池結晶快,所以.組對時(shí)(shí)不留間隙、鈍邊,應避免強制進(jìn)(jìn)行,以減少焊接后產(chǎn)(chǎn)生較大的殘余應力,定位焊縫長(cháng)(cháng)度10-15mm為易。定位焊位置在管的7點(diǎn)(diǎn)、9點(diǎn)(diǎn)、12點(diǎn)(diǎn)處。定位焊焊縫常做為正式焊縫保留,因此發(fā)(fā)現問(wèn)(wèn)題應及時(shí)(shí)處理。焊前對定位焊表面黑粉、氧化膜進(jìn)(jìn)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(wú)(wú)氣孔后再進(jìn)(jìn)行正式焊接。采用高頻引弧,起弧點(diǎn)(diǎn)應越過(guò)(guò)中心線(xiàn)(xiàn)20mm左右,并停留不動(dòng)(dòng)約2-3秒,見(jiàn)(jiàn)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(dòng)(dòng),焊絲端部不應離開(kāi)(kāi)氬氣保護區。如離開(kāi)(kāi)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80O90O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(zhù)(zhù)時(shí)(shí)。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(shí)(shí).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(chǎn)(chǎn)生。這主要是由于在焊接過(guò)(guò)程中以較快速度焊透焊縫,熔化金屬受熱時(shí)(shí)間短,吸收氣體的機會(huì )(huì )少。收弧時(shí)(shí),注意填滿(mǎn)(mǎn)弧坑,縮小溶池,避免產(chǎn)(chǎn)生縮孔,終點(diǎn)(diǎn)的結合處應焊過(guò)(guò)20~30mm。?;『?,要延遲停氣6秒??尚D的鋁及鋁合金管對接平焊時(shí)(shí).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(shí)(shí)??剎惶羆雍附z。但以后的焊層需加焊絲。  


    焊接檢驗  


    HGJ222--92《鋁及鋁合金焊接技術(shù)(shù)規范》對所有焊縫進(jìn)(jìn)行表面和射線(xiàn)(xiàn)探傷檢查。


    實(shí)(shí)施效果  


    采用上述焊接工藝,實(shí)(shí)際的焊接施工中氣孔和燒穿問(wèn)(wèn)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(wèn)(wèn)題,這主要依靠操作者的感覺(jué)(jué),對操作者的技術(shù)(shù)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(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(xié)(xié))加工,但發(fā)(fā)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(diǎn)(diǎn)1,但釬劑配制質(zhì)(zhì)量的好壞直接影響釬焊質(zhì)(zhì)量的好壞,而成品氟化物釬劑具有長(cháng)(cháng)期穩定的活性2。鋁硅鍶鑭釬料流動(dòng)(dòng)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(dòng)(dòng)爐體和推車(chē)(chē)三部分組成,如圖2所示。

    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(chē)(chē)移出?工件放置
    ?
    推車(chē)(chē)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(yè)(yè)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(yè)(yè)調節器(溫度和時(shí)(shí)間),由調節器控制可控硅模塊,通過(guò)(guò)調整一個(gè)(gè)固定的時(shí)(shí)間內可控硅通斷比例來(lái)(lái)實(shí)(shí)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(guò)(guò)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(shí)(shí)間的曲線(xiàn)(xiàn),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(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)。


    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(jìn)(jìn)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(shí)(shí)間的變化曲線(xiàn)(xiàn)。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(mǎn)(mǎn)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(jìn)(jìn)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αA1Si共晶組織,但由于鋁硅鍶鑭釬料中鍶鑭的變質(zhì)(zhì)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。

    3 爐膛和工件溫度隨時(shí)(shí)間變化曲線(xiàn)(xiàn)

    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(jìn)(jìn)行交變濕熱試驗,周期為48h,釬縫表面保持金屬光澤,無(wú)(wú)腐蝕現象發(fā)(fā)生。

    4 生產(chǎn)(chǎn)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(guò)(guò)程穩定,可操作性好,釬焊后的工件經(jīng)(jīng)檢驗,釬縫連續、圓角飽滿(mǎn)(mǎn)、沒(méi)(méi)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(diǎn)(diǎn)。
    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(zhì)(zhì)量良好,完全能滿(mǎn)(mǎn)足散熱器生產(chǎn)(chǎn)需要。


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