鋁合金焊工理論培訓(xùn)

1、編制 姜英祿 能夠掌握鋁合金的焊接特點(diǎn)，合理選擇焊接材 料、焊接工藝，以提高鋁合金的焊接質(zhì)量。 目目 錄錄 第一節(jié) 鋁合金概述 一、鋁合金的分類和牌號(hào) 二、鋁合金的特性 第二節(jié) 鋁合金的焊接特點(diǎn)及工藝 一、鋁合金的焊接特點(diǎn) 二、鋁合金焊接方法 三、鋁合金焊接材料 四、鋁合金焊接保護(hù)氣體 五、鋁合金TIG焊用鎢極 六、鋁合金對(duì)接焊坡口 七、焊前準(zhǔn)備及焊后處理 八、鋁合金的焊接工藝 第三節(jié) 鋁合金的工藝評(píng)定 一、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 二、試板 鋁及鋁合金 變形鋁 工業(yè)純鋁 熱處理強(qiáng)化 鋁合金 鑄造鋁合金 非熱處理強(qiáng)化鋁合金 （防銹鋁合金）Al-Mg合金 Al-Mn合金 鍛鋁Al-Cu-Mg-Si合金 硬鋁Al

2、-Cu-Mg合金 Al-Cu-Mn合金 超硬鋁Al-Zn-Mg-Cu合金 工業(yè)純鋁 1A85、1050A、1060和1200。 Al-Cu合金 2014。 Al-Mn合金 3003和3004。 Al-Si合金 4003 Al-Mg合金 5A02、5A03、5A05、5052、5058和5086。 Al-Mg-Si合金 6A02、6061和6063。 Al-Zn-Mg-Cu合金 7系 鋁（Al）的密度為2.7g/cm3，比銅輕2/3，鋁為銀白色的輕金屬， 熔點(diǎn)為658，電導(dǎo)率僅次于金、銀、銅而位居第四位。純鋁具有面 心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，無(wú)低溫脆性轉(zhuǎn)變， 但強(qiáng)度低。鋁合金的線

3、脹系數(shù)較大。 鋁在空氣和氧化性水溶液介質(zhì)中，其表面較易產(chǎn)生致密的氧化鋁 鈍化膜，它在一些氧化性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性。在高溫濃硝酸 中，純鋁的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼。鋁材常作為耐蝕容器材料。 對(duì)一些腐蝕性不太強(qiáng)，但要求防鐵污染的介質(zhì)，如化纖生產(chǎn)介 質(zhì)等，鋁有較好的耐蝕性，而且沒(méi)有鐵污染物料，因此，鋁材常作 為防鐵污染的容器的材料。其他有色金屬容器也能防鐵污染，但鋁 最便宜 鋁是面心立方晶格，沒(méi)有同素異構(gòu)體，低溫下不存在像鐵素體 鋼那樣的脆性轉(zhuǎn)變，鋁容器的最低設(shè)計(jì)溫度可達(dá)-269。鋁材常作 為低溫容器的材料。鋁鎂合金中的鎂含量較高時(shí)，會(huì)以金屬間化合 物Mg2Al3和Mg5Al8在晶間析出，使鋁鎂合金在

4、某些介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力 腐蝕敏感性，只有在65以下使用才不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，因此含鎂 量超過(guò)了3的鋁鎂合金規(guī)定設(shè)計(jì)溫度不超過(guò)65。析出相過(guò)多也會(huì) 降低沖擊韌性，因此含鎂量超過(guò)3的鋁鎂合金及其焊接接頭應(yīng)檢驗(yàn) 沖擊韌性。其他鋁和鋁容器，包括低溫鋁容器均不要求進(jìn)行沖擊韌 性檢驗(yàn) 由于鋁鎂硅合金固溶時(shí)效狀態(tài)強(qiáng)度高，塑性也較好，焊接性好， 焊接接頭在焊后狀態(tài)仍能保持較高的強(qiáng)度，因而常用作容器用高強(qiáng) 度鋁合金。鋁，特別是純鋁的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力很低，在小的載 荷下即會(huì)產(chǎn)生塑性變形。鋁容器在使用與運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)留意碰撞變形 為了得到好的塑性，純鋁、鋁錳合金和鋁鎂合金的變形鋁材都只 在退火狀態(tài)或熱作狀態(tài)使用，不采用冷作

5、狀態(tài)。熱作狀態(tài)鋁的焊接 接頭，焊接熱對(duì)熱影響區(qū)有退火作用，因而其許用應(yīng)力也只取退火 狀態(tài)鋁材的許用應(yīng)力。只有鋁鎂硅合金和鋁銅合金的鋁材才采用固 溶時(shí)效狀態(tài)，以保證其高強(qiáng)度。 由于鋁合金的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，熱導(dǎo)率很大，容易造成鋁合 金產(chǎn)生未熔合缺陷，在焊接生產(chǎn)中的主要問(wèn)題有以下幾個(gè)： 主要問(wèn)題 1.鋁的比熱和熱導(dǎo)率比鋼大 2.線膨脹系數(shù)較大 3.鋁和氧的親和力大 4.容易產(chǎn)生氣孔 5.鋁合金熔化時(shí)無(wú)色澤變化 6.焊接熱裂紋 7.焊接接頭的等強(qiáng)性 8.焊接接頭的耐蝕性 鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，天生的氧化鋁（Al2O3）熔點(diǎn)高、 非常穩(wěn)定，不易往除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大， 不易浮

6、出表面，易天生夾渣、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)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學(xué) 或機(jī)械方法進(jìn)行嚴(yán)格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過(guò)程加 強(qiáng)保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)，選用交流電源，通過(guò)“陰極 清理”作用，往除氧化膜。氣焊時(shí)，采用往除氧化膜的焊劑。在厚 板焊接時(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(hù)，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)焊，在直流正接 情況下，可不需要“陰極清理”。 鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍 多。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過(guò)程中，大量 的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而

7、焊接鋁及鋁合金時(shí)，能 量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無(wú)謂消耗于金屬其 他部位，這種無(wú)用能量的消耗要比鋼的焊接更為明顯，為了獲得高 質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時(shí)也 可采用預(yù)熱等工藝措施。 鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝 固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù) 防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時(shí)輕易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂 紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施 防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性答應(yīng)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)熱裂傾向 較大，隨著硅含量

8、增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，活動(dòng)性明顯進(jìn)步， 收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含硅56 時(shí)可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi條(硅含量456)焊絲會(huì) 有更好的抗裂性。 鋁對(duì)光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯的光彩 變化，焊接操縱時(shí)判定難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，輕易 焊穿。 鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)幾乎不溶解氫。在焊 接熔池凝固和快速冷卻的過(guò)程中，氫來(lái)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(lái)源。因此，對(duì)氫的來(lái)源要嚴(yán)格控制，以防止氣 孔的形成。 合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。 母材

9、基體金屬如為變形強(qiáng)化或固溶時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接熱會(huì)使熱 影響區(qū)的強(qiáng)度下降。 鋁為面心立方晶格，沒(méi)有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過(guò)程中沒(méi)有相變， 焊縫晶粒易粗大，不能通過(guò)相變來(lái)細(xì)化晶粒。 鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊接工藝性能外，按容器 要求應(yīng)使對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度、塑性(通過(guò)彎曲試驗(yàn))達(dá)到規(guī)定要求， 對(duì)含鎂量超過(guò)3的鋁鎂合金應(yīng)滿足沖擊韌性的要求，對(duì)有耐蝕要求 的容器，焊接接頭的耐蝕性還應(yīng)達(dá)到或接近母材的水平。因而焊絲 的選用主要按照下列原則： 1）純鋁焊絲的純度一般不低于母材； 2）鋁合金焊絲的化學(xué)成分一般與母材相應(yīng)或相近； 3）鋁合金焊絲中的耐蝕元素(鎂、錳、硅等)的含量一般不低于母材； 4）異種

10、鋁材焊接時(shí)應(yīng)按耐蝕較高、強(qiáng)度高的母材選擇焊絲； 5）不要求耐蝕性的高強(qiáng)度鋁合金(熱處理強(qiáng)化鋁合金)可采用異種成 分的焊絲，如抗裂性好的鋁硅合金焊絲SAlSi一1等(留意強(qiáng)度可能低 于母材)。 保護(hù)氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。交流加高頻TIG焊時(shí)，采用大 于999純氬氣，直流正極性焊接宜用氦氣。MIG焊時(shí)，板厚75 mm時(shí)推薦采用添加5075氦氣的氬氣。氬氣 應(yīng)符合GBT 4842?995純氬的要求。氬氣瓶壓低于0.5 MPa后 壓力不足，不能使用 氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔 點(diǎn)和沸點(diǎn)高，不易熔化揮發(fā)，電極燒損及尖真?zhèn)€污染較少，但電子 發(fā)射能力較差。在純鎢中加進(jìn)1

11、2氧化釷的電極為釷鎢極，電 子發(fā)射能力強(qiáng)，答應(yīng)的電流密度高，電弧燃燒較穩(wěn)定，但釷元素具 有一定的放射性，使用時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。在純鎢中加進(jìn)1.8 2.2的氧化鈰(雜質(zhì)0.1)的電極為鈰鎢極。鈰鎢極電子逸出 功低，化學(xué)穩(wěn)定性高，答應(yīng)電流密度大，無(wú)放射性，是目前普遍采 用的電極。鋯鎢極可防止電極污染基體金屬，尖端易保持半球形， 適用于交流焊接。 （1)機(jī)械清理 先用有機(jī)溶劑（汽油或丙酮）擦拭待焊處的 表面，細(xì)銅絲刷或不銹鋼絲刷、各種刮刀，將待焊處的表面 刷凈。 機(jī)械清理方法主要適用：去除鋁合金表面的氧化膜、各 種銹蝕在鋁合金表面的污染，以及在軋制生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的 氧化皮等。常用于大尺寸的焊件

12、表面、焊接生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、 多層焊接、以及經(jīng)過(guò)化學(xué)清理后又被污染的焊件清理。 1.焊前清理 焊前清理主要有機(jī)械清理和化學(xué)清理兩種方法。 1.焊前清理 鋁及鋁合金焊接時(shí)，焊前應(yīng)嚴(yán)格清除工件焊口及焊絲表面的 氧化膜和油污，清除質(zhì)量直接影響焊接工藝與接頭質(zhì)量，如焊縫 氣孔產(chǎn)生的傾向和力學(xué)性能等。常采用化學(xué)清洗和機(jī)械清理兩種 方法 1.焊前清理 （1)化學(xué)清理 化學(xué)清洗效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及尺寸不大、成批 生產(chǎn)的工件?？捎媒捶ê筒料捶▋煞N?？捎帽?、汽油、煤油 等有機(jī)溶劑表面往油，用4070的510NaOH溶液堿洗 3 min7 min(純鋁時(shí)間稍長(zhǎng)但不超過(guò)20 min)，活動(dòng)凈水沖洗，接

13、 著用室溫至60的30HNO3溶液酸洗1 min3 min，活動(dòng)凈水 沖洗，風(fēng)干或低溫干燥。 1.焊前清理 純鋁純鋁6 6101040405050101020202 23030室溫室溫2 23 32 2風(fēng)干或風(fēng)干或 100100150150 鋁合金鋁合金6 61010505070703 37 72 23030室溫室溫2 23 32 2風(fēng)干或風(fēng)干或 100100150150 被清被清 洗材洗材 料料 （1)化學(xué)清理 1.焊前清理 （2)機(jī)械清理 在工件尺寸較大、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、多層焊或化學(xué)清洗后又沾污時(shí)，常 采用機(jī)械清理。先用丙酮、汽油等有機(jī)溶劑擦試表面以除油，隨后直 接用直徑為0.15 mm0.

14、2 mm的銅絲刷或不銹鋼絲刷子刷，刷到露出 金屬光澤為止。一般不宜用砂輪或普通砂紙打磨，以免砂粒留在金屬 表面，焊接時(shí)進(jìn)進(jìn)熔池產(chǎn)生夾渣等缺陷。另外也可用刮刀、銼刀等清 理待焊表面。 機(jī)械清理方法主要適用：去除鋁及鋁合金表面的氧化膜、各種銹蝕在 鋁及鋁合金表面的污染，以及在軋制生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氧化皮等。常 用于大尺寸的焊件表面、焊接生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、多層焊接、以及經(jīng)過(guò)化 學(xué)清理后又被污染的焊件清理。 1.焊前清理 工件和焊絲經(jīng)過(guò)清洗和清理后，在存放過(guò)程中會(huì)重新產(chǎn)生氧化膜，特 別是在濕潤(rùn)環(huán)境下，在被酸、堿等蒸氣污染的環(huán)境中，氧化膜成長(zhǎng)得 更快。因此，工件和焊絲清洗和清理后到焊接前的存放時(shí)間應(yīng)盡量縮 短

15、，在天氣濕潤(rùn)的情況下，一般應(yīng)在清理后4 h內(nèi)施焊。清理后如存放 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(如超過(guò)24 h)應(yīng)當(dāng)重新處理。 2.焊接墊板 在焊縫的背面用墊板來(lái)托住熔化、軟化的鋁合金焊件，墊板 的材料有不銹鋼、石墨和碳鋼等。 鋁及鋁合金在高溫時(shí)強(qiáng)度很低，液態(tài)鋁的活動(dòng)性能好，在焊接 時(shí)焊縫金屬輕易產(chǎn)生下塌現(xiàn)象。為了保證焊透而又不致塌陷，焊 接時(shí)常采用墊板來(lái)托住熔池及四周金屬。墊板可采用石墨板、不 銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開(kāi)一個(gè)圓弧形槽， 以保證焊縫反面成型。也可以不加墊板單面焊雙面成型，但要求 焊接操縱熟練或采取對(duì)電弧施焊能量嚴(yán)格自動(dòng)反饋控制等先進(jìn)工 藝措施 薄、小鋁件一般不用預(yù)熱，厚度10 mm1

16、5 mm時(shí)可進(jìn)行焊前預(yù)熱， 根據(jù)不同類型的鋁合金預(yù)熱溫度可為100200，可用氧一乙炔焰、 電爐或噴燈等加熱。預(yù)熱可使焊件減小變形、減少氣孔等缺陷 3.焊前預(yù)熱 鑒別溫度的方法 用TEMPILSTIK溫度測(cè)試蠟筆 用氧乙炔火焰的強(qiáng)碳化焰噴焊件的待焊處 4.焊后清理 焊后清理 焊后留在焊縫及四周的殘存焊劑和焊渣等會(huì)破壞鋁 表面的鈍化膜，有時(shí)還會(huì)腐蝕鋁件，應(yīng)清理干凈。外形簡(jiǎn)單、要 求一般的工件可以用熱水沖洗或蒸氣吹刷等簡(jiǎn)單方法清理。要求 高而外形復(fù)雜的鋁件，在熱水中用硬毛刷洗擦后，再在60 80左右、濃度為23的鉻酐水溶液或重鉻酸鉀溶液中浸洗5 min10 min，并用硬毛洗擦刷，然后在熱水中沖洗

17、擦滌，用烘箱 烘干，或用熱空氣吹干，也可自然干燥。 4.焊后清理 焊后熱處理 鋁容器一般焊后不要求熱處理。假如所用鋁材在 容器接觸的介質(zhì)條件下確有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性，需要通過(guò)焊 后熱處理以消除較高的焊接應(yīng)力，來(lái)使容器上的應(yīng)力降低到產(chǎn)生 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界應(yīng)力以下，這時(shí)應(yīng)由容器設(shè)計(jì)文件提出特別 要求，才進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。如需焊后退火熱處理，對(duì)于 純鋁、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等，推 薦溫度為345；對(duì)于2014、2024、3003、3004、5056、5083、 5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等，推薦溫度為415；

18、對(duì)于2017、2A11、6A02等，推薦溫度為360，根據(jù)工件大小與 要求，退火溫度可正向或負(fù)向各調(diào)2030，保溫時(shí)間可在0.5 h2 h之間。 （1）點(diǎn)焊和縫焊的工藝要點(diǎn) 點(diǎn)焊和縫焊的工藝要點(diǎn) 1）多用于搭接接頭，厚度在4mm以下，間隙每100mm長(zhǎng)，間 隙不大于0.3mm。 2）采用鍛壓和二次脈沖電流的焊接參數(shù) 3）鋁合金板材各個(gè)焊點(diǎn)之間，要有間隙。(鋁合金點(diǎn)焊最小的 搭邊寬度、焊點(diǎn)間距和排間距見(jiàn)表3-21。) 4）點(diǎn)焊剛度較大的焊件時(shí)，焊前應(yīng)對(duì)焊件采取預(yù)壓力的措施。 5）塑性較好的合金焊接時(shí)，應(yīng)采用小的焊接壓力。 6）適當(dāng)增加焊接壓力和焊接時(shí)間，可以防止焊接飛濺。 7）鋁合金焊接時(shí)，滾盤

19、電極的壓力與焊接同樣厚度的低碳鋼 的壓力接近，焊接速度比鋼的焊接速度低，并且隨著焊件 的厚度的增加而減小。 8）鋁合金焊前進(jìn)行清理后，在空氣中存放時(shí)間不要過(guò)長(zhǎng)。 9）縫焊參數(shù)的選擇原則上與點(diǎn)焊相同，但是，縫焊盡量選用硬 參數(shù)，即：縫焊的電流比點(diǎn)焊的電流要大20%30%、通電時(shí) 間要減小30%50%、而電極壓力要增大10%25%。 1.氬弧焊（TIG焊） (2)熔化極氬弧焊工藝要點(diǎn) 焊接電流大，熱量集中，熔深大，焊 接速度相應(yīng)地增加，生產(chǎn)率比手工鎢極氬弧焊提高近20倍，適用于 中等厚度較規(guī)則的縱焊縫、環(huán)焊縫及平焊位置的鋁合金的焊接。 (3)焊接參數(shù) 手工鎢極氬弧焊接參數(shù)見(jiàn)表3-18。純鋁、鋁鎂合金 焊接參數(shù)見(jiàn)表3-19。純鋁、鋁鎂合金、硬鋁自動(dòng)熔化極氬弧焊的焊 接參數(shù)見(jiàn)表3-20。 2.氬弧焊（TIG焊） (1)手工鎢極氬弧焊工藝要點(diǎn) 手工鎢極氬弧焊（手工TIG焊）焊接 方法適用于焊接0.55.0mm的鋁合金焊件，機(jī)械化鎢極氬弧焊可以 焊接112mm的環(huán)縫或縱縫。 1）引弧要點(diǎn)：鋁合金手工鎢