鋁及鋁合金常用焊接材料與被焊材料

鋁及鋁合金常用焊接材料與被焊材料1焊接保護(hù)氣體1.1保護(hù)氣體類型在鋁及鋁合金的氬弧焊中，焊接材料主要指焊絲、保護(hù)氣體（氬氣、氬氣和氦氣的混合氣）等。1.1.1氬氣氬氣（Ar）是惰性氣體，既不與金屬起反應(yīng)又不溶于液態(tài)金屬，同時(shí)能量損耗低，電弧燃燒穩(wěn)定。在TIG焊和MIG焊中都能保證沒(méi)有飛濺或最小飛濺。由于其密度比空氣大，所以保護(hù)效果非常好。對(duì)氬氣純度的要求：在生產(chǎn)實(shí)際中，鋁合金焊接時(shí)，氬氣的純度應(yīng)大于99.9%以上，其中雜質(zhì)氧和氫含量小于0.005%，氮含量小于0.015%，水分控制在0.02mg/L以下。否則就會(huì)造成合金元素?zé)龘p，焊縫出現(xiàn)氣孔，表面無(wú)光澤、發(fā)渣或發(fā)黑，成形不良等現(xiàn)象。此外，還會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性，導(dǎo)電嘴回?zé)l率加大，使焊絲與母材熔合不好。焊接鋁合金薄板時(shí)，主要使用純氬氣保護(hù)，這主要是因?yàn)榧儦鍤獗Ｗo(hù)時(shí)的熱輸入量較小、熔深淺的原故。1.1.2氦氣氦氣（He）也是惰性氣體，焊接過(guò)程中，吸熱小，熔池停留時(shí)間長(zhǎng)，因此氦氣保護(hù)焊接時(shí)氣孔傾向小。但由于純氦氣保護(hù)焊接時(shí)，電弧穩(wěn)定性差、短路過(guò)渡形式等缺點(diǎn)，故一般不單獨(dú)使用。1.1.3氬－氦混合氣體采用氬氣保護(hù)時(shí)，可使熔滴過(guò)渡非常穩(wěn)定，但采用氬氣和氦氣混合氣體可改善熔深和抗氣孔性能。采用氦氣混合氣可降低預(yù)熱所需費(fèi)用或者甚至不用預(yù)熱。氬－氦混合氣體，其組成為70％的氬氣和30％的氦氣。使用氬氦混合氣體的優(yōu)勢(shì)在于它綜合了兩種保護(hù)氣體的優(yōu)點(diǎn)，既氬氣的電弧穩(wěn)定、能形成射流過(guò)渡、保護(hù)效果好以及氦氣的熱輸入量大、抗氣孔能力強(qiáng)。如果用于大厚度鋁合金板材的焊接或散熱系數(shù)更大的銅合金的焊接時(shí)，可以增加氦氣的含量，常用的氦氣加入量為50％和70％。目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始使用含有微量O2或N2的氦氬混合氣體，其組成通常為1.5%氮?dú)猓ɑ蜓鯕猓?0％氦氣、其余為氬氣。雖然O2或N2不能改善焊透性能，但電離狀態(tài)下，屬于發(fā)熱氣體，可以進(jìn)一步增加焊接熱輸入量，減小預(yù)熱溫度，改善焊縫成型。1.2焊接保護(hù)氣體成份對(duì)焊接效果的影響當(dāng)進(jìn)行鋁及鋁合金焊接時(shí)，焊接保護(hù)氣體的選擇對(duì)生產(chǎn)效率和最終焊縫質(zhì)量都有著重要影響。由于鋁合金對(duì)氫氣和氧氣的高敏感性，因此要采用氬氣和氦氣做保護(hù)氣體。由于成本問(wèn)題,氬氣是鋁合金焊接最廣泛使用的保護(hù)氣體，但是使用氦、氬混合氣體也另有優(yōu)點(diǎn),在重要結(jié)構(gòu)中,要選擇使用。這些優(yōu)點(diǎn)包括：（1）增加熔深和改善焊縫成形；（2）提高焊接速度；（3）可焊接厚度范圍大；（4）降低預(yù)熱溫度；（5）減少氣孔等焊接缺陷。焊接保護(hù)氣體在不同的條件下，按如下原則使用：氬氣一般焊接工作保護(hù)氣體。氬氣70/He30可以減少氣孔性，在中厚壁焊接中，廣泛采用。氬氣50/He50適合更大壁厚。純氬氣保護(hù)焊接鋁合金時(shí)，噪音小，金屬過(guò)渡穩(wěn)定，但是在焊透性和氫感應(yīng)氣孔方面不如氬氦混合物。當(dāng)提高氦、氬混合氣體中氦的含量時(shí)，焊縫熔深將會(huì)從較圓的形狀變?yōu)楠M窄的指狀。也會(huì)使焊縫余高降低、熔深增加。對(duì)于任何厚度的材料，都可以通過(guò)向氬氣中添加氦氣來(lái)提高焊接速度。含氦成分越高，所需相同電弧長(zhǎng)度的弧電壓越高。使用含氦較高的混合氣所產(chǎn)生的高熱量輸入也促進(jìn)了對(duì)較厚工件的焊接。然而，除了自動(dòng)焊以外，高氦含量的混合氣通常不推薦使用在厚度小于3mm的材料上。氦氣流量越高，焊縫的寬度越寬和越平坦。焊縫不再是“手指形狀”了，當(dāng)它與氬氣結(jié)合時(shí)，反而形狀變得更圓、更深。更合理的焊透性能可以保證電弧熔透焊根區(qū)，并允許更快的焊接速度。表1-1說(shuō)明了氣體成份對(duì)表面成型的影響。表1-1在氬氣保護(hù)焊接鋁合金的過(guò)程中，增加氦氣比例對(duì)其它因素的影響保護(hù)氣體的成分100%Ar________100%He電弧性能越來(lái)越平滑焊縫寬度增加焊縫的平坦性焊縫外觀波紋越來(lái)越細(xì)焊透變成更深、更圓焊接速度焊接速度增加熔化缺陷的傾向越來(lái)越低氣孔傾向降低預(yù)熱能減少或完全免除預(yù)熱溫度控制加工件變得更熱，必須補(bǔ)償溫度控制，加快焊接速度保護(hù)氣體成本增加1.3焊接保護(hù)氣體流量對(duì)焊接效果的影響高質(zhì)量MIG焊接所需要的惰性氣體流量是由多種因素決定的：焊槍的型號(hào)、焊接電流、焊槍噴嘴的直徑、接頭設(shè)計(jì)、焊接位置、焊接速度和焊接區(qū)域內(nèi)的氣體擴(kuò)散度。最后一個(gè)因素很大程度上影響到氣體的使用方法和焊接的質(zhì)量。當(dāng)進(jìn)行焊接時(shí)，用防風(fēng)材料對(duì)焊接區(qū)域提供保護(hù)，以防止空氣混入惰性保護(hù)氣體是必要的。通常來(lái)講，氦氣保護(hù)的流量要大于氬氣保護(hù)的流量。1.3.1保護(hù)氣體的消耗（氬氣）短路過(guò)渡電?。?2-15l/min噴射脈沖電弧：15-20l/min1.3.2對(duì)于混合氣體，應(yīng)用如下流量參考數(shù)據(jù)：保護(hù)氣體類型最小流動(dòng)速度Ar70/He3020l/minAr50/He5028l/minAr30/He7035l/min100%He40l/min氦氣流量越高，促進(jìn)排氣越快，需要更高的熱量輸入。在同等焊接條件下，氦氣流量比氬氣高許多。2焊接填充材料2.1焊接填充材料的選擇在鋁合金焊接中，焊縫金屬的組織成份決定著焊縫的強(qiáng)度、塑性、抗裂性、耐蝕性等。因此，合理選擇焊絲（填充材料）是十分重要的。選擇焊絲時(shí)必須首先考慮基本金屬的成份、產(chǎn)品的具體要求及施工條件，除了應(yīng)滿足接頭機(jī)械性能、耐腐蝕性能外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的剛性及抗裂性等問(wèn)題。選擇焊絲通?；谝韵聨追矫嬉蛩兀?1)與母材的化學(xué)成分相兼容，例如：焊接裂紋傾向；(2)焊縫力學(xué)性能要求（需要將焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬性能統(tǒng)一計(jì)算）；(3)焊接部件或構(gòu)件的后續(xù)處理，例如表面處理，陽(yáng)極氧化和表面裝飾拋光；(4)焊縫要求的抗腐蝕能力；(5)最佳焊接性。最終的選擇將根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際需要，在上述幾方面做綜合平衡。表2-2提供了各類（1類、3類、4類、5類）鋁合金焊絲的相關(guān)信息,表2-1推薦了若干條件下鋁合金焊絲的選擇建議和問(wèn)題分析，表2-3給出了常見(jiàn)鋁合金焊絲和母材匹配關(guān)系。表2-1鋁合金焊絲相關(guān)信息類別型號(hào)化學(xué)成分代號(hào)備注1XXXSAL1450SAL1080AA199.5TiA199.8Ti通過(guò)晶界強(qiáng)化降低了焊縫金屬的裂紋傾向。3XXXSAL3103AlMn14XXXSAL4043ASAL4046SAL4047ASAL4018AlSi5AlSi10MgAlSi12(A)AlSi7Mg該成份焊絲在陽(yáng)極氧化或暴露于空氣中時(shí)會(huì)變成暗灰色,其強(qiáng)度會(huì)隨Si的增加而提高。該種焊絲焊接后的焊縫顏色和基體金屬之間有色差問(wèn)題。這種專門應(yīng)用在預(yù)防由于高稀釋及高收縮而形成的凝固裂紋,常用于鑄件焊接。5XXXSAL5249SAL5754SAL5556ASAL5183SAL5087SAL5356AlMg2Mn0.8ZrAlMg3AlMg5.2MnAlMg4.5Mn0.7(A)AlMg4.5MnZrAlMg5Cr(A)當(dāng)良好抗腐蝕性和顏色匹配是重要要求時(shí)，焊絲的Mg含量必須和母材搭配。Mg含量過(guò)高、過(guò)低均會(huì)造成陽(yáng)極化后的焊縫色差當(dāng)焊縫金屬要求屈服強(qiáng)度、延伸率為重要指標(biāo)時(shí)，應(yīng)使用含Mg量為4.5%至5%的焊絲。Cr和Zr通過(guò)晶界強(qiáng)化降低了焊縫金屬的裂紋傾向。Zr降低熱裂傾向。表2-2鋁合金焊絲的選擇母材Al414AlMn4或5143或434AlMg<1%a4或514444444AlMg3%4或55b4或555b或3455b455b5AlMg5%c555555555555555AlMgSid4或5544或5544或5545545545或454AlZnMg555555555555555555555AlSiCu<1%e,f444444444444444444444444AlSiMge444444444444444444444444444AlSiCue,f444444444444444444444444444444AlCucNrgNrgNrgNrgNrg444444444444444NrgNrg4母材AlAlMnAlMg<1%AlMg3%AlMg5%AlMgSiAlZnMgAlSiCu<1%AlSiMgAlSiCuAlCu注1：當(dāng)母材的Mg含量≥2%，使用型號(hào)為AlSi5或AlSi10焊絲焊接時(shí)，過(guò)多的Mg2Si會(huì)在焊接熔合線處沉淀析出，從而使焊縫產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。這種母材和焊絲的組合不推薦在承受動(dòng)載荷或沖擊載荷的結(jié)構(gòu)使用。如果這種搭配不可避免，應(yīng)該使用AlMg5或AlSi5型焊絲。注2：表中母材取決于化學(xué)成分，而與材料形式無(wú)關(guān)。注3：每欄焊絲類別的選擇出于以下考慮第一行：最佳力學(xué)性能；第二行：最佳耐腐蝕性能；第三行：最佳焊接性能。a 在無(wú)焊絲焊接的條件下，這種合金極易形成凝固裂紋。這種情況下，可通過(guò)壓緊夾具或在熔池內(nèi)提高M(jìn)g含量為3%以上的方法來(lái)預(yù)防。b 表4-2中的5類焊絲在Mg含量≤3%時(shí)具有較好的抗晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕性能，在有潛在晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中，焊絲金屬中Mg含量應(yīng)等于或不明顯超過(guò)母材的Mg含量。c 在確定的環(huán)境條件下，如溫度范圍≥65℃，含Mg量＞3%的鋁合金可能易產(chǎn)生晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕。這種易腐蝕性隨含Mg量或冷作硬化程度的提高而升高。應(yīng)該考慮到這種焊縫稀釋帶來(lái)的耐腐蝕性能降低的影響。d 這類合金不推薦采用不填充焊絲的自熔焊（如TIG焊），因?yàn)檫@樣易形成凝固裂紋。e 焊絲中Si含量的選擇應(yīng)該與鑄態(tài)母材金屬嚴(yán)格搭配。f 當(dāng)鑄造鋁合金為壓鑄件時(shí)，由于氣體含量較高而不適合焊接。g 不推薦與母材金屬不匹配。7最好用nr焊接可以獲得最好的效果。表2-3常用填充金屬和母材匹配表：iAlMg5Al99.5AlMg4.5MnAlMg3AlMg5AlZn4.5MgAlCuMg54.5Mg22.2不同焊絲的接頭耐腐蝕性2.3焊絲的使用注意事項(xiàng)2.3.1儲(chǔ)存對(duì)于不同的工作來(lái)說(shuō)，選擇正確的焊絲（填充金屬）是十分重要的。需要特別注意的是焊接所使用的焊絲必須是干凈的。如果焊絲被油、油脂、灰塵或車間的煙塵所污染則會(huì)導(dǎo)致焊接不牢固。使用剛剛從包裝箱中取出的焊絲進(jìn)行焊接，可以達(dá)到最好的焊接效果。焊絲應(yīng)當(dāng)置于溫暖、干燥的地方遮蓋保存。如果在焊絲沒(méi)有用完時(shí)停止焊接，那么應(yīng)當(dāng)將焊絲取下并放回其原包裝箱中，防止可能對(duì)其造成的污染。對(duì)包裝箱進(jìn)行遮蓋，有助于保護(hù)焊絲不受污染。2.3.2焊絲輸送裝置由于鋁焊絲比較軟，焊槍中的送絲軟管要用塑料或特氟綸制成的專用軟管，焊接鋼結(jié)構(gòu)所用的彈簧軟管不適合鋁焊。對(duì)于