鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防止措施

吳水龍

（浙江中元建設股份有限公司，浙江 嘉興 314000）

雖然已經應用鋁及其合金焊成許多重要產品，但實際焊接生產中并不是沒有困難，主要的問題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭"等強性"等。由于鋁及其合金的化學活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性質（如Al2O3的熔點為 2050℃，MgO 熔點為 2500℃），加之鋁及其合金導熱性強，焊接時容易造成不熔合現象。由于氧化膜密度同鋁的密度極其接近，所以也容易成為焊縫金屬中夾雜物。同時，氧化膜（特別是有 MgO存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收較多水分而常常成為焊縫氣孔的重要原因之一。此外，鋁及其合金的線脹系數大，導熱性又強，焊接時容易產生翹曲變形。

1 鋁合金材料特點

鋁是銀白色的輕金屬,具有良好的塑性、較高的導電性和導熱性,同時還具有抗氧化和抗腐蝕的能力。鋁極易氧化產生三氧化二鋁薄膜,在焊縫中容易產生夾雜物,從而破壞金屬的連續性和均勻性,降低其機械性能和耐腐蝕性能。

2 鋁合金材料的焊接難點

極易氧化。在空氣中,鋁容易同氧化合,生成致密的三氧化二鋁薄膜(厚度約0.1-0.2μm),熔點高(約2050℃),遠遠超過鋁及鋁合金的熔點(約600℃左右)。氧化鋁的密度3.95-4.10g/cm3,約為鋁的1.4倍,氧化鋁薄膜的表面易吸附水分,焊接時,它阻礙基本金屬的熔合,極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷,引起焊縫性能下降。

易產生氣孔。鋁和鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因是氫,由于液態鋁可溶解大量的氫,而固態鋁幾乎不溶解氫,因此當熔池溫度快速冷卻與凝固時,氫來不及逸出,容易在焊縫中聚集形成氣孔。氫氣孔目前難于完全避免,氫的來源很多,有電弧焊氣氛中的氫,鋁板、焊絲表面吸附空氣中的水分等。實踐證明,即使氬氣按GB/T4842標準要求,純度達到99.99% 以上,但當水分含量達到20ppm時,也會出現大量的致密氣孔,當空氣相對濕度超過80%時,焊縫就會明顯出現氣孔。

焊縫變形和形成裂紋傾向大。鋁的線膨脹系數和結晶收縮率約比鋼大兩倍,易產生較大的焊接變形的內應力,對剛性較大的結構將促使熱裂紋的產生。

鋁的導熱系數大 (純鋁0.538卡/Cm.s.℃)。約為鋼的4倍,因此,焊接鋁和鋁合金時,比焊鋼要消耗更多的熱量。

合金元素的蒸發的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素(如鎂、鋅、錳等),在高溫電弧作用下,極易蒸發燒損,從而改變焊縫金屬的化學成分,使焊縫性能下降。

高溫強度和塑性低。高溫時鋁的強度和塑性很低,破壞了焊縫金屬的成形,有時還容易造成焊縫金屬塌落和焊穿現象。

無色彩變化。鋁及鋁合金從固態轉為液態時,無明顯的顏色變化,使操作者難以掌握加熱溫度。

3 鋁合金材料焊接的工藝方法

3.1 焊前準備

采用化學或機械方法,嚴格清理焊縫坡口兩側的表面氧化膜。

化學清洗是使用堿或酸清洗工件表面,該法既可去除氧化膜,還可除油污,具體工藝過程如下:體積分數為6%～10%的氫氧化鈉溶液,在70℃左右浸泡0.5min→水洗→體積分數為15%的硝酸在常溫下浸泡1min進行中和處理→水洗→溫水洗→干燥。洗好后的鋁合金表面為無光澤的銀白色。

機械清理可采用風動或電動銑刀,還可采用刮刀、銼刀等工具,對于較薄的氧化膜也可用0.25mm的銅絲刷打磨清除氧化膜。

清理好后立即施焊,如果放置時間超過4h,應重新清理。

3.2 確定裝配間隙及定位焊間距

施焊過程中,鋁板受熱膨脹,致使焊縫坡口間隙減少,焊前裝配間隙如果留得太小,焊接過程中就會引起兩板的坡口重疊,增加焊后板面不平度和變形量;相反,裝配間隙過大,則施焊困難,并有燒穿的可能。合適的定位焊間距能保證所需的定位焊間隙,因此,選擇合適的裝配間隙及定位焊間距,是減少變形的一項有效措施。

3.3 選擇焊接設備

目前市場上焊接產品種類較多,一般情況下宜采用交流鎢極氬弧焊(即TIG焊)。它是在氬氣的保護下,利用鎢電極與工件問產生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。該焊機工作時,由于交流電流的極性是在周期性的變換,在每個周期里半波為直流正接,半波為直流反接。正接的半波期間鎢極可以發射足夠的電子而又不致于過熱,有利于電弧的穩定。反接的半波期間工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而獲得表面光亮美觀、成形良好的焊縫。

3.4 選擇焊絲

一般選用301純鋁焊絲及311鋁硅焊絲。

3.5 選取焊接方法和參數

一般以左焊法進行,焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上時,以右焊法進行,焊炬和工件成90°角。

焊接壁厚在3mm以上時,開V形坡口,夾角為 60°～70°,間隙不得大于 1mm,以多層焊完成。壁厚在1.5mm以下時,不開坡口,不留間隙,不加填充絲。焊固定管子對接接頭時,當管徑為200mm,壁厚為6mm時,應采用直徑為3～4mm的鎢極,以220～240A的焊接電流,直徑為4mm的填充焊絲,以1～2層焊完。

4 鋁合金焊接裂紋的防止措施

根據鋁合金焊接時產生熱裂紋的機理，可以從冶金因素和工藝因素兩個方面進行改進，降低鋁合金焊接熱裂紋產生的機率。

在冶金因素方面，為了防止焊接時產生晶間熱裂紋，主要通過調整焊縫合金系統或向填加金屬中添加變質劑。調整焊縫合金系統的著眼點，從抗裂角度考慮，在于控制適量的易熔共晶并縮小結晶溫度區間。由于鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的"最大"凝固溫度區間相對應，少量易熔共晶的存在總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過裂紋傾向最大時的合金組元，以便能產生"愈合"作用。而作為變質劑向填加金屬中加入Ti、Zr、V 和 B等微量元素，企圖通過細化晶粒來改善塑性、韌性，并達到防止焊接熱裂紋的目的嘗試，在很早以前就開始了，并且取得了效果。

在工藝因素上，主要是焊接規范、預熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態，也影響凝固過程中的應變增長速度，因而影響裂紋的產生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應變速度，而增大熱裂的傾向?？梢姡龃蠛附铀俣群秃附与娏鳎即偈乖龃罅鸭y傾向。在鋁結構裝配、施焊時不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預熱或適當降低焊接速度等措施。通過預熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產生焊接應力相應降低，減小了在脆性溫度區間的應力；盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并避免采用十字形接頭及不適當的定位、焊接順序；焊接結束或中斷時，應及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。對于 5000系合金多層焊的焊接接頭，往往由于晶間局部熔化而產生顯微裂紋，因此必須控制后一層焊道焊接熱輸入量。

對于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當重要。材料的夾雜在焊縫中將成為裂紋產生的源頭，并成為引起焊縫性能下降的最主要原因。

[1]羅樹方.焊接手冊一一焊接方法及設備(第二版)第1篇第5章[M].北京:機械工業出版社,2001.

[2]劉玉東.小議現代焊接工藝中常用的幾種鋁合金焊接方法.今日科苑,2008.06.