6061鋁合金焊接及表面處理工藝研究

孫丙巖（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州　213011）

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6061鋁合金焊接及表面處理工藝研究

孫丙巖
（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

摘要：文章闡述了6061鋁合金焊接工藝及焊后陽極氧化處理工藝，通過分析6061鋁合金焊接性及缺陷預(yù)防措施，并選擇合理的焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了6061鋁合金的焊接。焊后采用陽極氧化工藝對鋁合金焊接件進(jìn)行表面防腐處理。

關(guān)鍵詞：6061鋁合金；焊接；陽極氧化

6061鋁合金為鋁——鎂——硅系列鋁合金，屬熱處理可強(qiáng)化合金，具有良好的成形性、焊接性、加工性。廣泛應(yīng)用于要求有一定強(qiáng)度和抗蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件。文章采用手工TIG焊接厚度為4mm的6061鋁合金。焊后采用陽極氧化工藝對鋁合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行表面處理，在其基體表面生成一層致密的氧化膜。陽極氧化膜能作為腐蝕介質(zhì)的阻擋層，保護(hù)鋁合金基體，提高其耐腐蝕性能。

1　6061鋁合金焊接性分析

6061鋁合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，6061鋁合金化學(xué)成分如表1所示。6061鋁合金在焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、未熔合、裂紋等焊接缺陷。

表1　6061鋁合金的化學(xué)成分（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.1氣孔

鋁和氧的親和力很大，在空氣中鋁容易同氧結(jié)合生成致密的Al2O3膜（厚度約0.1μm），Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁及鋁合金的熔點(diǎn)，而且Al2O3膜容易吸附水分。在高溫下，氧化膜吸附的水分分解形成大量氫氣，在焊后的冷卻凝固過程中來不及吸出而聚集在焊縫中形成氣孔。在焊接過程中會形成氣孔缺陷，從而破壞金屬的均勻性，降低了接頭的力學(xué)性能。

根據(jù)分析采用以下工藝來減少氣孔缺陷。

（1）氬弧焊時，必須采用高純度的氬氣。氬氣管路系統(tǒng)要保持干燥，不得有泄漏現(xiàn)象，以免混入潮濕空氣。減少氫氣的來源，對焊絲、焊件坡口及坡口根部兩側(cè)進(jìn)行仔細(xì)的清洗，并加以烘干。焊絲表面應(yīng)呈潔白光亮色，不得有局部腐蝕斑點(diǎn)。

（2）制定合理的焊接工藝。熔化極自動、半自動氬弧焊時，一般采用粗直徑的焊絲，這有利于減少氣孔的數(shù)量，因小直徑焊絲的比表面積（單位長度上的焊絲表面積）大，單位時間內(nèi)熔融并進(jìn)入熔池的焊絲數(shù)量多。因此，熔池中勢必帶入相當(dāng)數(shù)量的氧化膜和氫氣（同粗焊絲相比）。在焊接工藝上盡量采用高的輸入熱量（取決于焊接電流、電弧電壓及焊接速度），延長熔池在高溫液態(tài)下的時間，為氫氣泡的浮出提供條件。

1.2未熔合

鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)約比鋼大一倍。在焊接過程中大量的熱能被迅速傳到基體金屬內(nèi)部，因此焊接鋁及鋁合金時比鋼要消耗更多的熱量。因而焊接過程中工藝參數(shù)選擇不合理，使得焊接熱輸入不足，易產(chǎn)生未熔合、未焊透等缺陷。焊接過程中通過調(diào)整焊接電流及電壓、控制熱輸入或焊前預(yù)熱等工藝，可有效避免未熔合缺陷。

1.3裂紋

鋁的線膨脹系數(shù)23.5×10-6，約比鋼大兩倍左右，凝固時的體積膨脹率達(dá)6.5%～6.6%，所以在某些鋁合金焊接時，往往由于過大的收縮內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫。一方面由于鋁合金液態(tài)熔池冷卻、凝固結(jié)晶到完全形成固態(tài)是在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，在這溫度范圍內(nèi)由于存在著固液態(tài)金屬，強(qiáng)度和塑性很低，在這個溫度區(qū)間易產(chǎn)生裂紋缺陷。另一方面，由于鋁合金的線膨脹系數(shù)大，在焊縫金屬冷卻收縮過程中產(chǎn)生很大的拉伸變形。當(dāng)熔池金屬經(jīng)過脆性溫度區(qū)間的時刻與產(chǎn)生最大拉伸變形的時刻一致時，易引起裂縫。

根據(jù)分析采取措施來預(yù)防裂縫缺陷。

（1）在焊接產(chǎn)品施焊時，為了避免焊縫金屬由于加熱冷卻產(chǎn)生很大的剛性，在焊接工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度等措施。避免焊接過程中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，來避免焊接裂紋的產(chǎn)生。盡量避免十字形接頭及采用不適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)固、焊接順序產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

（2）采用加熱集中的焊接方法（如熔化極自動氬弧焊）及選擇大電流、高焊速的規(guī)范。熔化極脈沖氬弧焊與一般的熔化極氬弧焊法相比具有較優(yōu)的抗裂性。

（3）焊接過程中選擇焊絲時控制基體金屬及焊絲的成分。純鋁、鋁錳合金及焊絲中的鐵、硅含量之比應(yīng)大于1，以減少焊縫中低熔點(diǎn)硅共晶的數(shù)量，提高接頭的抗裂性。通過填充焊絲向焊縫金屬加入少量細(xì)化晶粒的變質(zhì)劑，焊縫金屬可變成細(xì)小的等軸晶組織。焊接結(jié)束或中斷時，應(yīng)及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則容易形成弧坑裂縫。

（4）無色澤變化。鋁及鋁合金從固態(tài)變成液態(tài)時，無明顯的顏色變化，給焊接操作帶來困難。通過對焊接人員焊接技能培訓(xùn)，來保證鋁合金焊接質(zhì)量。

2　6061鋁合金焊接工藝分析

試件焊前采用機(jī)械加工方法加工出60°的V形坡口；清除坡口及其附近區(qū)域的污染物后，用丙酮擦洗，用不銹鋼絲或刮刀等工具清理氧化膜。

（1）焊接方法選用。鎢極氣體保護(hù)電弧焊（簡稱TIG焊）是應(yīng)用最為廣泛的鋁及鋁合金熔焊方法之一。這種焊法在氬氣的良好保護(hù)下施焊，氬氣的機(jī)械隔離作用可保護(hù)熔池免受氧化，熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫金屬致密，接頭的強(qiáng)度和塑性高，因而在工業(yè)中獲得越來越廣的應(yīng)用。因而本文采用TIG焊來保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）焊接材料選用。在鎢極氬弧焊時，需添加填充焊絲。填充焊絲的成分與接頭力學(xué)性能及腐蝕性能有很大關(guān)系。因此，在選擇填充焊絲時，必須首先考慮母材的牌號、成分、產(chǎn)品的具體要求及施工條件，除了應(yīng)滿足接頭的力學(xué)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題。文章根據(jù)6061鋁合金材料特性選擇ER5356焊絲作為填充金屬。

（3）焊接工藝參數(shù)選擇。焊接過程中焊接工藝參數(shù)選擇如表2所示。

表2　焊接工藝參數(shù)

3　焊縫外觀檢驗(yàn)

焊后進(jìn)行外觀檢查，焊縫與母材過渡圓滑，熔敷金屬寬9～11mm、余高1～1.5mm，成形良好；焊縫及熱影響區(qū)無裂紋、未熔合、夾渣、弧坑和氣孔等缺陷。

4　焊后表面處理

鋁合金焊后打磨焊縫區(qū)域，結(jié)構(gòu)件在硫酸中進(jìn)行的陽極氧化處理，產(chǎn)生的普通陽極氧化膜層。陽極氧化膜厚控制在5～10um。同時進(jìn)行封閉處理，通過浸入封閉液中完成完全封閉。

5　結(jié)語

（1）鋁合金焊接前，清理待焊表面氧化物和污染物，通過選用ER5356焊絲及手工TIG焊配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)施焊，可獲得成形良好的焊縫。

（2）鋁合金焊后打磨焊縫區(qū)域，結(jié)構(gòu)件在硫酸中進(jìn)行的陽極氧化處理，產(chǎn)生的普通陽極氧化膜層。

參考文獻(xiàn)

［1］田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］周萬勝，姚均山.鋁及鋁合金的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］黃福旺，黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南［M］.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

6061 Aluminum Alloy Welding and Surface Processing Research

SUN Bing-yan
（CRRC Qishuyan Locomotive Vehicle Technology Research Institute co.，LTD.，Changzhou，Jiangsu 213011，China）

Abstract:This article elaborates the 6061 aluminum alloy welding processing andanodic oxidation processafter welding. Through the analysis of 6061 aluminum alloy weldability and defect prevention measures，and selecting the reasonable welding process parameters，the 6061 aluminum alloy welding is realized.After welding the anodic oxidation processing of aluminum alloy weldingisgivensurfaceanti-corrosiontreatment.

Key words:6061 aluminum alloy；Welding；Anodic oxidation

中圖分類號：TG407

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0061-02

收稿日期：2016-04-20

作者簡介：孫丙巖（1980-），男，碩士，主要研究方向：焊接工藝。