鋁合金焊接常見缺陷及預防措施研究

杜 亮，閆福旭

（天津航天機電設備研究所，天津 300000）

1 鋁合金的焊接特性

1.1 鋁合金極易氧化

鋁合金在空氣和焊接過程中易氧化，形成致密的氧化鋁膜。氧化鋁膜的熔點可達2050℃，非常穩定，不易去除，阻礙了焊接過程。導致在焊接過程中容易形成氣孔、夾渣等缺陷，從而降低焊接件的力學性能。

1.2 高熱導率和導電性

鋁及鋁合金的導熱系數、比熱和熔化潛熱都很大，導熱系數是鋼的兩倍以上。在焊接過程中，大量的熱能被傳遞到母材上，并迅速消散。因此，焊接鋁和鋁合金比焊接鋼消耗更多的熱量。為了獲得較高的功率和焊接質量，必須采取預熱措施。由于其良好的導電性，其焊接必須選擇高電流值。

1.3 易形成熱裂紋

鋁的線膨脹系數為23.5×10-6/℃，約為鋼的兩倍。凝固體積收縮也較大。因此，一些鋁合金在焊接時，由于收縮內應力過大，往往會出現裂紋。

1.4 易形成氣孔

鋁及鋁合金熔池在高溫下易吸收氣體和溶解大量氫氣。在焊接冷卻和凝固過程中，這些氣體沒有時間析出和凝結，在焊縫中形成氣孔。

1.5 合金元素的蒸發和燒損

一些鋁合金中含有鎂、鋅等低沸點合金元素，在高溫火焰或電弧的作用下揮發燃燒，從而改變焊縫金屬的化學成分，降低焊接接頭的性能。

2 鋁合金常用焊接方法

鋁及鋁合金的焊接方法有很多種，每種方法都適用于不同的場合。因此，必須根據鋁合金的牌號、焊接厚度、產品結構、生產條件和接頭質量要求進行選擇。目前鋁合金常用的焊接方法有氬弧焊、電子束焊接、攪拌摩擦焊等。

2.1 氬弧焊

鋁合金氬弧焊操作簡單，成本低，易于推廣。最常用的兩種方法是非熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊。

2.1.1 非熔化極

工作原理及特點:非熔化極氬弧焊是電弧在非熔化極(通常是鎢極)和工件之間燃燒，在焊接電弧周圍流過一種不和金屬起化學反應的惰性氣體(常用氬氣)，形成一個保護氣罩，使鎢極端部、電弧和熔池及鄰近熱影響區的高溫金屬不與空氣接觸，能防止氧化和吸收有害氣體，從而形成致密的焊接接頭，其力學性能非常好，該過程可以自動去除工件表面的氧化膜，這樣可以很好地焊接鋁合金，避免工件表面損傷。其缺點是采用手工操作，焊接速度慢，生產效率低。隨著技術和焊接技術的發展，各種形式的變極性焊接波形逐漸出現，可以大大提高焊接效率和焊接接頭的質量和性能。

2.1.2 熔化極

熔化極焊接具有代表性的特點為：絲輪可將焊絲送出，導電嘴導電，電弧所產生的位置為焊絲和母材中間，母材、焊絲可得到有效地熔化，氬弧氣使用更有助于金屬絲完成焊接。熔化極焊接與鎢極氬弧焊最突出的差別為用焊絲作為電極，經過一定時常的溶化后注入到熔池內，冷卻后出現焊縫；另外一種方式是使用保護氣體，此種氣體主要是由一種氬氣釋放出多種混合氣體，同時將這部分混合氣體應用于熔化極氬弧焊操作中。將氦氣、氬氣作為焊接保護氣體時，將這種操作方式稱為MIG焊；將氧化性氣體包括二氧化碳、氧氣與惰性氣體相混合時，將其稱為MAG焊。經過長期總結發現，半自動熔化極氬弧焊、富氬混合氣體作為保護氣體的應用范圍最為廣泛，自動熔化極氬弧焊應用范圍次之。

2.2 電子束焊接

電子束焊接是利用高能電子束轟擊焊接部位產生的熱能進行焊接的一種方法。該焊件具有沖擊面小、熱集中、熔透性強、可熔化的優點。然而，這種方法往往需要在真空環境中進行，這樣可以最大限度地減少空氣對焊縫的損傷。熱溶解度的降低導致鋁合金中溶解氣體的析出，其次是焊接過程中摻雜氣體的熱膨脹。通過加強預處理、降低焊接速度，可以有效抑制氣孔的產生。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種安裝在攪拌摩擦焊主軸上的金屬板接頭，其高速旋轉，使攪拌頭與金屬板發生摩擦。攪拌摩擦焊能有效防止裂紋和氣孔的產生，但攪拌摩擦焊也存在摩擦頭磨損快、焊接效率低、復雜零件焊接困難等缺陷。然而，攪拌摩擦焊成形過程與組織的關系、金屬塑性流動機理一直是焊接研究的難點。

3 鋁合金焊接常見缺陷及預防措施

3.1 氣孔

一般認為焊縫中氫的含量與氣孔的形成密切相關。隨著溫度的降低，氫的溶解度急劇下降。因此，當焊縫凝固過快時，會在焊縫金屬表面形成氣孔和氣泡。射線檢測和解剖結果表明，沿焊縫長度方向，氣孔可分為三種類型。第一類是相對集中的小氣孔，有時伴有少量的大氣孔，主要分布在電弧早期或焊縫與母材熔合區附近。第二類為孤立大氣孔，是最常見的氣孔，主要分布在焊縫中，一般分布在焊縫中部。第三類是熔合區和焊縫存在鏈狀或蜂窩狀氣孔。這種氣孔的形成導致焊縫中氣孔總數急劇增加。

圖1 焊縫氣孔宏觀形貌

3.2 裂紋

鋁合金在熔池中冷卻，在一定溫度范圍內凝固。在這個溫度范圍內，既有液態金屬又有固態金屬，它們的強度和塑性都很低，所以這個溫度范圍被稱為脆性溫度范圍。同時由于鋁合金線膨脹系數高，焊縫金屬在冷縮過程中會產生較大的拉伸變形。當熔化金屬的脆性溫度范圍與最大拉伸變形時間一致時，裂紋隨即產生。然而，當焊件的結構剛度較大時，焊接應力也較大，容易使可焊性好的鋁合金也會產生裂紋。根據裂紋的大小可分為宏觀裂紋和微觀裂紋。宏觀裂紋可用肉眼觀察，而焊縫內的微觀裂紋則需要用顯微鏡或無損檢測來觀察。焊接裂紋是危害最大的焊接缺陷之一，需要嚴格的檢測和控制。

圖2 焊接裂紋

圖3 焊縫未熔合

3.3 焊縫未熔合

未熔合是母材金屬未與焊縫層金屬熔透的現象；焊接電流過小、焊接速度過快、坡口尺寸不合理是導致焊縫未熔合的主要原因。未熔合缺陷的出現將影響焊縫的疲勞強度、質量和使用壽命。

4 焊接缺陷的預防措施

4.1 防止焊接氣孔的措施

4.1.1 母材和焊絲表面狀況

焊接前必須嚴格清除母材和焊絲表面的油、水和纖維物質。清洗不僅要去除表面的油脂、水分和纖維物質，還要去除表面的氧化膜。

4.1.2 焊絲內部質量

鋁合金焊絲原材料的內在質量取決于鋁合金焊絲原材料生產廠家的鑄軋水平。在鑄造過程中，應嚴格清除保護氣氛中的氣體，以減少原材料中氣體（主要是氫氣）和雜質的含量。如果氣體在原材料中被吸收，將對成品焊絲產生很大的影響，并增加焊接過程中產生氣孔的傾向。

4.1.3 焊接工藝的影響

焊接工藝也是影響鋁合金焊接氣孔敏感性的重要因素。因此，在鋁合金焊接過程中，采用合理的焊接工藝參數來防止氣孔的形成是非常重要的。若進行焊接作業時，出現焊接焊接速度慢、熔池耗時較多的情況下，可以為焊接吸氫提供空間。若焊接速度快，焊接吸氫時間受到限制，但熔池冷卻速度過快，不利于氣泡漂浮和氣孔的形成。如何選擇焊接速度，必須根據母材、母材體積、預熱溫度和層間溫度、焊接電流和電弧電壓等因素找到一個平衡點。

4.2 防止焊接裂紋的措施

首先，合理選擇材料，控制母材和焊絲的成分。焊絲中Fe/Si的含量比應大于1，以降低焊縫金屬中低熔點共晶硅的含量。其次，選用抗熱裂性強的焊絲。焊絲在焊縫金屬中加入少量的晶粒細化劑，以防止熱裂紋的發生。盡量采用集中加熱焊接方法，加大電流，提高焊接速度。在焊接過程中，可采取分段焊接、預熱等措施。在鋁結構的裝配和焊接過程中，不要使焊縫承受較大的剛度。當焊接完成或中斷時，應及時填塞焊接接頭，然后清除熱源，否則容易造成焊接裂紋。

4.3 防止未熔合的保護措施

為防止未熔合缺陷的發生，應根據板厚選擇合適的焊接電流。焊接時應在可能的范圍內選擇較大的坡口角度，清理根部時應加大坡口半徑。在實際應用中，需要選擇較大的坡口角度。夾層焊接時應控制層間溫度，清理焊道、矯正焊槍角度可有效防止缺陷的產生。

5 結語

雖然鋁合金焊接工藝復雜，加工難度大。但隨著焊接技術的迅速發展，新的焊接技術在鋁合金焊接中的應用也將得到迅速發展。在對鋁合金焊接工藝進行改進和優化時，最大限度地控制接頭缺陷，形成綜合性能良好的焊接結構。隨著鋁合金焊接技術的不斷發展和完善，相信鋁合金焊接將在生產中發揮更加廣泛的作用。