铝合金焊接的特点、难点及应用前景

铝合金的应用及其焊接在我国属于新兴产业，铝合金技术尚不成熟，铝合金焊接尚无统一有效的规范和标准。

一、铝合金焊接特点

铝合金因具有重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性能好、低温性能好等优点，被广泛应用于各种焊接结构产品，用铝合金代替钢板材料进行焊接，可使结构重量减轻50%以上。

铝合金焊接有几个难点：

①铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是铝合金应用的最大障碍；

②铝合金表面易生成难熔氧化膜（Al2O3的熔点为2060℃），需采用高功率密度焊接工艺；

③铝合金焊接容易产生气孔；

④铝合金焊接容易产生热裂纹；

⑤线膨胀系数较大，易引起焊接变形；

⑥铝合金的热导率较大（约为钢的4倍），在同样的焊接速度下，其热输入量比焊接钢大2～4倍。

因此铝合金的焊接需要采用高能量密度、低焊接热输入、较高的焊接速度的高效焊接方法。

2、针对以上问题，我公司采取了以下措施：

1.生产、贮存环境及辅料使用要求

1.1生产、仓储环境温湿度要求

铝合金的生产和储存环境必须防尘、防水、干燥，环境温度通常应控制在5℃以上，湿度应控制在70%以下。尽量保证焊接环境湿度不要过高，过高的湿度会显著增加焊缝产生气孔的概率，从而影响焊接质量。空气的剧烈流动会造成气体保护不足，从而产生焊接气孔，因此应设置挡风罩，避免室内穿堂风的影响。

1.2焊丝及气胶管使用要求

使用焊材时应注意以下几点：铝焊丝应与钢焊材分开存放。焊接完成后，从焊机中取出焊丝并密封，防止污染。不同材质的气管抵抗水分侵入的能力不同，尤其当气体压力较高时，气管的效果更为明显。最好使用特氟龙气管。

1.3 工装的选择

铝合金焊接最好采用点接触工装，减少工装与工件的接触面积，如果工装与工件为面接触，会很快带走工件的热量，加速熔池的凝固，不利于焊缝气孔的去除。

2 焊丝和保护气的选择

2.1焊丝的选择

铝及铝合金焊丝的选用，除考虑良好的焊接工艺性能外，还应保证对接接头的抗拉强度和塑性（通过弯曲试验）符合规定的要求。因此，焊丝的选择主要依据以下原则：

1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材的纯度；

2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相似；

3）铝合金焊丝中耐蚀元素（镁、锰、硅等）含量一般不低于母材；

4）焊接异种铝材料时，应根据母材的抗腐蚀性能及强度要求较高来选择焊丝；

5）对耐腐蚀性能要求不高的高强度铝合金（热处理强化铝合金），可选用不同成分的焊丝，如抗裂性能好的铝硅合金焊丝SAlSi-1（注意强度可能比母材低）。

对于5083母材，所选用的焊丝牌号为5087/AlMg4.5MnZr。5087焊丝不仅具有良好的抗裂性能和优异的抗气孔性能，而且具有良好的强度性能。对于焊丝规格的选择，优先选用大直径焊丝。同样的焊接填充量，也就是同样的焊丝重量，大规格焊丝的表面积比小规格焊丝小得多。因此，大规格焊丝的表面污染比小规格焊丝要小，也就是氧化面积要小，焊接质量更容易满足要求。另外，大直径焊丝的送丝工艺更容易操作。对于厚度小于8mm的母材，一般采用1.2mm直径焊丝，对于厚度8mm及以上的母材，采用1.6mm直径焊丝。

2.2 保护气体的选择

Ar100%的特点是电弧稳定，引弧方便。对于厚度8mm以下的母材，一般采用Ar100%进行焊接；对于厚度8mm及以上的母材及对气孔率要求较高的焊缝，采用Ar70%+He30%进行焊接。氦气的特点是：热导率是氩气的9倍，焊接速度更快，气孔率降低，熔深增大。焊接厚板时，Ar100%与Ar70%+He30%的熔深如图1所示。气体的流速并不是越大越好，流速过大会造成湍流，导致熔池保护不足，空气与熔敷金属发生反应，使焊缝组织改变，性能降低，而且容易产生焊接气孔。

3 焊前准备要求

3.1 坡口处理

对于厚度小于3mm的对接焊缝，可以不做坡口，而是在焊缝背面加0.5-1mm的斜角，这样有利于气体排出，避免背面出现坡口，背面是否倒角对焊缝的影响见图2。

铝合金厚板的坡口角度比钢板的坡口角度大，单面坡口一般采用55°坡口，双面坡口则采用每面35°坡口，这样可以提高焊接的可达性，减少未熔合缺陷产生的概率。

对于厚板T型接头中的HV或HY接头，要求填平坡口并增加角焊缝，使焊缝总尺寸S不小于板厚T。厚板T型接头焊接要求见图3。

3.2 焊前清理

铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除焊缝接头及焊丝表面的氧化膜、油污等。清除的质量直接影响焊接工艺和接头质量，如焊缝气孔倾向、力学性能等。常用的清理方法有化学清理和机械清理。

化学清洗效率高，质量稳定，适用于焊丝及批量生产的小型工件的清洗。有浸泡清洗和擦洗清洗两种方法。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂将表面除油，用5%～10%NaOH溶液在40℃～70℃下碱洗3min～7min(纯铝需稍长，但不超过20min)，流动水冲洗，再用30%HNO3溶液在室温～60℃下酸洗1min～3min，流动水冲洗，风干或低温烘干。

当工件尺寸较大、生产周期较长，或多层焊或化学清理后被污染时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦拭表面，除油，再用直径0.15mm～0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷直接刷洗，直至露出金属光泽。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒滞留在金属表面，焊接时进入熔池，产生夹渣、热裂纹等缺陷。此外，也可采用刮刀、锉刀等清理待焊表面。

工件及焊丝清洗清理后，在存放过程中会重新生成氧化膜，特别是在潮湿的环境中，在有酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜生长得更快。因此，工件及焊丝清洗清理后和焊前的存放时间应尽量缩短。在潮湿气候下，一般应在清洗后4小时内进行焊接。清洗后存放时间过长（如超过24小时）应重新处理。

3.3 预热温度及层间温度的控制

焊接厚度超过8mm的厚板时，焊前必须进行预热。预热温度控制在80℃~120℃之间，层间温度控制在60℃~100℃之间。预热温度过高，除了作业环境恶劣外，还可能影响铝合金的合金性能，造成接头软化、焊缝外观不良。层间温度过高也会增加铝焊接热裂纹产生的概率。

4.合理选择标准参数

铝合金与钢的物理、化学性能差别很大，焊接规范参数应根据铝合金的焊接特点进行试验确定。

4.1焊接电流大

铝合金导热系数较大（约为钢的4倍），散热快，因此在同样的焊接速度下，焊接铝合金时的热输入量比焊接钢时要大2~4倍，如果热输入量不足，容易出现熔深不足，甚至未熔合，特别是在焊缝初期。

4.2适当提高送丝速度

送丝速度与电流、电压等标准参数密切相关，相互匹配，当焊接电流增大时，送丝速度也应相应增大。

4.3焊接速度的选择

对于薄板焊缝，为避免焊缝过热，一般采用较小的焊接电流和较快的焊接速度；对于厚板焊缝，为保证焊缝充分熔合和焊接气体充分逸出，采用较大的焊接电流和较慢的焊接速度。

4.4 焊枪角度的选择

在焊接方向上，焊枪角度一般控制在90°左右。过大或过小都会造成焊接缺陷。焊枪角度过大，会造成气体保护不足，产生气孔；角度过小，可能造成铝液到达电弧前端，使电弧不能直接作用于焊缝，产生未熔合的焊缝。焊枪角度示意图见图4。

5、焊接结束时应进行封头处理，并将头焊缝R角圆滑倒圆角，避免因焊接应力集中而产生焊缝裂纹。

6、焊接后留在焊缝及其附近的残余焊剂、焊渣，会破坏铝表面的钝化膜，有时还会腐蚀铝件，所以应将它们清理干净。形状简单、要求一般的工件，可用热水冲洗或蒸汽吹扫等简便方法清理。要求高、形状复杂的铝件，应先用硬毛刷在热水中刷洗，然后浸入60℃～80℃左右浓度为2%～3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中5min～10min，用硬毛刷刷洗，再用热水漂洗、洗净，放入烘箱烘干、用热风吹干，或自然干燥。

总结

通过以上措施，有效解决了铝合金在焊接过程中焊缝易开裂、焊不透等缺陷，有效地满足了生产的需要。