铝及铝合金的焊接方法

铝及铝合金的焊接特点

    （1）铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。

    （2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。

    （3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5%~6%时可不产生热裂，因而采用SAlSi條（硅含量4.5%~6%)焊丝会有更好的抗裂性。

    （4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

    （5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

 （6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。

    （7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

    （8） 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。

    2．焊接方法

    几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）

铝及铝合金管的焊接工艺

　概述　　

铝合金由于重量轻、强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。因此，铝及铝合金除广泛的应用于航空、航天和电工等领域外，同时还越来越多的应用于石油化学工业。中原大化新建空分装置就大量使用了铝镁合金(主要有：5083、5183、5A02相当于旧牌号中的LF2、LF4)。但是铝及铝合金在焊接过程中，易出现氧化、气孔、热裂纹、烧穿和塌陷等问题。此类材质是被公认为焊接难度较大的被焊接材料，特别是小径薄壁管的焊接更难掌握。因此，解决铝及铝合金的这些焊接缺陷是施工过程中必须解决的问题。 

2铝及铝合金的理化性能及焊接特点

2.1 易氧化　　

铝和氧的亲和力很强。在常温下，铝表面就能被氧化成厚度约0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。虽然这层氧化铝薄膜比较致密，能防止金属的继续氧化，对自然防腐有利，但它给焊接带来了困难，这是由于氧化铝的熔点(2050℃)远远超过了铝的熔点(600℃左右)，比重约为铝的1.4倍。在焊接过程中，会阻碍金属之间的熔合，易形成夹渣，而且氧化铝薄膜还吸附了较多的水份，焊接时会促使焊缝生成气孔。

2.2 较大的导热系数和比热容　　

铝的导热系数约为钢的四倍，因此，焊接铝材管时，比钢管焊接要消耗更多的热量，为得到高质量的焊接接头，必需采用能量集中，功率大的热源。 

2.3 易形成氢气孔　　

铝及铝合金的焊接气孔主要氢气孔。铝在液态时能大量吸收和溶解氢，在熔融状态下溶解度为0.0069ml/g，而在高温凝固状态下为0.00036 ml/g，前后相差近20倍。铝的导热系数很大，在相同的焊接工艺条件下，其冷却速度为钢的4～7倍，使金属结晶加快，焊接熔池在快速冷却过程中，氢的溶解度急剧下降，此时析出大量过饱和气体，氢气来不及析出在焊缝金属中形成气孔。因此，在焊接铝材时，焊缝产生气孔的倾向很大。

2.4 易形成热裂纹　　

铝的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大约一倍，易产生较大的焊接变形和应力，加上某些杂质或合金元素的不利影响，在刚性较大的接头中将导致产生裂纹。

2.5 烧穿和塌陷　　

铝及铝合金由固态转变为液态时.由于没有明显的颜色变化，所以，不易判断熔池的温度。焊接时，常因温度过高不易被察觉而导致烧穿或严重塌陷。　

3 焊前准备 

3.1坡口加工采用机械加工法　　加工后的坡口表面应平整、无毛刺和飞边。坡口的形式一般为V型，无钝边，坡口角度70～75℃为宜。不同壁厚的对接焊应有14O的过渡段。

3.2 焊前准备　　

焊前将焊丝、焊管坡口及其坡口内外各30～50mm范围内的油污和氧化膜清除掉，清除顺序和方法如下：用丙酮或四氯化碳等有机溶剂去除表面油污，坡口内外两侧清除范围应不小于50mm。清除油污后，焊丝采用化学法，坡口易采用机械法，试管也采用化学法清除表面氧化膜。机械方法，是坡口及其附近表面可用锉削、刮削、铣削或用0.2mm左右的不锈钢丝刷清除至露出金属光泽，两侧的清除范围距坡口边缘应不小于30mm，使用的工具定期脱脂处理。化学法。是用约70℃ 5～10%的NaOH溶液浸泡30～60秒后，或用常温5～10%的NaOH溶液浸泡3分钟。接着用约15%的HNO3(常温)浸泡2分钟左右后用温水清洗。或用冷水冲洗，再使其完全干燥。对已经可靠表面处理、并未被氧化或受污染的焊丝，不再进行上述处理可直接使用。清理好的坡口及焊丝，在焊前不应再被玷污，若无有效的防护措施，应在8小时内施焊。否则应重新进行清理。管道组对时，应做到内壁平齐，无毛刺、粒屑，其错边量应符合b≤0.5mm。内部不加衬圈焊口，要求间隙尽可能等于零，特别是仰焊部位，管内壁应倒1～1.5mm的圆角。3.3焊机的注意事项及其它　　焊机必须是交流TIG焊机，具有陡降的外特性和足够的电容量。并且有参数稳定、调节灵活和安全可靠的使用性能，还应具有引弧、稳弧和消除直流分量装置，焊机上电流、电压表应经计量部门鉴定合格，焊机在使用前，先检查接地是否完好，冷却水路和气路是否畅通，其各项功能须确保能正常工作。焊接场所应保持清洁。除应有防风、防雨雪设施外，还应保证焊接时的相对湿度≤80%，环境温＞5℃。　　

4 焊接工艺

4.1焊接材料的选择　　焊丝原则上选择与母材成分相同的铝及铝合金焊丝或板条。氩气纯度＞99.95%，尽量选用大直径焊丝。在Al-Mg系铝合金的弧焊中，通常都是推荐使用CB-AMr2、CB-AMr3、CB-AMr6、CB- AMr61、CB-AMr63、1557、1577焊条，对Al-Cu系铝合金则推荐用01201和01217。

4.2组对与点固焊　　

由于铝及铝合金管导热快、熔池结晶快，所以.组对时不留间隙、钝边，应避免强制进行，以减少焊接后产生较大的残余应力，定位焊缝长度10-15mm为易。定位焊位置在管的7点、9点、12点处。定位焊焊缝常做为正式焊缝保留，因此发现问题应及时处理。焊前对定位焊表面黑粉、氧化膜进行清除，并将两端修成缓坡型。焊件不需要预热.焊前在试板上试焊，当确认无气孔后再进行正式焊接。采用高频引弧，起弧点应越过中心线20mm左右，并停留不动约2-3秒，见图1。然后在保证焊透的情况下，采用大电流、快速焊。焊丝不摆动，焊丝端部不应离开氩气保护区。如离开氩气保护区.焊丝端部应剪掉。焊丝与焊缝表面的夹角宜在15O右。焊枪与焊缝表面的夹角宜保持在80O～90O之间，如图2。为增大氩气保护区和增强保护效果，可采用大直径焊枪瓷嘴，加大焊枪氩气流量。当喷嘴上有明显阻碍氩气气流流通的飞溅物附着时。必须将飞溅物清除或更换喷嘴。当钨极端部出现污染，形状不规则等现象时.必须修整或更换。钨极不宜伸出喷嘴外。焊接温度的控制主要是焊接速度和焊接电流大小的控制。试验结果表明，大电流、快速焊能有效防止气孔的产生。这主要是由于在焊接过程中以较快速度焊透焊缝，熔化金属受热时间短，吸收气体的机会少。收弧时，注意填满弧坑,缩小溶池,避免产生缩孔,终点的结合处应焊过20~30mm。停弧后，要延迟停气6秒。可旋转的铝及铝合金管对接平焊时.焊炬应处于稍带上坡焊位置。这样有利于焊透。厚壁管子底层焊时。可不填加焊丝。但以后的焊层需加焊丝。　　

5 焊接检验　　

按HGJ222--92《铝及铝合金焊接技术规范》对所有焊缝进行表面和射线探伤检查。

6 实施效果　　

采用上述焊接工艺，实际的焊接施工中气孔和烧穿问题得到了有效的解决。焊接探伤合格率达到了97%。当然还存在背面成型问题，这主要依靠操作者的感觉，对操作者的技术要求较高。

铝散热器空气炉中钎焊工艺及设备

本所某大功率合成设备用散热器(图1)，该结构的散热器体积较大，壁厚相差大。曾采用盐浴钎焊(外协)加工，但发现焊后清洗困难且清洗后的散热器易吸潮而引起腐蚀。

                   图1　散热器示意图

　　氟化物钎剂具有不吸潮，钎渣难溶于水，去膜能力强，钎缝致密性好，钎焊接头耐蚀性好等特点^［1］，但钎剂配制质量的好坏直接影响钎焊质量的好坏，而成品氟化物钎剂具有长期稳定的活性^［2］。铝硅锶镧钎料流动性能、机械性能、耐腐蚀和镀覆性能均良好^［3］。本工艺采用成品氟化物钎剂，配合铝硅锶镧钎料，在空气炉中钎焊散热器，取得良好效果。

1　钎焊设备

1.1　钎焊炉的主要结构组成　　该炉由控制系统、可动炉体和推车三部分组成，如图2所示。

图2　钎焊炉结构示意图

1.2　钎焊炉工作方式　　

炉体预热?炉罩上升?推车移出?工件放置
?推车复位?炉罩下降?钎焊?出炉

1.3　炉温测控系统　　

该系统主要由AI人工智能工业调节器、小型圆图温度记录仪、可控硅模块、各功能按钮及仪表等组成。将设定值输入AI人工智能工业调节器(温度和时间)，由调节器控制可控硅模块，通过调整一个固定的时间内可控硅通断比例来实现输出功率大小变化，从而达到连续调节加热炉功率的目的。小型圆图温度记录仪通过热电偶的转换，可分别记录炉膛温度和钎焊工件温度(模拟)与时间的曲线，有利于钎焊工艺的分析和参数的调整。该控制系统具有测温精度高，控温性能好，操作方便等优点。

2　钎焊工艺

2.1　母材、钎料和钎剂　　

钎焊使用母材为LF21，钎料为φ1.5铝硅锶镧共晶钎料(HL81-01)，铝钎剂为成品共晶氟化物钎剂。

2.2　加热规范的确定　　

由于该工件厚度较厚，体积较大，采用硬加热规范，把炉膛温度预置到650℃，然后把安置好钎料和钎剂的工件放入炉膛进行加热，待工件温度上升到600℃即可出炉冷却。图3为炉膛和工件温度与时间的变化曲线。2.3　焊后清洗　　钎焊后的工件在20％左右的硝酸溶液中清洗，可以得到满意的清洗效果。

3　钎焊接头性能

3.1　钎焊接头机械性能和金相组织　　

钎焊接头按国标GB2651-89、GB2653-89进行拉伸和弯曲试验，钎焊接头的抗拉强度为100MPa，冷弯角为145^°，拉伸试样断裂部位都在母材，表明钎缝的强度比母材高，弯曲试验表明钎焊接头塑性较好。分析钎缝的金相组织，该组织为典型的α～A1＋Si共晶组织，但由于铝硅锶镧钎料中锶镧的变质作用，共晶硅由粗大片状变成细粒状，所以钎焊接头机械性能得到提高。

图3　炉膛和工件温度随时间变化曲线

3.2　交变湿热试验　　

结合整机要求，将清洗后的散热器按GJB367.2-87进行交变湿热试验，周期为48h，钎缝表面保持金属光泽，无腐蚀现象发生。

4　生产应用

　　在空气炉中钎焊如图1所示铝合金散热器共15件，焊接过程稳定，可操作性好，钎焊后的工件经检验，钎缝连续、圆角饱满、没有溶蚀和未焊透缺陷。

5　结论

5.1　研制的钎焊炉具有结构合理、控温性能好和操作方便等特点。
5.2　在普通空气炉钎焊散热器，采用成品氟化物钎剂，配合铝硅锶镧钎料，钎焊质量良好，完全能满足散热器生产需要。