鋁合金與碳鋼焊接工藝對(duì)比研究

聞瑞利

（河北機(jī)車技師學(xué)院,河北 唐山 064000）

1 前言

鋁是地殼中分布廣泛的一種元素，含量豐富，而且鋁合金具有良好的耐蝕性，較高的比強(qiáng)度等更是得到了廣泛的應(yīng)用。高速動(dòng)車組車體、飛機(jī)殼體等完全采用的是鋁合金結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，更是使用了與碳鋼完全不同的焊接工藝。本文通過對(duì)比鋁合金與碳鋼的焊接工藝，闡述了鋁合金的焊接特點(diǎn)及其工藝性能。

2 鋁合金的焊接性

（1）強(qiáng)的氧化能力。鋁合金不但在空氣中極易氧化，而且在焊接時(shí)焊接區(qū)域也極易氧化，焊接時(shí)生成的三氧化二鋁（Al2O3）熔點(diǎn)高、不容易徹底清除。并且在焊接中阻隔熔化的母材與液態(tài)焊接材料充分融合，鋁合金的表面形成致密的氧化膜，不易從焊縫表面浮出，鋁合金的表面氧化膜極易吸附大氣中的水分，使焊縫內(nèi)部及表面形成氣孔。因此，鋁合金焊接過程中容易形成未熔合、夾渣、氣孔、未焊透等焊接缺陷。

（2）較大的熱導(dǎo)率和比熱容。在鋁合金焊接過程中，焊接產(chǎn)生的熱量被迅速傳導(dǎo)到金屬母材，而碳鋼焊接時(shí)，金屬母材不能迅速傳導(dǎo)焊接產(chǎn)生的熱量，大部分熱能用以形成熔池。因此，鋁合金的比熱容和熱導(dǎo)率約比碳鋼大1倍。

（3）熱裂紋傾向大。鋁合金在焊接過程中的母材與焊縫金屬的線膨脹系數(shù)約為碳鋼的兩倍。鋁合金在焊接過程中，焊縫金屬在冷凝過程中體積收縮量較大，在焊接過程中會(huì)集中大量焊接應(yīng)力，產(chǎn)生較大的焊接變形，所以，鋁及鋁合金焊接時(shí)必須采取有效的預(yù)防及控制焊接應(yīng)力與變形的措施。

（4）容易形成氣孔。鋁合金在固態(tài)時(shí)不溶解氫，但在焊接液態(tài)熔池狀態(tài)下能大量溶解的氫。在焊縫金屬快速冷卻以及凝固過程中，由于金屬液—固轉(zhuǎn)變較快，氫從焊縫金屬中來不及溢出，極易在焊縫近表面及內(nèi)部區(qū)間形成氫氣孔。

（5）焊穿。鋁及鋁合金從固態(tài)為鋁白色，液態(tài)金屬仍為鋁白色，固液轉(zhuǎn)變顏色無明顯的變化，不便于肉眼觀察，所以不易通過觀察判斷熔池溫度，焊接時(shí)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)椴煊X不利致使焊接熔池溫度過高而造成焊縫焊穿。

由于鋁合金具有上述的焊接性，致使在鋁合金的焊接過程中要消耗比碳鋼更多的熱能，而且為了保證焊縫質(zhì)量，焊前還應(yīng)該需采取相應(yīng)的預(yù)熱工藝等措施。更要注意焊縫焊前的清理，以及焊縫的保護(hù)等。

3 鋁合金的焊接工藝

（1）焊接方法。目前鋁合金連接常用的焊接方法主要有：熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）和鎢極氬弧焊（TIG—交流）。熔化極氣體保護(hù)焊包括脈沖電流焊接和連續(xù)電流焊接。熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，焊絲做為陽極，可采用比鎢極氬弧焊更大的焊接電流，具有較大的電弧功率、較高的焊接效率，所以特別適用中厚板鋁合金的焊接。保護(hù)氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。

（2）焊前清理。在焊接過程中防止產(chǎn)生氣孔、夾渣的重要措施是去除焊件表面的氧化膜和油污。目前常采用機(jī)械清理和化學(xué)清洗的方法。機(jī)械清理主要是采用不銹鋼絲刷子，除掉金屬氧化膜直到露出金屬表面光澤為止?；瘜W(xué)清洗方法有浸洗法和擦洗法兩種，前者適用于尺寸較小的焊件。常用丙酮、汽油等有機(jī)溶劑擦試表面以除油等。其特點(diǎn)是質(zhì)量穩(wěn)定，效率較高。

（3）適當(dāng)采用墊板。鋁合金的高溫強(qiáng)度低，且鋁在液態(tài)時(shí)流動(dòng)性好，因而，焊接時(shí)鋁合金易產(chǎn)生下塌等缺陷。為了保證焊件在焊透又不致產(chǎn)生塌陷，焊接時(shí)常采用放置墊板來托住熔池及附近金屬。墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個(gè)圓弧形槽，以保證焊縫反面成型。

（4）焊前預(yù)熱。對(duì)薄、小的焊件一般可以不用預(yù)熱。在鋁合金車體的實(shí)際生產(chǎn)中，一般在大于8mm的板厚時(shí)必須進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為80℃-120℃，如果在預(yù)熱時(shí)容易產(chǎn)生變形，則不贊成預(yù)熱。

（5）焊后處理。焊后留在焊縫及附近飛濺等會(huì)破壞鋁表面的氧化膜，有時(shí)還會(huì)腐蝕鋁件，應(yīng)清理干凈。相比較碳鋼而言，由于鋁合金極易氧化的特點(diǎn)，工件在存放過程中也會(huì)重新產(chǎn)生氧化膜，尤其在潮濕環(huán)境下氧化膜形成更為迅速。所以，工件在清洗和清理后應(yīng)盡快施焊，縮短清理后的存放時(shí)間。

針對(duì)鋁合金導(dǎo)熱速度快的特點(diǎn)，鋁合金在焊接過程中需要“高溫高速”的處理。因鋁合金具有較高的熱導(dǎo)性，所以在焊接過程中需要使用比碳鋼焊接溫度更高的電流電壓設(shè)定和更高的焊接速度。在對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱的時(shí)候應(yīng)杜絕采用氧化焰進(jìn)行作業(yè)。

4 焊接變形

鋁合金線膨脹系數(shù)較大，凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件產(chǎn)生變形較大，所以在鋁合金的組裝焊接時(shí)要充分考慮焊接變形。在鋁合金的實(shí)際生產(chǎn)中由于焊接收縮的影響，致使焊后構(gòu)件尺寸不合格的現(xiàn)象很普遍，這就要求在組裝時(shí)預(yù)留出一定的組裝間隙，或?qū)M焊件加工出一定的尺寸預(yù)留量。并且通過對(duì)組裝件按照焊接的位置作出反變形，來進(jìn)一步減少此類影響。通過合理的工裝以及焊接支撐來達(dá)到對(duì)焊接變形的控制。

5 焊接缺陷

在鋁合金的焊接缺陷中，裂紋和氣孔是最容易出現(xiàn)的兩種缺陷。

（1）焊接裂紋。包括焊縫中的縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發(fā)狀或弧狀裂紋；熱影響區(qū)的焊趾裂紋、層狀裂紋；熔合線附近的顯微裂紋?？刹捎谜{(diào)整焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生，例如對(duì)焊接件的合理區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱可減少熱裂紋的產(chǎn)生。

（2）焊接氣孔。氫氣是鋁合金焊接產(chǎn)生氣孔的主要原因。氫氣的主要來源是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材吸附的水分。焊縫迅速冷卻過程中，由于氫收到氧化膜阻隔等因素影響來不及溢出，極易形成氣孔。因此，要對(duì)氫的來源要嚴(yán)格控制和清楚焊材及母材中的水分，來防止氣孔的形成。

（3）其他缺陷。包括夾渣、未熔合、未焊透，咬邊等。

6 焊縫的修補(bǔ)

（1）焊接位置。為了保證焊補(bǔ)的質(zhì)量，鋁合金焊接時(shí)應(yīng)該盡可能采用平敷焊。當(dāng)工件尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平焊施焊受限時(shí)，,可先進(jìn)行適應(yīng)性工藝試焊，并盡量采用上坡焊。

（2）多層多道焊。補(bǔ)焊焊縫層數(shù)的多少取決于缺陷的類型和深度，多層補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)做好層間清理。

（3）鋁合金的預(yù)熱及層間溫度的控制。預(yù)熱是鋁及鋁合金補(bǔ)焊時(shí)為保證焊縫質(zhì)量經(jīng)常采取的工藝措施。焊前預(yù)熱可以減小焊接前后溫度梯度、縮短母材金屬熔化的時(shí)間、減少氫氣孔的形成。同時(shí)還應(yīng)注意預(yù)熱合適的區(qū)域。層間溫度應(yīng)小于等于預(yù)熱溫度，應(yīng)控制在80℃-120℃的范圍內(nèi)。

（4）起弧和收弧。必要時(shí)要增加起弧板和收弧板，避免直接在工件或者焊縫上起弧。

7 結(jié)論

通過對(duì)鋁合金焊接與碳鋼焊接工藝的比較，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中的發(fā)現(xiàn)，不斷地總結(jié)鋁合金的焊接性，更深的了解鋁合金的焊接性，更好指導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)。