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【摘要】铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来,由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当,焊接时的常出现缺陷,本文介绍了此类金属零件焊接时的工艺步骤及其焊接参数的选取。
【关键词】铝合金 焊接 加工工艺
【中图分类号】TG457.14 【文献标识码】A 【文章编号】1673-8209(2009)12-0-02
铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来,由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当,造成铝合金零件焊接后因应力过于集中产生严重变形,或因为焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺陷,导致焊缝金属裂纹或材质疏松,严重影响了产品质量及性能。
1 铝合金材料特点
铝是银白色的轻金属,具有良好的塑性、较高的导电性和导热性,同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝极易氧化产生三氧化二铝薄膜,在焊缝中容易产生夹杂物,从而破坏金属的连续性和均匀性,降低其机械性能和耐腐蚀性能。常见铝合金母材和焊丝的化学成分及机械性能见表1。
2 铝合金材料的焊接难点
(1)极易氧化。在空气中,铝容易同氧化合,生成致密的三氧化二铝薄膜(厚度约0.1-0.2μm),熔点高(约2050℃),远远超过铝及铝合金的熔点(约600℃左右)。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3,约为铝的1.4倍,氧化铝薄膜的表面易吸附水分,焊接时,它阻碍基本金属的熔合,极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷,引起焊缝性能下降。
(2)易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢,由于液态铝可溶解大量的氢,而固态铝几乎不溶解氢,因此当熔池温度快速冷却与凝固时,氢来不及逸出,容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免,氢的来源很多,有电弧焊气氛中的氢,铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明,即使氩气按GB/T4842标准要求,纯度达到99.99% 以上,但当水分含量达到20ppm时,也会出现大量的致密气孔,当空气相对湿度超过80%时,焊缝就会明显出现气孔。
(3)焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍,易产生较大的焊接变形的内应力,对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。
(4)铝的导热系数大(纯铝0.538卡/Cm.s. ℃)。约为钢的4倍,因此,焊接铝和铝合金时,比焊钢要消耗更多的热量。
(5)合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素(如镁、锌、锰等),在高温电弧作用下,极易蒸发烧损,从而改变焊缝金属的化学成分,使焊缝性能下降。
(6)高温强度和塑性低。高温时铝的强度和塑性很低,破坏了焊缝金属的成形,有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。
(7)无色彩变化。铝及铝合金从固态转为液态时,无明显的颜色变化,使操作者难以掌握加热温度。
3 铝合金材料焊接的工艺方法
(1)焊前准备
采用化学或机械方法,严格清理焊缝坡口两侧的表面氧化膜。
化学清洗是使用碱或酸清洗工件表面,该法既可去除氧化膜,还可除油污,具体工艺过程如下:体积分数为6%～10%的氢氧化钠溶液,在70℃左右浸泡0.5min→水洗→体积分数为15%的硝酸在常温下浸泡1min进行中和处理→水洗→温水洗→干燥。洗好后的铝合金表面为无光泽的银白色。
机械清理可采用风动或电动铣刀,还可采用刮刀、锉刀等工具,对于较薄的氧化膜也可用0.25mm的铜丝刷打磨清除氧化膜。
清理好后立即施焊,如果放置时间超过4h,应重新清理。
(2)确定装配间隙及定位焊间距
施焊过程中,铝板受热膨胀,致使焊缝坡口间隙减少,焊前装配间隙如果留得太小,焊接过程中就会引起两板的坡口重叠,增加焊后板面不平度和变形量;相反,装配间隙过大,则施焊困难,并有烧穿的可能。合适的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙,因此,选择合适的装配间隙及定位焊间距,是减少变形的一项有效措施。根据经验,不同板厚对接缝较合理的装配工艺参数如表2。
(3)选择焊接设备
目前市场上焊接产品种类较多,一般情况下宜采用交流钨极氩弧焊(即TIG焊)。它是在氩气的保护下,利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。该焊机工作时,由于交流电流的极性是在周期性的变换,在每个周期里半波为直流正接,半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热,有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。
(4)选择焊丝
一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。
(5)选取焊接方法和参数
一般以左焊法进行,焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上时,以右焊法进行,焊炬和工件成90°角。
焊接壁厚在3mm以上时,开V形坡口,夹角为60°～70°,间隙不得大于1mm,以多层焊完成。壁厚在1.5mm以下时,不开坡口,不留间隙,不加填充丝。焊固定管子对接接头时,当管径为200mm,壁厚为6mm时,应采用直径为3～4mm的钨极,以220～240A的焊接电流,直径为4mm的填充焊丝,以1～2层焊完。
根据经验,在铝及铝合金焊接时,其适用的焊接参数如表3所示。
参考文献
[1] 罗树方.焊接手册一一焊接方法及设备(第二版)第1篇第5章[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2] 周万盛.焊接手册一一材料的焊接(第二版)第3篇第12章[M].北京:机械工业出版社,2001.
[3] 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M]. 北京:机械工业出版社,2000.
[4] 库德良绍夫、斯莫连采夫[苏联],高云震等译.铝合金断裂韧性[M].北京:冶金工业出版社,1980.116-118.
[5] 贺岩松.汽车铝合金零部件的焊接.专用汽车,1996.01.
[6] Begley, J.A.Landes, Fracture and Toughness, ASTM STP 514(1972) ,1-20.
[7] 刘玉东.小议现代焊接工艺中常用的几种铝合金焊接方法.今日科苑,2008.06.
【关键词】铝合金 焊接 加工工艺
【中图分类号】TG457.14 【文献标识码】A 【文章编号】1673-8209(2009)12-0-02
铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来,由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当,造成铝合金零件焊接后因应力过于集中产生严重变形,或因为焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺陷,导致焊缝金属裂纹或材质疏松,严重影响了产品质量及性能。
1 铝合金材料特点
铝是银白色的轻金属,具有良好的塑性、较高的导电性和导热性,同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝极易氧化产生三氧化二铝薄膜,在焊缝中容易产生夹杂物,从而破坏金属的连续性和均匀性,降低其机械性能和耐腐蚀性能。常见铝合金母材和焊丝的化学成分及机械性能见表1。
2 铝合金材料的焊接难点
(1)极易氧化。在空气中,铝容易同氧化合,生成致密的三氧化二铝薄膜(厚度约0.1-0.2μm),熔点高(约2050℃),远远超过铝及铝合金的熔点(约600℃左右)。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3,约为铝的1.4倍,氧化铝薄膜的表面易吸附水分,焊接时,它阻碍基本金属的熔合,极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷,引起焊缝性能下降。
(2)易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢,由于液态铝可溶解大量的氢,而固态铝几乎不溶解氢,因此当熔池温度快速冷却与凝固时,氢来不及逸出,容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免,氢的来源很多,有电弧焊气氛中的氢,铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明,即使氩气按GB/T4842标准要求,纯度达到99.99% 以上,但当水分含量达到20ppm时,也会出现大量的致密气孔,当空气相对湿度超过80%时,焊缝就会明显出现气孔。
(3)焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍,易产生较大的焊接变形的内应力,对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。
(4)铝的导热系数大(纯铝0.538卡/Cm.s. ℃)。约为钢的4倍,因此,焊接铝和铝合金时,比焊钢要消耗更多的热量。
(5)合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素(如镁、锌、锰等),在高温电弧作用下,极易蒸发烧损,从而改变焊缝金属的化学成分,使焊缝性能下降。
(6)高温强度和塑性低。高温时铝的强度和塑性很低,破坏了焊缝金属的成形,有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。
(7)无色彩变化。铝及铝合金从固态转为液态时,无明显的颜色变化,使操作者难以掌握加热温度。
3 铝合金材料焊接的工艺方法
(1)焊前准备
采用化学或机械方法,严格清理焊缝坡口两侧的表面氧化膜。
化学清洗是使用碱或酸清洗工件表面,该法既可去除氧化膜,还可除油污,具体工艺过程如下:体积分数为6%～10%的氢氧化钠溶液,在70℃左右浸泡0.5min→水洗→体积分数为15%的硝酸在常温下浸泡1min进行中和处理→水洗→温水洗→干燥。洗好后的铝合金表面为无光泽的银白色。
机械清理可采用风动或电动铣刀,还可采用刮刀、锉刀等工具,对于较薄的氧化膜也可用0.25mm的铜丝刷打磨清除氧化膜。
清理好后立即施焊,如果放置时间超过4h,应重新清理。
(2)确定装配间隙及定位焊间距
施焊过程中,铝板受热膨胀,致使焊缝坡口间隙减少,焊前装配间隙如果留得太小,焊接过程中就会引起两板的坡口重叠,增加焊后板面不平度和变形量;相反,装配间隙过大,则施焊困难,并有烧穿的可能。合适的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙,因此,选择合适的装配间隙及定位焊间距,是减少变形的一项有效措施。根据经验,不同板厚对接缝较合理的装配工艺参数如表2。
(3)选择焊接设备
目前市场上焊接产品种类较多,一般情况下宜采用交流钨极氩弧焊(即TIG焊)。它是在氩气的保护下,利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。该焊机工作时,由于交流电流的极性是在周期性的变换,在每个周期里半波为直流正接,半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热,有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。
(4)选择焊丝
一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。
(5)选取焊接方法和参数
一般以左焊法进行,焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上时,以右焊法进行,焊炬和工件成90°角。
焊接壁厚在3mm以上时,开V形坡口,夹角为60°～70°,间隙不得大于1mm,以多层焊完成。壁厚在1.5mm以下时,不开坡口,不留间隙,不加填充丝。焊固定管子对接接头时,当管径为200mm,壁厚为6mm时,应采用直径为3～4mm的钨极,以220～240A的焊接电流,直径为4mm的填充焊丝,以1～2层焊完。
根据经验,在铝及铝合金焊接时,其适用的焊接参数如表3所示。
参考文献
[1] 罗树方.焊接手册一一焊接方法及设备(第二版)第1篇第5章[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2] 周万盛.焊接手册一一材料的焊接(第二版)第3篇第12章[M].北京:机械工业出版社,2001.
[3] 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M]. 北京:机械工业出版社,2000.
[4] 库德良绍夫、斯莫连采夫[苏联],高云震等译.铝合金断裂韧性[M].北京:冶金工业出版社,1980.116-118.
[5] 贺岩松.汽车铝合金零部件的焊接.专用汽车,1996.01.
[6] Begley, J.A.Landes, Fracture and Toughness, ASTM STP 514(1972) ,1-20.
[7] 刘玉东.小议现代焊接工艺中常用的几种铝合金焊接方法.今日科苑,2008.06.