还剩8页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
1绪论铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点,在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用掌握铝合金的焊接性特点、焊接操作技术、接头质量和性能、缺陷的形成及防止措施等,对正确制定铝合金的焊接工艺,获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义
1.1铝合金的分类、成分和性能
(1)铝合金的分类铝合金可分为变形铝合金(双分为非热处理强化铝合金、热处理强化铝合金两类)铸造铝合金变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板、带、管、型、条等半成品材料;铸造铝合金以合金铸锭供应铝合金分类示意见图1-1铝合金的分类及性能特点见表1-1按GB/T3190—1996和GB/T16474—1966的规定,铝合金牌号命名的基本原则是可直接采用国际四位数字体系牌号四位字符牌号的第一位、第三位、第四位为阿拉伯数字,第二位为英文大写字母2×××为Al-Cu系,3×××为Al-Mn系,4×××为Al-Si系,5×××为Al-Mg系,6×××为Al-Mg-Si系,7×××为Al-Zn系,8×××为Al-其他元素,9×××为Al-备用系这样,我国变形铝合金的牌号表示法与国际上的通用方法基本一致表
1.1铝合金的分类及性能特点分类合金名称合金系性能特点示例变形铝合金非热处理强化铝合金防锈铝Al-Mn抗蚀性、压力加工性与焊接性能好,但强度较低3A21Al-Mg5A05热处理强化铝合金硬铝Al-Cu-Mg力学性能高2A112A12超硬铝Al-Cu-Mg-Zn硬度强度最高7A047A09锻铝Al-Mg-Si-Cu锻造性能好耐热性能好2A142A50Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A702A80铸造铝合金简单铝硅合金Al-Si铸造性能好,不能热处理强化,力学性能较低ZL102特殊铝硅合金Al-Si-Mg铸造性能良好,可热处理强化,力学性能较高ZL101Al-Si-CuZL107Al-Si-Mg-CuZL105ZL110Al-Si-Mg-Cu-NiZL109铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好,铸造性能与抗蚀性差ZL201铝镁铸造合金Al-Mg力学性能高,抗蚀性好ZL301铝锌铸造合金Al-Zn能自动淬火,宜于压铸ZL401铝稀土铸造合金Al-Re耐热性能好—1)非热处理强化铝合金非热处理强化铝合金通过加工硬化、固溶强化提高力学性能,特点是强度中等、塑性及耐蚀性好,又称防锈铝,原先代号为LF××Al-Mn合金和Al-Mg合金属于防锈铝合金,不能热处理强化,但强度比纯铝高,并且具有优异的抗腐蚀性和良好的焊接性,是目前焊接结构中应用最广的铝合金、超硬铝、锻铝等硬铝硬铝的牌号是按铜的增加顺序编排的Cu是硬铝的主要成分,为了得到高的强度,Cu含量一般应控制在
4.0%~
4.8%Mn也是硬铝的主要成分,主要作用是消除铁对抗蚀性的不利的影响,还能细化晶粒、加速时效硬化在硬铝合金中,铜、硅、镁等元素能形成溶解于铝的化合物,从而促使硬铝合金在热处理时强化退火状态下硬铝的抗拉强度为160~220MPa,经过淬火及时效后抗拉强度增加至312~460MPa但硬铝的耐蚀性能差,为了提高合金的耐蚀性,常在硬铝板表面覆盖一层工业纯铝保护层超硬铝合金中锌、镁、铜的平均总含量可达
9.7%~
13.5%,在当前航空航天工业中仍是强度最高和应用最多的一种轻合金材料超硬铝的塑性和焊接性差,接头强度远低于母材由于合金中锌含量较多,形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大锻铝具有良好的热塑性,而且铜含量越少热塑性越好,适于作锻件用具有中等强度和良好的抗蚀性,在工业中得到广泛应用铝合金的新旧牌号对照见表
1.2表
1.2铝合金的新旧牌号对照类别新牌号旧牌号类别新牌号旧牌号防锈铝合金—5A025A035A055A065B05508350563A213003LF1LF2LF3LF5LF6LF10LF4LF5-1LF21—锻铝合金6A022A502B502A702A802A902A1460616063LD2LD5LD6LD7LD8LD9LD10LD30LD31硬铝合金2A012A02—2A042A062B112B122A102A112A122A132A162A17LY1LY2LY3LY4LY6LY8LY9LY10LY11LY12LY13LY16LY17超硬铝合金7A037A04—7A097A107003LC3LC4LC5LC9LC10LC12
(2)铝合金的性能铝合金的物理性能见表
1.3表
1.3铝合金的物理性能合金密度/g·cm-1比热容(100℃)/J·kg-1·K-1热导率(25℃)/W·m-1·K-1线胀系数(20~100℃)/10-6K-1电阻率(20℃)/10-6Ω·m备注(原牌号)3A215A035A062A122A166A022A107A
042.
732.
672.
642.
782.
842.
702.
802.851009880921921880795836—
180.
0146.
5117.
2117.
2138.
2175.
8159.
1159.
123.
223.
523.
722.
722.
623.
522.
523.
13.
454.
966.
735.
796.
103.
704.
304.20防锈铝LF21防锈铝LF3防锈铝LF6硬铝LY12硬铝LY16锻铝LD2锻铝LD10超硬铝LC4防锈铜器(铝锰合金、铝镁合金)主要用于要求高的塑性的焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件,如油箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件等铝合金被广泛应用航空航天、建筑、汽车、机械制造、电工、化学工业、商业等领域铝合金在飞机制造中是主要的结构材料,它约占骨架质量的55%,而且大部分关键轴承部件,如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等是由铝合金制造的
1.2 铝合金的焊接性特点铝合金熔化焊时有如下困难和特点
(1)铝和氧的亲和力很大,因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝膜远远超过铝的熔点,这层氧化膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿在焊接或钎焊过程中应将氧化膜清除或破坏掉
(2)熔焊时,铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素可获得不同性能的合金,各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响不同
(3)铝合金的固态和液态色泽不易区别,焊接操作时难以控制熔池温度
(4)焊后焊缝易产生气孔,焊接接头区易发生软化对铝合金进行焊接,可以用多种不同的焊接方法,表
1.4所列的为部分铝合金的相对焊接性表
1.4部分铝合金的相对焊接性焊接方法焊接性与适用范围说明铝锰合金铝镁合金铝铜合金适用厚度30033004508350565052545420142024推荐可用TIG焊(手工、自动)很好很好很好很差1~
100.9~25填丝或不填丝,厚板需预热,交流电源MIG焊(手工、自动)很好很好很好较差≥8≥4焊丝为电极,厚板需预热和保温,直流反接脉冲MIG焊(手工、自动)很好很好很好较差≥
21.6~8适用于薄板焊接气焊很好很差较差很差
0.5~
100.3~25适用于薄板焊接焊条电弧焊较好很差较差很差3~8—直流反接,需预热,操作性差电阻焊(点焊、缝焊)较好很好很好较好
0.7~
30.1~4需要电流大等离子弧焊很好很好很好较差1~10—焊缝晶粒小,抗气孔性能好电子束焊很好很好很好较好3~75≥3焊接质量好,适用于厚件现代科学技术的发展促进了铝合金焊接技术的进步可焊接的铝合金材料范围逐步扩大,现在不仅可以成功地焊接非热处理强化的铝合金,而且解决了传统的航空航天和军工等行业,逐步扩大到国民经济生产和人民生活的各个领域2铝合金的焊接方法和材料选用
2.1铝合金的焊接方法铝合金的焊接方法很多,各种方法有其不同的应用场合除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外,其他一些焊接方法(如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等)也可以容易地将铝合金焊接在一起铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表
2.1应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择表
2.1铝合金常用焊接方法的特点及适用范围焊接方法特点适用范围气焊热功率低,焊件变形大,生产率低,易产生夹渣、裂纹等缺陷用于非重要场合的薄板对接焊及补焊等手工电弧焊接头质量差用于铸铝件补焊及一般修理钨极氩弧焊焊缝金属致密,接头强度高、塑性好,可获得优质接头应用广泛,可焊接板厚1~20㎜钨极脉冲氩弧焊焊接过程稳定,热输入精确可调,焊件变形量小,接头质量高用于薄板、全位置焊接、装配焊接及对热敏感性强的锻铝、硬铝等高强度铝合金熔化极氩弧焊电弧功率大,焊接速度快用于厚件的焊接,可焊厚度为50㎜以下熔化极脉冲氩弧焊焊接变形小,抗气孔和抗裂性好,工艺参数调节广泛用于薄板或全位置焊,常用于厚度2~12㎜的工件等离子弧焊热量集中,焊接速度快,焊接变形和应力小,工艺较复杂用于对接焊要求比氩弧焊更高的场合真空电子束焊熔深大热影响区小,焊接变形量小接头力学性能好用于焊接尺寸较小的焊件激光焊焊接变形小,生产率高用于需进行精密焊接的焊件
(1)气焊氧-乙炔气焊火焰的热功率低,热量较分散,因此焊件变形大、生产率低用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热,焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松,而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷这种方法只用于厚度范围在
0.5~10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上
(2)钨极氩弧焊这种方法是在氩气保护下施焊,热量比较集中,电弧燃烧稳定,焊缝金属致密,焊接接头的强度和塑性高,在工业中获得起来越广泛的应用钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法,但钨极氩弧焊设备较复杂,不宜在室外露天条件下操作
(3)熔化极氩弧焊自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大,热量集中,热量影响区小,生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2~3倍可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板例如,焊接厚度30㎜的铝板不必预热,只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件,用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接,但半自动焊的焊丝直径较细,焊缝的气孔敏感性较大
(4)脉冲氩弧焊1)钨极脉冲氩弧焊用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性,便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形焊件变形小、热影响区小,特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接2)熔化极脉冲氩弧焊可采用的平均焊接电流小,参数调节范围大,焊件的变形及热影响区小,生产率高,抗气孔及抗裂性好,适用于厚度在2~10㎜铝合金薄板的全位置焊接
(5)电阻点焊、缝焊可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接焊接时需要用较复杂的设备,焊接电流大、生产率较高,特别适用于大批量生产的零、部件
(6)搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术与传统熔焊方法相比,搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头无气孔、裂纹与普通摩擦相比,它不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝这种焊接方法还有一系列其它优点,如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等由于铝及铝合金熔点低,更适于采用搅拌摩擦焊
2.2铝用焊接材料
(1)焊丝采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时,需要加填充焊丝铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类为了得到良好的焊接接头,应从焊接构件使用要求考虑,选择适合于母材的焊丝作为填充材料选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求,还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能,结构的刚性、颜色及抗裂性等选择熔化温度低于母材的填充金属,可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向对于非热处理合金的焊接接头强度,按1000系、4000系、5000系的次序增大含镁3%以上的5000系的焊丝,应避免在使用温度65℃以上的结构中采用,因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感,在上述温度和腐蚀环境中会发生应力腐蚀龟裂用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属,通常可防止焊缝金属的裂纹倾向目前,铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的标准牌号焊丝在缺乏标准牌号焊丝时,可从基体金属上切下狭条代用较为通用的焊丝是HS311,这种焊丝的液态金属流动性好,凝固时的收缩率小,具体优良的抗裂性能为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能,通常在丝中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作为变质剂选用铝合金焊丝应注意的问题如下1)焊接接头的裂纹敏感性影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配选用熔化温度低于母材的焊缝金属,可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性例如,焊接硅含量
0.6%的6061合金时,选用同一合金作焊缝,裂纹敏感性很大,但用硅含量5%的ER4043焊丝,由于其熔化温度比6061合金低,在冷却过程中有较高的塑性,所以抗裂性能良好此外,焊缝金属避免镁与铜的组合,因为Al-Mg-Cu有很高的裂纹敏感性2)焊接接头的力学性能工业纯铝的强度最低,4000系列铝合金居中,5000系列铝合金强度最高铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能,但含硅焊丝的塑性较差,所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说,应避免选用含硅焊丝3)焊接接头的使用性能填充金属的选择除取决于母材成分外,还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关例如,为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染,储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金在这种情况下,填充金属的纯度至少要相当于母材
(2)焊条铝合金焊条型号、规格与用途见表
2.2铝合金焊条的化学成分和力学性能见表
2.3表
2.2铝及铝合金焊条的型号(牌号)、规格与用途型号牌号药皮类型焊芯材质焊条规格/㎜用途E1100L109盐基型纯铝
3.2,
4.5345~355焊接纯铝板、纯铝容器E4043L209盐基型铝硅合金
3.2,
4.5345~355焊接铝板、铝硅铸件、一般铝合金、锻铝、硬铝(铝镁合金除外)E3003L309盐基型铝锰合金
3.2,
4.5345~355焊接铝锰合金、纯铝及其他铝合金表
2.3铝及铝合金焊条的化学成分和力学性能型号牌号药皮类型电源种类焊芯化学成分/%熔敷金属抗拉强度/MPa焊接接头抗拉强度/MPaE1100L109盐基型直流反接Si+Fe≤
0.95Co
0.05~
0.20Mn≤
0.05Be≤
0.0008Zn≤
0.10其他总量≤
0.15Al≥
99.0≥64≥80E4043L209盐基型直流反接Si
4.5~
6.0Fe≤
0.8Cu≤
0.30Mn≤
0.05Zn≤
0.10Mg≤
0.0008其他总量≤
0.15Al余量≥118≥95E3003L309盐基型直流反接Si≤
0.6Fe≤
0.7Cu
0.05~
0.20Mn
1.0~
1.5Zn≤
0.10其他总量≤
0.15Al余量≥118≥95
(3)保护气体焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气氩气的技术要求为Ar>
99.9%氧<
0.005%,氢<
0.005%,水分<
0.02mg/L,氮<
0.015%氧、氮增多,均恶化阴极雾化作用氧>
0.3%,则使钨极烧损加剧,超过
0.1%使焊缝表面无光泽或发黑钨极氩弧焊时,交流加高频焊接选用纯氩气,适用大厚度板;直流正极性焊接选用Ar+He或纯Ar熔化极氩弧焊时,当板厚<25㎜时,采用纯Ar当板厚为25~50㎜时,采用添加10%~35%Ar的Ar+He混合气体当板厚为50~75㎜时,宜采用添加10%~35%或50%He的Ar+He混合气体当板厚>75㎜时,推荐添加50%~75%He的Ar+He混合气体3铝合金焊接现场分析铝合金型材和铸件在航空航天领域以及其他装备制造业中得到了广泛应用由于其工作条件的特殊性对于零件接头性能和表面的质量要求较高在对接头进行焊接和发生表面缺陷进行补焊时由于该类合金线膨胀系数大、导热性强焊接过程中易引起较大的热应力用大电流焊接时焊缝及近缝区金属易产生过热和晶粒长大容易产生裂纹、气孔等缺陷由于零件表面极易产生难熔氧化膜和低熔点共晶体焊缝中会形成夹渣、产生热裂纹使接头性能变坏[1-2]为保证焊接和补焊质量、避免焊接缺陷应选取合理的焊接方法和工艺措施
3.1焊前准备
(1)化学清理化学清理效率高,质量稳定,适用于清理焊丝以及尺寸不大、批量生产的工件小型工件可采用浸洗法表
3.1是去除铝合金表面氧化膜的化学清洗溶液配方和清洗工序流程表
3.1去除铝表面氧化膜的化学处理方法溶液浓度温度/℃容器材料工艺目的硝酸50%水50%硝酸18~24不锈钢浸15min,在冷水中漂洗,然后在热水中漂洗,干燥去除薄的氧化膜,供熔焊用氢氧化钠加硝酸5%氢氧化钠95%水70低碳钢浸10~60s,在冷水中漂洗去除厚氧化膜,适用于所有焊接方法和钎焊方法浓硝酸18~24不锈钢浸30s,在冷水中漂洗,然后在热水中漂洗,干燥硫酸铬酸硫酸CrO3水70~80衬铝的钢罐浸2~3min,在冷水中漂洗,然后在热水中漂洗,干燥去除因热处理形成的氧化膜磷酸铬酸磷酸CrO3水93不锈钢浸5~10min,在冷水中漂洗,然后在热水中漂洗,干燥去除阳极化处理镀层焊丝清洗后可在150~200℃烘箱内烘焙
0.5h,然后存放在100℃烘箱内随用随取清洗过的焊件不准随意乱放,应立即进行装配、焊接,一般不要超过24h的,焊前采用机械方法清理后再进行装配、焊接大型焊件受酸洗槽尺寸限制,难于实现整体清理,可在接头两侧各30㎜的表面区域用火焰加热至100℃左右,涂擦室温的NaOH溶液,并加以擦洗,时间略长于浸洗时间,除净焊接区的氧化膜后,用清水冲洗干净,再中和、光化后,用火焰烘干
(2)机械清理通常先用丙醇或汽油擦洗表面油污,然后可根据零件形状采用切削方法,如使用风动或电动铣刀,也可使用刮刀等工具对较薄的氧化膜可采用不锈钢的钢丝刷清理表面,不宜采用纱布、砂纸或砂轮打磨工件和焊丝清洗后有及时装配,工件表面会重新氧化,特别是在潮湿的环境以及被酸碱蒸汽污染的环境中,氧化膜生长很快
(3)焊前预热焊前最好不进行预热,因为预热可加大热影响区的宽度,降低某些铝合金焊接接头的力学性能但对厚度超过5~8㎜的厚大铝件焊前需进行预热,以防止变形和未焊透,减少气孔等缺陷通常预热到90℃足以保证在始焊处有足够的熔深,预热温度不应超过150℃,含
4.0%~
5.5%镁的铝镁合金的预热温度不应超过90℃
3.2铝合金焊接变形及控制除了炉中钎焊、扩散焊等极少部分焊接方法外,绝大部分熔焊、压力焊和钎焊方法均采用热能比较集中的“点热源”,如高温火焰、电弧或瞬间高密度、高强度电子束、激光束等,对工件上的加热点,快速加热,使局部待焊母材或焊料迅速熔化,并凝结为一体,若干焊点组合起来,或一个个焊点连续起来就形成焊接接头因此焊接是一种局部加热的工艺过程,对焊件这种不均匀的快速加热与冷却过程是产生焊接变形的根本原因由于铝合金比许多其他焊接材料有较大的热膨胀系数,所以在焊接过程中,随着快速加热和快速冷却而带来的膨胀和收缩发生时,必然出现不同形式的变形铝合金在焊后热处理时期也会发生变形当在金属局部区域加热的时候,未加热区域抵制了加热区域的膨胀而产生了变形冷却时,由于周围金属的抑制,可能导致变形或翘曲由于铝合金散热迅速,焊接金属的收缩一般是焊接变形的主要原因焊接变形造成焊接结构尺寸形状超差,焊接结构组装配全困难,焊接变形过大或矫正无效,有可能使产品报废,造成经济损失时,往往都是联合采用,而非单独采用所以在具体选择方法时,一定要根据焊件的结构开关和尺寸,并分析其变形情况后决定
3.3焊后处理
(1)清除残渣焊件焊完后,如果是使用气焊或药皮焊条焊,在对焊缝进行外观检查和无损检测之前,需要对焊缝及两侧的残存熔剂和焊渣及时进行清除,以防止焊渣和残存焊剂腐蚀焊缝及其表面避免造成不良后果常用的焊后清理方法如下1)在60~80℃的热水中刷洗;2)放入重铬酸钾或质量分数为2%~3%的铬酐溶液中冲洗;3)再在60~80℃的热水中洗涤;4)放入干燥箱中烘干或风干为了检验存熔剂支队的效果,可以在焊件的焊缝上滴上蒸馏水,然后再将蒸馏水收集起来,并滴入装有5%硝酸银溶液的不试管中,如有白色沉淀,则表示残存熔剂尚未清除彻底
(2)焊件的表面处理通过适当的焊接工艺和正确的操作技术,焊接后的铝合金焊缝表面,具有均匀的波纹和光滑的外貌,一般很少要求再进行机械加工修饰在焊接期间仔细操作可以省许多焊接时间和精加工劳动焊件的表面可以使用化学精加工处理,如化学腐蚀、化学光饰以及各种形式的化学转换涂层阳极化处理,可以改善抗腐蚀和抗磨损性能,特别是和抛光及染色技术配合使用时,可获得高质量的装饰表面减小焊接热影响区,可使阳极化处理不良的颜色变化减至最小使用快速焊接工艺,如熔化极弧焊或闪光对焊,可最大限度地减少焊接热影响区因此闪光对焊的焊缝,阳极化处理质量良好特别是对退火状态下不能热处理强化的合金的焊接件,阳极化处理后,金属基体和焊接热影响区之间的颜色反差最小炉中和浸渍钎焊不是局部加热的,所以金属颜色的外观是非常均匀的可热处理强化的合金,常常用作建筑结构零件,它们在焊接以后,常常进行阳极处理在这类合金中,焊接加热会形成合金元素的析出,阳极化处理以后,热影响区和焊缝之间会出现差异这些在焊接区附近的晕圈,使用快速焊接可使其减至最小,或者使用冷却垫块和压板也可使晕圈减到很小,这些边圈在焊接后,阳极化处理前,进行固溶处理可以消除在化学处理的焊接件中,有时会遇到焊缝金属和基体金属的颜色颜色差别较大,这就必须仔细地选择填充金属的成分,特别是合金成分中含有硅时,就会对颜色的配比有影响无论任何时候,在阳极化处理的焊接区,不应该看到有颜色的差异,所以为了避免颜色的失调,选用的填充合金,宁愿有较差的精加工特性,也应该有较好的焊接特性如有必要可以对焊件进行机械抛光机械抛光即通过研磨、去行刺、滚光、抛光或砂光等物理方法改善铝工件的表面机械抛光的目的各不相同,从简单的除氧化皮、去行刺到可以产生镜面表面的高质量磨光机械抛光的目的是尽可能少的工序获得所需要的表面质量然而,铝合金金属软金属,摩擦系数比较高,而且在研磨过程中如果发生过热,有可能使焊件变形,甚至从电影界断裂的现象这要求在抛光过程中有充分的润滑,对金属表固的压力应降低到最低机械抛光必须受制于材料的独特性常用的机械抛光有抛光、磨光、磨料喷击、喷丸等此外,电镀和有机涂层也是铝合金焊件获得良好表而质量的一种有效方法
3.4铝合金产品的焊缝质量检验焊接完成后的铝合金产品,需要进行焊缝质量检验铝合金焊缝的质量取决于焊接进所用的焊丝、气剂、气体的质量、接头的装配质量、焊接顺序、坡口的清理、施工条件技术水平高低和选用的焊接规范等因素为保证焊接质量,必须严格检查焊接结构制造过程中的各个环节,及时防止各种缺陷的产生此外,焊接质量还与新工艺的推广应用有关完工后的焊接部件及整个产品必须进行全面的质量检验焊缝的检验方法甚多,一般常用的有如下几种
(1)外观检验这种检验方法是以肉眼观察为主,有时也可用低倍放大镜观察外观检验的内容主要为检查咬边、表面气孔、裂纹、烧穿、焊瘤、弧坑等缺陷,以及焊缝的外形尺寸检查范围内100%焊缝
(2)X射线探伤X射线探伤是检查铝合金焊缝内部最有效的方法,它能确定焊缝内部的气孔、夹渣、未焊透、内部裂纹的位置和内部飞溅物等缺陷但走私在
0.2㎜以下的显微气孔、显微裂纹和微小的未焊透等缺陷则不易用X射线探测到根据X射线探伤法摄制、显影后的底片黑度,并参考JB1580—75《铝制焊接容器技术条件》标准中有关X射线探伤标准评定产品的质量等级采用三级评定方法,1级焊缝为优良品,2级为合格品,3级为不合格品焊缝透视质量的等级评定标准如下1)焊缝存在裂纹、未熔合或未焊透(双面焊)时,应评为3级;2)单面焊未焊透的深度超过壁厚的15%板厚时应评定为2级,超过1/3板厚时应评为3级;3)单个缺陷尺寸在任何方向上的最大尺寸超过1/5板厚时应评定为2级,超过1/3板厚时应评为3级;对于探伤不合格的焊缝应进行质量分析,找出原因,订出措施方可返修返修后必须重新做探伤检验同一部位的返修次数一般不超过两次,超过两次的返修要经制造主管部门批准,且返修次数和部位应在产品在产品质量证明书中注明
(3)超声波探伤检验近年来,对铝合金的焊缝检验开始采用超声波探伤技术,并在对接焊缝的探伤中取得了一些经验它与X射线探伤法相比较具有下列优点1)不需要如X射线探伤的贴片、冲洗底片等工序,因而缩短了检验时间;2)对探测微裂纹和未焊透缺陷比X射线探伤法灵敏;3)探测距离比X射线探伤法要大;4)既经济又安全但用超声波探伤法检验时,要求铝焊缝两侧必须光滑清洁,在阳光下操作时观察示波屏的回声脉冲比较困难用这种方法判断焊缝缺陷的可靠性和准确性与操作者的技术水平、工作经验有很大关系.铝合金焊缝中缺陷的方向大多与焊缝表面垂直因此探伤时只利用带角度的探头将超声波从基体金属的表面以横波形式射入焊缝.具体操作方法可参考JB1152—81《钢制压力容器对接超声波探伤》部颁标准超声波探伤还可对铝合金点焊、滚焊焊接接头进行无损检验
(4)接头机械性能试验机械性能试验可用以评定焊接接头的强度、塑性及检验缺陷对接头机械性能的影响试样数量、尺寸及检验方法参考GB2649—81《焊接接头机械性能试验取样法》、GB2651—81《焊接接头拉伸试验法》、GB2653—81《焊接接头弯曲主压扁试验法》、GB2650—81《焊接接头冲击试验法》等国家标准中的有关规定常用的铝合金接头机械性能试验项目接头抗拉强度及冷弯试验其结果应满足以下要求1)防锈铝合金接头抗拉强度≥90%σb;为基体供货状态抗拉强度的下限2)冷弯角(弯轴直径等于二倍板厚)要求防锈铝合金由供需双方协议决定在切取抗拉、冷弯试样前应预先对试板进行X射线探伤检验当试板中存在较严重的缺陷时,不允许切取机械性能试样非热处理强化型铝合金焊接接头的软化是由于热影响区金属加热到再结晶温度以上时,冷作硬化效果局部消失而引起的软化造成的强度降低并不严重,接头强度约退火状态基体金属的85%~98%,热处理强化型铝合金热影响区的组织变化比较复杂,焊接接头的软化不但显著地降低整个接头的机械性能,并影响接头与基体金属不等强例如,经淬火、自然时效的LY
12、LY11硬铝,其接头强度只占基体金属的55%~70%,可见,软化程度比非热处理强化型铝合金严重得多铝镁合金焊接接头的强度与基体金属、焊丝中的镁、锰含量有关,而尤为基体金属中的镁含量影响为显著4铝合金焊接工艺4.1铝合金的气焊氧-乙炔气焊的热效率低,焊接热输入不集中,焊接铝及铝合金时需采用熔剂,焊后又需清除残渣,接头质量及性能也不高因为气焊设备简单,无需电源,操作方便灵活,常用于焊接对质量要求不高的铝合金构件,如厚度较薄的薄板及小零件,以及补焊铝合金构件和铝铸件
(1)气焊的接头形式气焊铝合金时,不宜采用搭接接头和T形接头,这种接头难以清理流入缝隙中的残留熔剂和焊渣,应尽可能采用对接接头为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿,可以采用带槽的垫板,垫板一般用不锈钢或纯铜等制成,带垫板焊接可获得良好的反面成形,提高焊接生产率
(2)气焊熔剂的选用铝合金气焊时,为了使焊接过程顺利进行,保证焊缝质量,气焊时需要加熔剂来去除铝表面的氧化膜及其他杂质气焊熔剂(又称气剂)是气焊时的助熔剂,主要作用是去除气焊过程中生成在铝表面的氧化膜,改善母材的润湿性能,促使获得致密的焊缝组织等气焊铝合金必须采用熔剂,一般是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上,或者沾在焊丝上加入熔池内铝合金熔剂是钾、钠、钙、锂等元素的氯人盐,是粉碎后过筛并按一定比例配制的粉状化合物例如铝冰晶石(Na3AlF6)在1000℃进可以熔解氧化铝,又如氯化钾等可使难熔的氧化铝转变为易熔的氯化铝这种熔剂的熔点低,流动性好,还能改善熔化金属的流动性,使焊缝成形良好铝合金气焊熔剂有含锂熔剂和无锂熔剂两类含锂熔剂的氯化锂能改善熔渣的物理性能、降低熔渣的熔点和黏度,能较好地去除氧化膜,适用于薄板和全位置焊接但氯化锂价格贵,而且吸湿性强不含锂的熔剂熔点高、黏度大、流动性差,易产生焊缝夹渣,适用于厚大件的焊接对于搭接接头、不熔透角焊缝和难以完全清理掉残留熔渣的焊缝,以及含镁较高的铝镁合金选用熔剂时,不宜采用含钠组成物的熔剂将粉状熔剂和蒸馏水调成糊状(每100g熔剂约加入50mL蒸馏水)涂于焊件坡口和焊丝表面,涂层厚
0.5~
1.0㎜或用灼热的焊丝直接蘸熔剂干粉使用,这样可减少熔池中水分的来源,减少气孔调制好的熔剂应在12h内用完铝合金气焊熔剂容易吸潮,所以应该对其瓶装密封,以防受潮失效焊接时,应先用洁净水或蒸馏水将熔剂调成糊状,然后把这涂在接头上,或者浸涂在焊丝上调好的糊状熔剂最好随调随用,不要久放,以免变质
(3)焊嘴和火焰的选择铝合金有强烈的氧化性和吸气性气焊时,为使铝不被氧化,应采用中性焰或微弱碳化焰(乙炔既过剩的碳化焰),使铝熔池置于还原性气氛的保护下而不被氧化严禁采用氧化焰,因为用氧化性较强的氧化焰会使铝强烈氧化,阻碍焊接过程进行;而乙炔过多,游离的氢可能溶入熔池,会促使缝产生气孔,使焊缝疏松
(4)定位焊缝为防止焊件在焊接中产生尺寸和相对位置的变化,焊件焊前需要点固焊由于铝的线膨胀系数大、导热速度快、气焊加热面积大,因此,定位焊缝较钢件应密一些定位焊用的填充焊丝与产品焊接时相同,定位焊接前应在焊缝间隙内涂一层气剂定位焊的火焰功率比气焊时稍大
(5)气焊操作焊接钢铁材料时,可以从钢材的颜色变化判断加热的温度但焊铝时,却没有这个方便条件因为铝合金从室温加热到熔化的过程中没有颜色的明显变化,给操作者带来控制焊接温度困难但可根据以下现象掌握施焊时机1)当被加热的工件表面由光亮白色变成暗淡的银白色,表面氧化膜起皱,加热处金属有波动现象时,表明即将达到熔化温度,可以施焊;2)用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处,焊丝与母材能熔合时,即达到熔化温度,可以施焊;3)母材边棱有倒下现象时,母材达到熔化温度,可以施焊气焊薄板可采用左焊法,焊丝位于焊接火焰之前,这种焊法因火焰指向未焊的冷金属,热量散失一部分,有利于防止熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿母材厚度大于5㎜可采用右焊法,此法焊丝在焊炬后面,火焰指向焊缝,热量损失小,熔深大,加热效率高气焊厚度小于3㎜的薄件时,焊炬倾角为20~40°;气焊厚件时,焊炬倾角为40~80°,焊丝与焊炬夹角为80~100°铝合金气焊应尽量将接头一次焊成,不堆敷第二层,因为堆敷第二层时会造成焊缝夹渣等
(6)焊后处理气焊焊缝表面的残留焊剂和熔渣对铝接头的腐蚀,是铝接头日后使用中引起损坏的原因之一在气焊后1~6h之内,应将残留的熔剂、熔渣清洗掉,以防引起焊件腐蚀焊后清理工序如下1)焊后将焊件放入40~50℃的热水槽中浸渍,最好用流动的热水,用硬毛刷刷焊缝及焊缝附近残留熔剂、熔渣的地方,直至清除干净2)将焊件浸入硝酸溶液中当室温为25°以上时,溶液浓度15%~25%,浸渍时间为10~15min室温为10~15℃时,溶液浓度20%~25%,浸渍时间为15min3)将焊件置于流动热水(温度为40~50℃)的槽中浸渍5~10min4)用冷水将焊件冲洗5min5)将焊件自然晾干,也可放在干燥箱中烘干或用热空气吹干4.2铝合金的钨极氩弧焊(TIG焊)也称为钨极惰性气体保护电弧焊,是利用钨极与工件之间形成电弧产生的大量热量熔化待焊处,外加填充焊丝获得牢固的焊接接头氩弧焊焊铝是利用其“阴极雾化”的特点,自行去除氧化膜钨极及缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽保护,防止焊缝区和周围空气的反应TIG焊工艺最适于焊接厚度小于3㎜的薄板,工件变形明显小于气焊和手弧焊交流TIG焊阴极具有去除氧化膜的清理作用,可以不用熔剂,避免了焊后残留熔剂、熔渣对接头的腐蚀接头形式可以不受限制,焊缝成形良好、表面光亮氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快,改善了接头的组织和性能,适于全位置焊接由于不用熔剂,焊前清理的要求比其他焊接方法严格焊接铝合金较适宜的工艺方法是交流TIG焊和交流脉冲TIG焊,其次是直流反接TIG焊通常,用交流焊接铝合金时可在载流能力、电弧可控性以及电弧清理作用等方面实现最佳配合,故大多数铝合金的TIG焊都采用交流电源采用直流正接(电极接负极)时,热量产生于工件表面,形成深熔透,对一定尺寸的电极可采用更大的焊接电流即使是厚截面也不需预热,且母材几乎不发生变形虽然很少采用直流反接(电极接正极)TIG焊方法来焊接铝,但这种方法在连续焊或补焊薄壁热交换器、管道厚在
2.4㎜以下的类似组件时有熔深浅、电弧容易控制、电弧有良好的净化作用等优点
(1)钨极钨的熔点是340℃,是熔点最高的金属钨在高温时有强烈的电子发射能力,在钨电极加入微量稀土元素钍、铈、锆等的氧化物后,电子逸出功显著降低,载流能力明显提高铝合金TIG焊时,钨极作为电极主要起传导电流、引燃电弧和维持电弧正常燃烧的作用常用钨极材料分纯钨、钍钨及铈钨等
(2)焊接工艺参数为了获得优良的焊缝成形及焊接质量,应根据焊件的技术要求,合理地选定焊接工艺参数铝合金手工TIG焊的主要工艺参数有电流种类、极性和电流大小、保护气体流量、钨极伸出长度、喷嘴至工件的距离等自动TIG焊的工艺参数还包括电弧电压(弧长)、焊接速度及送丝速度等工艺参数是根据被焊材料和厚度,先确定钨极直径与形状、焊丝直径、保护气体及流量、喷嘴孔径、焊接电流、电弧电压和焊接速度,再根据实际焊接效果调整有关参数,直至符合使用要求为止铝合金TIG焊工艺参数的选用要点如下1)喷嘴孔径与保护气体流量铝合金TIG的喷嘴孔径为5~22㎜;保护气体流量一般为5~15L/min2)钨极伸出长度及喷嘴至工件的距离钨极伸出长度对接焊缝时一般为5~6㎜,角焊缝时一般为7~8㎜喷嘴至工件的距离一般取10㎜左右为宜3)焊接电流与焊接电压与板厚、接头形式、焊接位置及焊工技术水平有关手工TIG焊时,采用交流电源,焊接厚度小于6㎜铝合金时,最大焊接电流可根据电极直径d按公式I=(60~65)d确定电弧电压主要由弧长决定,通常使弧长近似等于钨极直径比较合理4)焊接速度铝合金TIG焊时,为了减小变形,应采用较快的焊接速度手工TIG焊一般是焊工根据熔池大小、熔池形状和两侧熔合情况随时调整焊接速度,一般的焊接速度为8~12m/h;自动TIG焊时,工艺参数设定之后,在焊接过程中焊接速度一般不变5)焊丝直径一般由板厚和焊接电流确定,焊丝直径与两者之间呈正比关系交流电特点是负半波(工件为负)时,有阴极清理作用,正半波(工件为正)时,钨极因发热量低,不容易熔化为了获得足够的熔深和防止咬边、焊道过宽和随之而来的熔深及焊缝外形失控,必须维持短的电弧长度,电弧长度大约等于钨极直径为了防止起弧处及收弧处产生裂纹缺陷,有时需要加引弧板和熄弧板当电弧稳定燃烧,钨极端部被加热到一定的温度后,才能将电弧移入焊接区钨极脉冲惰性气体保护焊扩大了TIG焊的应用范围,特别适用于焊接精密零件在焊接时,高脉冲提供大电流值,这是在留间隙的根部焊接时为完成熔透所需的;低脉冲可冷却熔池,这就可防止接头根部烧穿脉冲作用还可以减少向母材的热输入,有利于薄铝件的焊接交流钨极脉冲氩弧焊有加热速度快、高温停留时间短、对熔池有搅拌作用等优点,焊接薄板、硬铝可得到满意的焊接接头交流钨极脉冲氩弧焊对仰焊、立焊、管子全位置焊、单面焊双面成形,可以得到较好的焊接效果铝合金交流脉冲TIG焊的工艺参数见表
3.2表
3.2铝合金交流脉冲TIG焊的工艺参数母材板厚/㎜钨极直径/㎜焊丝直径/㎜电弧电压/V脉冲电流/A基值电流/A脉冲比/%气体流量/L·min-1频率/HZ5A
031.
532.
51480453351.
72.515955025A
06221083442.52A
122.
513140523682.6
(3)铝合金TIG焊常见缺陷及防止措施1)气孔产生原因氩气纯度低或氩气管路内有水分、漏气等;焊丝或母材坡口附近焊前未清理干净或清理后又被污物、水分等沾污;焊接电流和焊速过大或过小;熔池保护欠佳,电弧不稳,电弧过长,钨极伸出过长等防止措施保证氩气的管路,选择认真清理焊丝、焊件,清理后及时焊接,并防止再次污染更新送气管路,选择合适的气体流量,调整好钨极伸出长度;正确选择焊接工艺参数必要时,可以采取预热工艺,焊接现场装挡风装置,防止现场有风流动2)裂纹产生原因焊丝合金成分选择不当;当焊缝中的镁含量小于3%,或铁、硅杂质含量超出规定时,裂纹倾向增大;焊丝的熔化温度偏高时,会引起热影响区液化裂纹;结构设计不合理,焊缝过于集中或受热区温度过高,造成接头拘束应力过大;高浊停留时间长,组织过热;弧坑没填满,出现弧坑裂纹等防止措施所选焊丝的成分与母材要匹配;加入引弧板或采用电流衰减装置填满弧坑;正确设计焊接结构,合理布置焊缝,使焊缝尽量避开应力集中处,选择合适的焊接顺序;减小焊接电流或适当增加焊接速度3)未焊透产生原因焊接速度过快,弧长过大,焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过小,钝边过大;工件坡口边缘的毛刺、底边的污垢焊前没有除净;焊炬与焊丝倾角不正确防止措施正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接工艺参数;加强氧化膜、熔剂、熔渣和油污的清理;提高操作技能等4)焊缝夹钨产生原因接触引弧所致;钨极末端形状与焊接电流选择得不合理,使尖端脱落;填丝触及到热钨极尖端和错用了氧化性气体防止措施采用高频高压脉冲引弧;根据选用的电流,采用合理的钨极尖端形状;减小焊接电流,增加钨极直径,缩短钨极伸出长度;更新惰性气体;提高操作技能,勿使填丝与钨极接触等5)咬边产生原因焊接电流太大,电弧电压太高,焊炬摆幅不均匀,填丝太少,焊接速度太快防止措施减小焊接电流与电弧电压,保持焊炬摆幅均匀,适当增加送丝速度或降低焊接速度4.3铝合金的熔化极氩弧焊(MIG焊)也称为熔化极惰性气体保护电弧焊电弧是在惰性气体保护中的焊件和铝及铝合金焊丝之间形成焊丝作为电极及填充金属由于焊丝作为电极可采用高密度电流因而母材熔深大填充金属熔敷速度快焊接生产率高MIG焊接铝合金通常采用直流反极性,这样可保持良好的阴极雾化作用铝合金MIG焊不必用熔剂支队妨碍熔化的气体铝的氧化铝薄膜,这层氧化铝膜的去除是利用焊件金属为负极时的电弧作用因此,MIG焊接后不会因没有仔细去除熔剂而造成焊缝金属腐蚀的危险焊接薄、中等厚度板材时,可用纯氦保护焊前一般不预热,板厚较大时,也只需预热起弧部位根据焊炬移动方式的不同,铝合金MIG焊工艺分为半自动MIG和自动MIG焊,对焊工的操作技术水平要求较低,比较容易训练完成4.3.1铝合金半自动MIG焊工艺半自动焊的焊枪由操作者握持着向前移动熔化极半自动氩焊多采用平特性电源,焊丝直径为
1.2~
3.0㎜可采用左焊法,焊炬与工件之间的夹角为75°,以提高操作者的可见度多用于点焊、短焊缝、断续焊缝及铝容器中的椭圆形封头、人孔接管、支座板、加强圈、各种内件及锥顶等熔化极半自动氩弧焊的点固焊缝应设在坡口反面,点固焊缝的长度为40~60㎜,对于相同厚度的铝锰、铝镁合金,焊接电流应降低20~30A,氩气流量增大10~15L/min脉冲MIG焊可以将熔池控制得很小,容易进行全位置焊接,尤其焊接薄板、薄壁管的立焊缝、仰焊缝和全位置焊缝是一种较理想的焊接方法脉冲MIG焊电源是直流脉冲,脉冲TIG焊的电源是交流脉冲它们的焊接工艺参数基本相同纯铝、铝镁合金半自动脉冲MIG焊的工艺参数见表
3.3表
3.3铝镁合金半自动脉冲MIG焊的工艺参数合金牌号板厚/㎜焊丝直径/㎜基值电流/A脉冲电流/A电弧电压/V脉冲频率/Hz氩气流量/L·min-1备注5A03(LF3)1.81.020~25120~14018~195020喷嘴孔径16㎜焊丝牌号LF35A05(LF5)4.01.2160~18019~2020~22喷嘴孔径16㎜焊丝牌号LF54.3.2铝合金自动MIG焊工艺由自动焊机的小车带动焊枪向前移动根据焊件厚度选择坡口尺寸、焊丝直径和焊接电流等工艺参数表
3.4为部分铝镁合金和硬铝自动MIG焊的工艺参数铝合自动MIG焊的工艺参数见表
3.5表
3.4部分铝镁合金和硬铝自动MIG焊的工艺参数板材牌号焊丝型号(牌号)板材厚度/㎜坡口形式坡口尺寸焊丝直径/㎜喷嘴直径/㎜氩气流量/L·min-1焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/m·h-1备注钝边/㎜坡口角度/(°)间隙/㎜5A05SAlMg-5(HS331)5————
2.0222824021~2242单面焊双面成形5A025A03SAlMn(HS331)12182025V形81416161200~
13.
04.
04.
04.02228282830~3550~6050~6050~60320~350450~470450~470450~47028~3029~3028~3029~
302418.71816~19正反面均焊一层2A11SalSi-5(HS311)50双V6~8750~
0.5—28—450~50024~2715~18可采用双面U形坡口钝边6~8㎜表
3.5铝合金自动MIG焊的工艺参数板厚/㎜接头及坡口形式焊丝直径/㎜焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/m·h-1气体流量/L·min-1焊道数4~68~1012对接I形坡口1.4~21.4~22140~220220~300280~30019~2220~2520~2525~3015~2515~2015~1818~2220~252226~810对接V形坡口加衬垫1.4~22.0~
2.5240~280420~46022~2527~2915~2515~2020~2224~301112~1620~2530~4050~60对接X形坡口
2.0~
2.
52.5~
42.5~
42.5~4280~300380~520420~540460~54024~2626~3027~3028~3212~1510~2010~2010~2020~2528~3028~3028~302~42~43~55~84~68~12T形接头
1.4~22200~260270~33018~2224~2620~3020~2520~2224~2811~2铝合金MIG焊需注意的问题如下
(1)喷射过渡焊接时,电弧电压应稍低一点,使电弧略带轻微爆破声,此时熔滴形式属于喷射过渡中的射滴过渡弧长增大对焊缝成形不利,对防止气孔也不利
(2)在中等焊接电流范围内(250~400A),可将弧长控制在喷射过渡区与短路过渡区之间,进行亚射流电弧焊接这种熔滴过渡形式的焊缝成形美观,焊接过程稳定
(3)粗丝大电流MIG焊(400~1000A)在平焊厚板时具有熔深大、生产率高、变形小等优点但由于熔池尺寸大,为加强对熔池的保护,应采用双层保护焊枪(外层喷嘴送Ar气,内层喷嘴送Ar-He混合气体),这样可扩大保护区域和改善熔池形状
(4)大电流时,为了保护熔池后面的焊道,可在双层喷嘴角后面再安装附加喷嘴采用自动MIG焊得到的铝合金焊接接头的力学性能良好,防锈铝焊接接头的力学性能见表
3.6表
3.6防锈铝焊接接头的力学性能母材牌号板厚/㎜焊丝型号焊丝直径/㎜焊接正面/背面层数抗拉强度/MPa冷弯角/(°)5A02(LF2)12SAlMg-231/
1177.5~18892~13025SAlMg-241/
1175.8~
177.6107~1645A03(LF3)20SAlMg-231/1233~234239~24034~3540~4620SAlMg-541/1296~29964~745A06(LF6)18SAlMg-541/1314~33032~725铝合金焊接新工艺铝合金由于重量轻、比强度高、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%以上因此铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法近些年来提出了几种新工艺在交通、航天、航空等行业得到了一定应用几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点焊后接头性能良好并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接
5.1搅拌摩擦焊接搅拌摩擦焊工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动从而使焊件压焊在一起由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化是一种固态连接过程故焊接时不存在熔焊的各种缺陷可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列Al-Cu、5000系列Al-Mg、6000系列Al-Mg-Si、7000系列Al-Zn、8000系列Al-Li等国外已经.进入工业化生产阶段在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20m的结构件美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成焊缝区晶粒细化无熔焊的树枝晶组织细密热影响区较熔化焊时窄无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷综合性能良好与传统熔焊方法相比它无飞溅、烟尘不需要添加焊丝和保护气体接头性能良好由于是固相焊接工艺加热温度低焊接热影响区显微组织变化小如亚稳定相基本保持不变这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利焊后的残余应力和变形非常小对于薄板铝合金焊后基本不变形与普通摩擦焊相比它可不受轴类零件的限制可焊接直焊缝、角焊缝传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜并在48h内进行加工而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可并对装配要求不高并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小
5.2铝合金的激光焊接铝及铝合金激光焊接技术LaserWelding是近十几年来发展起来的一项新技术与传统焊接工艺相比它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点特别对热处理铝合金有较大的应用优势可提高加工速度并极大地降低热输入从而可提高生产效率改善焊接质量在焊接高强度大厚度铝合金时传统的焊接方法根本不可能单道焊透而激光深熔焊时形成大深度的匙孔发生匙孔效应则可以得到实现激光焊接铝合金有以下优点:1能量密度高热输入低热变形量小熔化区和热影响区窄而熔深大;2冷却速度高而得到微细焊缝组织接头性能良好;3与接触焊相比激光焊不用电极所以减少了工时和成本;4不需要电子束焊时的真空气氛且保护气和压力可选择被焊工件的形状不受电磁影响不产生X射线;5可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;6激光可用光导纤维进行远距离的传输从而使工艺适应性好配合计算机和机械手可实现焊接过程的自动化与精密控制现在应用的激光器主要是CO2和YAG激光器CO2激光器功率大对于要求大功率的厚板焊接比较适合但铝合金表面对CO2激光束的吸收率比较小在焊接过程中造成大量的能量损失YAG激光一般功率比较小铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大可用光导纤维传导适应性强工艺安排简单等
5.3铝合金的电子束焊接电子束焊是指在真空环境下利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能使被焊金属熔合的一种焊接方法电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好对于铝合金电子束焊接由于能量密度高可大大减小热影响区提高焊接接头强度避免热裂纹等缺陷的产生由于能量密度高穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接同传统电弧焊接铝合金相比电子束焊能量密度高3~4个数量级与另外一种高能量密度焊接工艺———激光焊接相当因此焊接接头的热影响区非常小接头强度较传统焊接方法提高很多电子束的穿透性能好可对大厚度的铝合金进行施焊焊后接头力学性能良好铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多一般要比氩弧焊焊缝高出1~
1.5倍铝合金电子束焊焊后残余应力小变形小对薄板焊后几乎可做到不变形电子束焊要求在真空条件下完成真空是最好的保护手段在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属避免了空气或保护气体的污染电子束焊接铝合金在真空重熔时焊缝中杂质含量微乎其微焊缝气体含量降低接近一半从而焊缝塑性、韧性大大提高电子束可控性好可以方便地进行扫描、偏转、跟踪等易于焊接过程的自动化并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷提高接头质量电子束焊接获得优良的焊缝的最有效方法是焊接过程中同时对刚刚焊过的焊缝进行扫描回扫间距决定晶粒细化的可控程度凝固组织可由粗大的柱状晶转化为细小等轴晶对AlMg
0.4Si
1.2合金进行扫描焊接与无扫描焊接相比晶体主轴长度减少到无扫描焊接时的1/5;焊缝硬度提高80%接近母材水平铝合金焊缝金属晶粒细化程度对接头性能有重要影响采用具有回扫运动的电子束扫描焊接可减少合金元素的损失细化焊缝组织使之变为细小的等轴晶并提高硬度对于已经成核生长的晶体如果电子束扫描间距过小在电子束扫描时产生重熔但导致电子束回扫细化晶粒的作用减弱铝合金电子束焊时对电子束流非常敏感尤其是对于大厚度铝合金板焊接时电子束流小时不能焊透大时产生下塌出现凹坑铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔铝合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3和MgO容易吸收大量的水分是铝合金焊缝中气孔的主要来源铝合金表面氧化膜比重接近基体容易进入焊缝产生夹杂、气孔尤其是防锈铝合金电子束焊气孔问题较为严重传统TIG焊铝合金时通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下进行焊接促使氢从熔池中逸出而电子束焊接铝合金时速度快热输入量小氢来不及从熔池中逸出容易形成气孔通常电子束焊铝合金采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生另外电子束焊接要求在真空条件下进行所以对铝合金大型结构件施焊困难电子束易受周围环境电磁场的影响设备比较复杂费用比较昂贵所以还没有达到大规模工业化生产6铸件补焊工艺
6.1铸件常规补焊工艺通常的铝合金铸件缺陷均可以采用氩弧焊接工艺进行补焊挽救而以交流TIG焊方法补焊效果为佳采用补焊工艺实施铸件缺陷补焊时除了以上提到的一般做法如焊前注意清理焊丝和工件待焊部位选用合理的焊丝材料选择短弧和小角度焊丝加入方式进行施焊等要点之外在实践中针对不同缺陷类型还有许多成功的经验值得借鉴如尽量选用小电流施焊;选用补焊时的焊丝合金成分高于母材以便在补焊过程中补充烧损合金使焊缝成分与母材保持一致;对带有裂纹缺陷的铸件补焊前在两端打止裂孔;焊接时应首先加热待焊部位采用左焊法填丝以利于观察焊缝的熔化情况待施焊处熔化后再行填丝以形成充分润湿的熔池;当缺陷尺寸较大时为了提高补焊效率可在传统TIG焊前将很薄的一层表面活性剂简称ATIG活性剂涂敷在施焊位置表面焊接时活性剂引起焊接电弧收缩或熔池内金属流态发生变化使得焊缝熔深增加在进行铝合金交流TIG焊时是在焊缝表面涂敷一层SiO2活性剂以改变焊缝熔深、减少预热程序和降低焊接难度
6.2特种补焊方法及其特点
6.
2.1喷焊和激光熔覆采用火焰喷焊和等离子喷焊的工艺可以进行铸件缺陷补焊使用专用喷枪对缺陷部位先行加热待温度适宜时开始送入合金粉末熔融合金粉末以喷涂方式与工件缺陷表面结合焰流继续加热的结果使得填充物与工件呈堆焊方式连接该工艺尤其是火焰喷焊存在加热面积过大、加热时间过长的缺点对于铝、镁合金铸件不易控制补焊质量采用激光熔覆方法优于火焰喷焊和等离子喷焊激光熔覆采用高能密度束流———激光作为热源光斑直径和位置以及能量密度可调、加热面积小、加热时间短可以对局部微小缺陷进行“点焊”熔覆其方法是在缺陷部位先行涂敷合金粉末然后施行激光扫描、熔融覆盖其优异特性恰好弥补了喷焊补焊对铝合金的不适应激光焊接还弥补了传统氩弧焊在修补焊接精细表面时的不足之处如可以在窄小部位进行焊接深腔部位补焊不会伤到周边壁位;补焊精细边角部位时不会烧损边缘
6.
2.2电火花沉积补焊利用电火花沉积原理制备的特种焊机可以施行补焊工艺
[10]其原理为选择合适的堆焊电极夹紧在焊枪上焊枪带有氩气保护通路电极伸出喷嘴的长度可以控制在10mm以内用电极的端部轻触铸件表面并移动即可实现沉积堆焊首先以较小的输出功率进行堆焊同时要保证氩气连续不断地从喷嘴中喷出以避免电极和堆焊层氧化当增加输出功率进行堆焊时火花比较多堆焊的金属呈现出明亮的金属光泽虽然进行电火花放电沉积堆焊时在放电的瞬间能产生数千摄氏度的高温使电极材料端部产生熔化和气化但是由于放电的时间很短为
0.1~
0.2ms放电的面积又很小因此放电热作用只发生在工件表面的微小区域就整个工件而言仍处于温度较低的状态与常规的焊接方法相比由于每一次放电沉积的金属和热输入都极小相应地在工件表面造成的热影响区范围很窄在热影响区形成的焊接缺陷几率较低
6.
2.3螺栓焊工艺对于零件上存在的较大尺寸的孔眼缺陷也可采用加工同等材质的螺栓件施行氩气保护短周期螺栓焊工艺
[11]同样可以得到理想的补焊效果该工艺操作方便补焊过程与普通的焊接操作相似包括焊前准备、焊中和焊后清理3个步骤具体方法是取与待焊铸件同材质的小圆棒加工成直径比孔眼略大的圆柱体再将其端部加工成顶角为120°的圆锥体装夹于焊枪上并将待补焊的铸件孔眼处去除油污、氧化膜后钻成顶角为120°的圆锥形坡口接通保护气、调整好流量预置螺栓焊机焊接参数;将焊枪对准孔眼处扣动启动扳机焊机自动完成预定焊接过程焊后取下焊枪用小锤敲掉高出部分后将表面磨平补焊工作即可完成应用能量密度高的短周期螺栓焊使用同种材质进行补焊克服了普通焊接方法焊接能量密度低加热时间长难以实现自动化等缺点对铸件补焊时实现高精度控制能够达到快速加热、快速冷却与普通熔化焊方法相比焊接区及焊接热影响区的晶粒度大大细化避免了气孔、裂纹等缺陷补焊时形成的熔化液体借助填补料的压力排除使补焊区形成类似于锻造后的组织克服了普通补焊焊缝区的变态铸造组织所具有的性能差的弊端7结束语铝合金的焊接和补焊通常可采用方便和低成本的TIG和MIG氩弧焊方法当采用高能束流焊和搅拌摩擦焊等铝合金焊接新工艺时可以有效避免合金元素烧损、接头软化和焊接变形等问题尤其是搅拌摩擦焊为固相连接具有绿色环保的特点常规补焊方法用于铝合金铸件缺陷补焊时为避免焊接缺陷应注意焊前清理、选配合理的焊丝填料和正确的焊接工艺规范通常宜选用交流TIG补焊在铸件缺陷情况特殊和条件具备时可以结合实际采用特种补焊方法以便提高铝合金铸件的补焊质量致谢首先感谢本人的导师马天凤老师,她对我的仔细审阅了本文的全部内容并对我的毕业设计内容提出了许多建设性建议马天凤老师渊博的知识,诚恳的为人,使我受益匪浅,在毕业设计的过程中,特别是遇到困难时,他给了我鼓励和帮助,在这里我向他表示真诚的感谢!感谢母校——河南机电高等专科学校的辛勤培育之恩!感谢材料工程系给我提供的良好学习及实践环境,使我学到了许多新的知识,掌握了一定的操作技能感谢和我在一起进行课题研究的同窗秦岩同学,和他在一起讨论、研究使我受益非浅最后,我非常庆幸在三年的的学习、生活中认识了很多可敬的老师和可亲的同学,并感激师友的教诲和帮助!参考文献
[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第一卷焊接方法与设备[M].北京:机械工业出版社
2001.
[2]美国焊接学会.黄静文等译.焊接手册第二卷焊接方法[M].北京:机械工业出版社第七版
1988.
[3]关桥.刘方君.董春林.高能束流焊接技术的应用与发展趋势[C].第9次全国焊接会议论文集
1999.
[4]李亚江.王娟.有色金属焊接及应用.北京化学工业出版社,2006。