铝合金焊接接头产生裂纹特征及产活力理

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摘要

近几十年来，随着科学技术的不断进步，焊接技术也在不断进步，大量高效率和高性能的焊接方法得到了推广。铝及铝合金材料密度低，强度高，热电导率高，耐腐蚀能力强，无磁性，成形性好及低温性能好，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。但国产化的铝合金和铝合金焊接材料均与国外还存在着一定的差距。虽然已经应用铝及其合金焊成大量重要产品，但铝及铝合金由于具有独特的理化性能，因此在焊接过程中会产生一系列的困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性〞等。本文对铝合金焊接接头产生裂纹的特征及产活力理进行了分析，提出了几点防范措施。西南石油大学应用技术学院毕业论文

点的同时还能具有较高的强度，σb值分别可达24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度〞（强度与比重的比值σb/ρ）好过好多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

1.3铝合金的焊接特点

（1）强的氧化能力

铝与氧的亲和力很强，在空气中极易与氧结合生成致密而厚实的AL2O3薄膜，厚度约为0．1μm，熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点，而且密度很大，约为铝的1．4倍。在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。这些缺陷，都会降低焊接接头的性能。为了保证焊接质量，焊前必需严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护，这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。具体的保护措施是[4]：1、焊前用机械或化学方法清除工件坡口及周边部分和焊丝表面的氧化物；2、焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护；3、在气焊时，采用熔剂，在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜。

（2）铝的热导率和比热大，导热快

尽管铝及铝合金的熔点远比钢低，但是铝及铝合金的导热系数、比热容都很大，比钢大一倍多，在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部，为了获得高质量的焊接接头，必需采用能量集中、功率大的热源，有时需采用预热等工艺措施，才能实现熔焊过程。

（3）线膨胀系数大

铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时体积收缩率达6．5%－6．6%，因此易产生焊接变形。防止变形的有效措施是除了选择合理的工艺参数和焊接顺序外，采用适合的焊接工装也是十分重要的，焊接薄板时特别如此。另外，某些铝及铝合金焊接时，在焊缝金属中形成结晶裂纹的倾向性和在热影响区形成液化裂纹的倾向性均较大，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。这是铝合金，特别是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。在实际焊接现场中防止这类裂纹的措施主要是改进接头设计，选择合理的焊接工艺参数和焊接顺序，采用适应母材特点的焊接填充材料等。

（4）简单形成气孔

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焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷，特别是纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及铝合金焊接时产生气孔的主要原因，这已为实践所证明。氢的来源，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分，以焊缝气孔的产生，往往占有突出的地位。铝及铝合金的液体熔池很简单吸收气体，在高温下溶入的大量气体，在由液态凝固时，溶解度急剧下降，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。为了防止气孔的产生，以获得良好的焊接接头，对氢的来源要加以严格控制，焊前必需严格限制所使用焊接材料(包括焊丝、焊条、熔剂、保护气体)的含水量，使用前要进行枯燥处理。清理后的母材及焊丝最好在2－3小时内焊接完毕，最多不超过24小时。TIG焊时，选用大的焊接电流协同较高的焊接速度。MIG焊时，选用大的焊接电流慢的焊接速度，以提高熔池的存在时间。Al－Li合金焊接时，加强正、后面保护，协同坡口刮削，清除概况氧化膜，可有效地防止气孔。

（5）焊接接头简单软化

焊接可热处理加强的铝合金时，由于焊接热的影响，焊接接头中热影响区会出现软化，即强度降低，使基体金属近缝区部位的一些力学性能变坏。对于冷作硬化的合金也是如此，使接头性能弱化，并且焊接线能量越大，性能降低的程序也愈严重。针对此类问题，采取的措施主要是制定符合特定材料焊接的工艺，如限制焊接条件，采取适当的焊接顺序，控制预热温度和层间温度，焊后热处理等。对于焊后软化不能恢复的铝合金，最好采用退火或在固溶状态下焊接，焊后再进行热处理，若不允许进行焊后热处理，则应采用能量集中的焊接方法和小线能量焊接，以减小接头强度降低。

（6）合金元素蒸发和烧损

某些铝合金含有低沸点的合金元素，这些元素在高温下简单蒸发烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，降低了焊接接头的性能。为了弥补这些烧损，在调整工艺的同时，往往采用含有这些沸点元素含量比母材高的焊丝或其他焊接材料。

（7）铝在高温时的强度和塑性低

铝在370℃时强度仅为10Mpa，焊接时会由于不能支撑住液体金属而使焊缝成形不良，甚至形成塌陷或烧穿，为了解决这个问题，焊接铝及铝合金时往往要采用垫板。

（8）焊接接头的耐腐蚀性能低于母材

热处理加强铝合金(如硬铝)接头的耐腐蚀性的降低很明显，接头组织越不均匀，耐蚀性越易降低。焊缝金属的纯度或致密性也影响接头耐蚀性能。杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蚀性就会明显下降，不仅产生局部表面腐蚀而且经常出现晶

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间腐蚀，此外对于铝合金，焊接应力的存在也是影响耐蚀性的一个重要因素。为了提高焊接接头的耐蚀性，主要采取以下几个措施[5]：1、改善接头组织成分的不均匀性。主要是通过焊接材料使焊缝合金化，细化晶粒并防止缺陷；同时调整焊接工艺以减小热影响区，并防止过热，焊后热处理。2、消除焊接应力，如局部表面拉应力可以采用局部锤击方法来消除。3、采取保护措施，如采取阳极氧化处理或涂层等。

（9）无色泽变化，给焊接操作带来困难

铝及铝合金焊接时由固态转变为液态时，没有明显的颜色变化，因此在焊接过程中给操带来不少困难。因此，要求焊工把握好焊接时的加热温度，尽量采用平焊，在引(熄)弧板上引(熄)弧等[1]。

1.4铝合金焊接方法

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、操作便利[8]。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[10]。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）[3]。

1.5铝合金材料焊接的工艺方法

（1）坡口的处理

板厚在3mm以下的对接焊缝可不开坡口,只需在焊缝后面倒一0.5～1mm的角即可,这样有利于气体的排放和避免后面凹槽。铝合金厚板的坡口角度较钢板的要大。单边坡口一般采用55°坡口,双边坡口采用每边35°坡口。这样可以使焊接的可达性提高,同时可降低未熔合缺陷的产生几率。

对于厚板T形接头中的HV或HY接头,要求填满坡口外,再加一个角焊缝,使焊缝总尺寸S不小于板厚T。

（2）焊前清理工作

焊接铝合金需要最清白的准备工作,否则其抗腐蚀能力下降,而且简单产生气孔。焊接铝合金应当与焊钢的习惯完全区分。焊钢已经用过的工具,严禁焊接铝合金时使用。清理焊缝区域的氧化膜等杂质,尽可能使用不锈钢刷或者用丙酮清洗。不能使用

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砂轮打磨,由于使用砂轮打磨只会使氧化膜熔合在焊材表面,而不会真正去除。而且假使使用硬质砂轮,其中的杂质会进入焊缝,导致热裂纹。此外,由于Al2O3膜在极短的时间内又会重新生成和堆积,为了使氧化膜尽可能少地影响焊缝,清理完毕后应马上施焊。

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→枯燥。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。

清理好后马上施焊,假使放置时间超过4h,应重新清理。(3)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,焊前装配间隙假使留得太小,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。适合的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙,因此,选择适合的装配间隙及定位焊间距,是减少变形的一项有效措施。

（4）预热温度和层间温度的控制

对与板厚超过8mm的厚板进行焊接时,都要进行焊前预热,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,除作业环境恶劣外,还有可能对铝合金的合金性能造成影响,出现接头软化,焊缝外观成形不良等现象。层间温度过高还会使铝焊热裂纹的产活力率增加。

(5)选择焊接设备

目前市场上焊接产品种类较多,一般状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简单被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。

(6)选择焊丝

一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。

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(7)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。焊枪角度过大会造成气体保护不充分而产生气孔;角度过小还有可能使液铝达到电弧前端,使电弧不能直接作用于焊缝而产生未熔合。

铝合金本身的导热系数大(约为钢的4倍),散热快。因此,在一致焊接速度下,焊接铝合金时的热输入量要比焊接钢材时的热输入量大2～4倍。假使热输入量不够,简单出现熔深不足甚至未熔合的问题,特别是在焊缝起头的位置。送丝速度是与电流、电压等规范参数密切相关,并且相互匹配的。当焊接电流提高后,送丝速度也应当相应地提高。对于薄板焊缝,为了避免焊缝过热,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,为使焊缝熔合充分和焊缝气体充分逸出,采用较大的焊接电流和较慢的焊接速度。

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。

(8)铝合金焊接保护措施[2]

1、焊前用机械或化学方法清除工件坡口及周边部分和焊丝表面的氧化物；○

2、焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护；○

3、在气焊时，采用熔剂，在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜。○

(9)焊后清理工作的要求

1、在热水中用硬毛刷细心地洗刷焊接接头。○

2、将焊件在温度为60～80℃、质量分数为2%～3%的