6061铝合金焊接及表面处理工艺研究

孙丙岩（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州　213011）



6061铝合金焊接及表面处理工艺研究

孙丙岩
（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州213011）

摘要：文章阐述了6061铝合金焊接工艺及焊后阳极氧化处理工艺，通过分析6061铝合金焊接性及缺陷预防措施，并选择合理的焊接工艺参数，实现了6061铝合金的焊接。焊后采用阳极氧化工艺对铝合金焊接件进行表面防腐处理。

关键词：6061铝合金；焊接；阳极氧化

6061铝合金为铝——镁——硅系列铝合金，属热处理可强化合金，具有良好的成形性、焊接性、加工性。广泛应用于要求有一定强度和抗蚀性高的各种工业结构件。文章采用手工TIG焊接厚度为4mm的6061铝合金。焊后采用阳极氧化工艺对铝合金结构件进行表面处理，在其基体表面生成一层致密的氧化膜。阳极氧化膜能作为腐蚀介质的阻挡层，保护铝合金基体，提高其耐腐蚀性能。

1　6061铝合金焊接性分析

6061铝合金具有独特的物理化学性能，6061铝合金化学成分如表1所示。6061铝合金在焊接过程中易产生气孔、未熔合、裂纹等焊接缺陷。

表1　6061铝合金的化学成分（%，质量分数）

1.1气孔

铝和氧的亲和力很大，在空气中铝容易同氧结合生成致密的Al2O3膜（厚度约0.1μm），Al2O3的熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点，而且Al2O3膜容易吸附水分。在高温下，氧化膜吸附的水分分解形成大量氢气，在焊后的冷却凝固过程中来不及吸出而聚集在焊缝中形成气孔。在焊接过程中会形成气孔缺陷，从而破坏金属的均匀性，降低了接头的力学性能。

根据分析采用以下工艺来减少气孔缺陷。

（1）氩弧焊时，必须采用高纯度的氩气。氩气管路系统要保持干燥，不得有泄漏现象，以免混入潮湿空气。减少氢气的来源，对焊丝、焊件坡口及坡口根部两侧进行仔细的清洗，并加以烘干。焊丝表面应呈洁白光亮色，不得有局部腐蚀斑点。

（2）制定合理的焊接工艺。熔化极自动、半自动氩弧焊时，一般采用粗直径的焊丝，这有利于减少气孔的数量，因小直径焊丝的比表面积（单位长度上的焊丝表面积）大，单位时间内熔融并进入熔池的焊丝数量多。因此，熔池中势必带入相当数量的氧化膜和氢气（同粗焊丝相比）。在焊接工艺上尽量采用高的输入热量（取决于焊接电流、电弧电压及焊接速度），延长熔池在高温液态下的时间，为氢气泡的浮出提供条件。

1.2未熔合

铝合金的导热系数约比钢大一倍。在焊接过程中大量的热能被迅速传到基体金属内部，因此焊接铝及铝合金时比钢要消耗更多的热量。因而焊接过程中工艺参数选择不合理，使得焊接热输入不足，易产生未熔合、未焊透等缺陷。焊接过程中通过调整焊接电流及电压、控制热输入或焊前预热等工艺，可有效避免未熔合缺陷。

1.3裂纹

铝的线膨胀系数23.5×10-6，约比钢大两倍左右，凝固时的体积膨胀率达6.5%～6.6%，所以在某些铝合金焊接时，往往由于过大的收缩内应力而导致裂缝。一方面由于铝合金液态熔池冷却、凝固结晶到完全形成固态是在某一温度范围内进行的，在这温度范围内由于存在着固液态金属，强度和塑性很低，在这个温度区间易产生裂纹缺陷。另一方面，由于铝合金的线膨胀系数大，在焊缝金属冷却收缩过程中产生很大的拉伸变形。当熔池金属经过脆性温度区间的时刻与产生最大拉伸变形的时刻一致时，易引起裂缝。

根据分析采取措施来预防裂缝缺陷。

（1）在焊接产品施焊时，为了避免焊缝金属由于加热冷却产生很大的刚性，在焊接工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。避免焊接过程中产生较大的焊接应力，来避免焊接裂纹的产生。尽量避免十字形接头及采用不适当的点固、焊接顺序产生较大的内应力。

（2）采用加热集中的焊接方法（如熔化极自动氩弧焊）及选择大电流、高焊速的规范。熔化极脉冲氩弧焊与一般的熔化极氩弧焊法相比具有较优的抗裂性。

（3）焊接过程中选择焊丝时控制基体金属及焊丝的成分。纯铝、铝锰合金及焊丝中的铁、硅含量之比应大于1，以减少焊缝中低熔点硅共晶的数量，提高接头的抗裂性。通过填充焊丝向焊缝金属加入少量细化晶粒的变质剂，焊缝金属可变成细小的等轴晶组织。焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则容易形成弧坑裂缝。

（4）无色泽变化。铝及铝合金从固态变成液态时，无明显的颜色变化，给焊接操作带来困难。通过对焊接人员焊接技能培训，来保证铝合金焊接质量。

2　6061铝合金焊接工艺分析

试件焊前采用机械加工方法加工出60°的V形坡口；清除坡口及其附近区域的污染物后，用丙酮擦洗，用不锈钢丝或刮刀等工具清理氧化膜。

（1）焊接方法选用。钨极气体保护电弧焊（简称TIG焊）是应用最为广泛的铝及铝合金熔焊方法之一。这种焊法在氩气的良好保护下施焊，氩气的机械隔离作用可保护熔池免受氧化，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，接头的强度和塑性高，因而在工业中获得越来越广的应用。因而本文采用TIG焊来保证产品质量。

（2）焊接材料选用。在钨极氩弧焊时，需添加填充焊丝。填充焊丝的成分与接头力学性能及腐蚀性能有很大关系。因此，在选择填充焊丝时，必须首先考虑母材的牌号、成分、产品的具体要求及施工条件，除了应满足接头的力学性能、耐腐蚀性能外，还应考虑结构的刚性及抗裂性等问题。文章根据6061铝合金材料特性选择ER5356焊丝作为填充金属。

（3）焊接工艺参数选择。焊接过程中焊接工艺参数选择如表2所示。

表2　焊接工艺参数

3　焊缝外观检验

焊后进行外观检查，焊缝与母材过渡圆滑，熔敷金属宽9～11mm、余高1～1.5mm，成形良好；焊缝及热影响区无裂纹、未熔合、夹渣、弧坑和气孔等缺陷。

4　焊后表面处理

铝合金焊后打磨焊缝区域，结构件在硫酸中进行的阳极氧化处理，产生的普通阳极氧化膜层。阳极氧化膜厚控制在5～10um。同时进行封闭处理，通过浸入封闭液中完成完全封闭。

5　结语

（1）铝合金焊接前，清理待焊表面氧化物和污染物，通过选用ER5356焊丝及手工TIG焊配合适当的焊接工艺参数施焊，可获得成形良好的焊缝。

（2）铝合金焊后打磨焊缝区域，结构件在硫酸中进行的阳极氧化处理，产生的普通阳极氧化膜层。

参考文献

［1］田锡唐.焊接结构［M］.北京：机械工业出版社，1982.

［2］周万胜，姚均山.铝及铝合金的焊接［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］黄福旺，黄金刚.铝及铝合金焊接指南［M］.长沙：湖南科学技术出版社，2004.

6061 Aluminum Alloy Welding and Surface Processing Research

SUN Bing-yan
（CRRC Qishuyan Locomotive Vehicle Technology Research Institute co.，LTD.，Changzhou，Jiangsu 213011，China）

Abstract:This article elaborates the 6061 aluminum alloy welding processing andanodic oxidation processafter welding. Through the analysis of 6061 aluminum alloy weldability and defect prevention measures，and selecting the reasonable welding process parameters，the 6061 aluminum alloy welding is realized.After welding the anodic oxidation processing of aluminum alloy weldingisgivensurfaceanti-corrosiontreatment.

Key words:6061 aluminum alloy；Welding；Anodic oxidation

中图分类号：TG407

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）05-0061-02

收稿日期：2016-04-20

作者简介：孙丙岩（1980-），男，硕士，主要研究方向：焊接工艺。