铝及铝合金焊接工艺研究

曹 健

有色金属（non-ferrousmetal），狹义的有色金属又或简称其为非铁金属，是对我国除铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体含量通常大于50%，在其中混合一种或者几种不同的金属元素形成的合成金属。有色金属是国家实力、航空航天、国防工业和科技发展不可缺少的基本材料和重要战略物资。没有有色金属，就不能实现农业现代化、工业现代化、国防现代化。比如，飞机、雷达、火箭、核潜艇、航空母舰等尖端武器，以及先进技术，如原子能、电视、通信、雷达、电子计算机所需的构件或部件，大多由有色金属中以及轻金属和稀有金属构成；此外，没有镍、钴、钨、钼、钒、铌等有色金属，也不能生产合金钢。有色金属在电力、航空航天等行业的使用量也是非常大的。有色金属在工业发达国家也属于国家级别战略资源，国与国之间的竞争也非常激烈。

1 铝合金的分类

硬铝：硬铝就是指以铜为主要合成元素的铝合金，硬铝具有良好的机械性能，强度比其他铝合金要大，而且硬铝的密度小，可以用于制作轻型结构材料。为了增加铝合金的抗拉强度，需控制合金中铜的含量，铜含量不得超过4%。锰含量也是影响铝合金硬度的主要成分，铝合金中加入适量锰，主要目的是降低铁与铝发生对抗性，而对铝合金性能产生的影响。一般的硬铝中，严格控制Mn 的含量小于1%。在硬铝中可以加入少量的钛，合金晶粒得到一定细化。铝合金合成元素中，镁、铜、硅等元素可快速形成且属于可溶性有机化合物，硬铝合金通过高温加热时，其性能更加优良。铜铝在高温退火过程中的抗拉性能和强度一般在160Mpa ～220Mpa 之间，经高温淬火和加速时效后其抗拉强度可提高到312Mpa ～460Mpa。由于硬铝抗腐蚀性能不佳，为增强铝合金的抗腐蚀性，可在硬铝合金外层增加一层保护膜。

硬铝的缺点主要有：

（1）硬铝的抗腐蚀性较差，所以一般要在硬铝焊件的表面镀上一层工业纯铝，来保护件不被腐蚀，这种材料被叫做包铝硬铝，当材料有包铝层时，它的强度会因纯铝的厚度降低强度。

（2）焊接裂纹倾向大，用熔焊法焊接这类材料时，很容易出现裂纹，存在一定的局限性。

锻铝：锻铝是铝合金材料中较为适合用于制作合金锻件的一种，属于变形铝合金的一类，被广泛应用与制作形状复杂的锻件，因其具有良好的导热性跟易塑形，而且为了让锻铝的塑性更强，通常会减少锻铝中的铝含量。具有良好的热强度跟耐热抗腐蚀性也是锻铝的一大优点，在现代工业中，锻铝已经广泛应用与冶金、锻造和焊接工业上了。

超硬铝：超硬铝是铝、锌、铜、镁系的合金。超硬铝也是目前发现的合金中在室温下力学强度最高的一类合金，经过固溶处理和时效后它的强度能达到680Mpa，其比强度已经可以跟超强度钢相媲美，因此命名为超硬铝。由于它的超高强度，所以飞机上受力较大的结构件通常应用此种材料。超硬铝合金进行淬火加热时对温度要求严格，可以控制过烧敏感性，合金在460℃～500℃范围内淬火，均能保证合金的性能，如LC4 板材，一般规定淬火温度为470℃，一般规定淬火温度为470℃。超硬铝合金经过淬火加工，其物理性质变得敏感，所以要严格控制淬火持续时间，超硬合金加工过程中通常将转移时间控制在15s 以内。当冷却条件变慢时，不仅其力学强度会降低，而且耐腐蚀性能也同样降低。

2 铝合金的焊接工艺

2.1 气焊

氧一乙炔气焊因燃烧火焰导热不良，产生的热量不够集中，所以在应用这种焊接工艺后，铝合金易出现变形，最终导致生产效率低下。气焊只适用于厚度范围在0.5mm ～10mm 范围内，比较薄的铝合金焊件上，因为它的热效率低，所以焊接厚度比较大的焊件时，就需要先预热，这样就导致焊件的焊缝不但不够牢固，而且晶粒也比较粗大，甚至还容易被氧化，夹杂氧化铝杂质。

2.2 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊焊接工艺最突出特点主要是受氩气保护，焊接产生的热量分布均匀，电弧加热集中，可避免焊缝出现致密问题，焊接件及金属接头耐高温、不易氧化，在我国焊接工业中已逐渐获得很大发展，在工业生产中也是得到广泛的应用。虽然这种焊接方法已经比较完善，而且效果在其他焊接技术中也是出类拔萃，但犹豫其设备的复杂性，所以就不适合在露天环境下进行操作。

2.3 熔化极氩弧焊（MIG 焊）

与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊电弧功率大，产生的热量相对集中，热量对焊接造成的影响小，生产效率比手工钨极氩弧焊提高了2 倍～3 倍，而且厚度小于50mm 的纯铝及铝合金都可以进行焊接。值得一提的是，使用此方法焊接厚度为30mm 的铝合金时不用预热，只需焊正、反两层即可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续短焊缝和不规则形状的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可以方便灵活地进行焊接，但是半自动焊也存在一些缺点，比如焊丝的直径较小，以及焊缝更加容易产生气孔。

2.3.1铝合金半自动MIG 焊工艺

为了提高操作人员的视野，可以采用左焊法，焊炬与工件间的夹角75°。适用于椭圆封头、人孔接管、座板、加强圈、各种内件和圆锥等铝制容器中的点焊、断续焊接和铝制容器。熔极半自动氩弧焊点固焊缝应设置在坡口反面，点固焊缝的长度为40mm~60mm；对同样厚度的铝锰、铝镁合金，应降低至20mm ～30mm，氩气流量增加10/min ～151/min。采用脉冲MIG 焊，熔池控制小，易于实现全位置焊接，特别是对薄板，是一种理想的焊接方法。

2.3.2铝合金MIG 焊需注意的问题如下

（1）粗丝大电流MIG 焊400^1000a.因其本身具有熔深大、生产率高、不易发生变形等诸大技术优点，在工业中被采用。由于熔池尺寸大，为不断加强对整个熔池的保护，所以还应同时考虑采用双层保护焊口和有保护的平面厚焊枪，可以焊口喷嘴之上同时输送一种惰性气体，这样它就可通过不断扩大焊口宽度提高对熔池区域的保护性，同时可以保护整个熔池的整体结构形状。

（2）而在使用大功率高压电流时，为了能够有更高效率地保护熔池后面的双层高压电流保护膜涂层和电流焊道，可以在双层高压电流保护膜的高压喷头后，再安装另一种带有高压电流保护膜涂层的高压喷嘴。

2.4 脉冲氩弧焊

2.4.1 钨极脉冲氩弧焊

采用该焊接方法，可以明显性地提高小功率电流电弧焊接过程的温度稳定性，并能通过自动调节各种焊接的控制参数，实现对焊接功率的精确控制，实现焊接质量的提升。用这种焊接方式焊件变形小，热变化影响小，误差小，尤其适用于金属薄板、全位置焊接及对热变化敏感的锻压软铝、硬铝、超刚性硬铝等特殊场合，尤其适合对热变化敏感的氩弧焊。

2.4.2熔化极脉冲氩弧焊

熔化极脉冲氩弧焊最早被应用在铝及铝合金焊接工艺上是在上个世纪50 年代，距今已经有了70 年的发展历程，之后随着工艺的不断进步，开始被应用与铜和不锈钢等其他金属的焊接上，现如今也广泛用于低合金钢等黑色金属焊接中。熔化极脉冲氩弧焊的适用范围非常广，几乎可以用来焊接所有种类的金属或者合金。这种方法可采用的平均焊接电压，但时参数的可调节范围很大，焊件才焊接时发生的形变及热温度变化条件影响小，生产率高，抗压和弹性好，对气孔及不同焊件间的抗裂性好，适用于焊接工件厚度在2mm ～10mm 间的轻质铝合金工件，且可以全位置焊接。

2.5 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是目前工业中焊接铝及铝合金材料时最常用的焊接技术。搅拌式摩擦焊与传统的熔焊、电焊工艺相比，几乎没有飞溅，也不会产生任何烟尘，焊接时也不需要准备气体保护层，接头几乎没有任何气孔、裂纹。该焊法与普通焊接方法相比，焊接件的长度、宽度并不会对其造成影响，可进行直接焊接。这种焊接加工方法同时还有一些别的好处，如接头的强度高，力学性能好、消耗能源低、不会产生污染性气体、焊前准备条件要求低等。由于铝及其他铝合金材料熔点低，搅拌摩擦焊进行焊接时释放的热量低，使用搅拌摩擦焊更为合适。

3 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）由于铝自身独特的化学性质，当铝暴露在空气中时，极易与空气中的氧气发生氧化反应，生成一层氧化铝薄膜，这是一层熔点远远超过纯铝并且基本不会与水相溶的特殊氧化物，所以在融化时，内部的铝已经融化，但外层的氧化铝薄膜依旧存在。这层氧化铝薄膜不会跟其他的金属相容，而且会妨碍被熔融填充金属润湿。所以，在焊接工作开始之前，必须先将铝表面的氧化铝薄膜清理掉或者破坏掉。

（2）熔焊时，铝合金的良好的理化性质首先就要直接体现在它的抗裂性上。通过在铝中加入Fe、Mn、Zn、Si 等金属元素，就可以获得不同类型、不同性质的合金，每一种不同的合金在焊接时产生裂纹的影响都不一样。

（3）焊后接头焊缝易腐蚀产生较大气孔，焊接面与接头接缝区易发生软化。

4 焊接材料选用相关事项

4.1 氩气纯度≥99.99%，露点≤-55℃

当瓶装氩气的输出压力如果大于等于0.5Mpa 时不宜使用。氩气中的含氮量原则上不能少于0.04%，如果含氮量过低，焊缝表面会产生淡黄色或者是青色的氧化铝斑纹以及气孔；氩气中的氧含量要不低于0.03%，否则在熔池的表面就会出现密密麻麻的小黑点，以及电弧不问和电弧飞溅较大的现象。含水量应大于等于0.07%，否则熔池就会沸腾，而且焊接时焊缝处会产生气孔。

4.2 MIG 焊时，送丝设备的要求

用MIG 焊接铝及铝合金时，由于铝合金焊丝的质地比较软，同时为了能避免外力咬伤或者拉扯到焊丝，所以为了避免焊丝收到磨损，在MIG 焊时，送丝轮不允许使用带有齿轮的送丝轮，推丝式也同样不能使用。

5 焊接前的准备工作

（1）焊丝、坡口表面以及两侧大于50mm 的位置务必对其表面进行清理，具体为去除表面氧化铝薄膜、打磨表面至光滑。

（2）在清理的时候也要注意，表面的氧化膜一定要完全清除干净，不能将其压进铝合金焊件之中，所以在清理的时候必须足够小心。

（3）电焊丝面可用不锈钢丝磨光，或可用油砂纸磨光；对于某些表面氧化膜较厚的焊丝，不仅在焊接前要打磨干净，还要进行化学清洗，完全清除表面的氧化铝薄膜。

（4）产品化学清理：先将焊丝放入70℃、5%～10%的氢氧化钠溶液中充分浸泡三分钟左右，之后再用清水把残留的溶液冲洗干净，之后再浸泡再15%左右的稀硝酸溶液约一分钟，取出后用温水冲洗几遍，再用手持小型吹风机吹干，然后放进烘干机中，用100℃将表面彻底烘干。注意，吹干时不能使用空气压缩机。

（5）清洁彻底之后的焊丝和焊件应保持干净、干燥，不能用手直接接触焊件，或者向焊接部位吹气，防止表面接触氧气之后氧化。焊工再焊接时必须戴着干净的白色焊工手套，不能因为怕麻烦而戴脏手套。

（6）如果焊丝或者焊件在焊接前被严重污染，毕竟重新清理一遍，如果只是局部污染，可对被污染的部位重新清理，在局部清理时，需要用白纸把坡口两侧盖上。一般焊接工作必须在清理后立即进行，假如在清理之后的四个小时之内还没有焊接，就必须要把焊丝重新清理一遍以防焊丝被氧化。

（7）焊件在焊接时的装配位置选择必须准确无误。

（8）铝板在焊接时易变形、易松动产生焊接塌陷，因此铝合金在焊前应具针对性地制作加工夹具和焊接垫板。

（9）使用夹具时一般是要求整个零件正反面都必须用工具夹紧，而且夹具的硬度跟夹紧时的压力要适中，如果硬度较小而夹紧时的压力过大，就有可能造成夹具损坏，如果硬度较大而压力较小，可能会导致夹具脱落，夹紧力应取350Kg/100mm。

（10）在进行软性铝合金焊接时，夹具应选用碳钢或者不锈钢制品，这样可以让散热速度降低；强化铝合金焊接时，应使用铝制的夹具，这样可以让热量散发地更快。

（11）纵缝的装配夹具组合装配装置可用琴键式，纵缝在装配时，还应适当利用加缝，以增大纵缝之间的间隙，以便利用纵缝的焊后装配工作机具，有效地扩大间隙和切割的预留空间；对于一些环缝（包括圆形缝的凸缘、法兰等）要充分利用纵缝的焊后角或斜角后的扳边，因为这些纵缝在焊后容易发生变形。

（12）对焊缝冷却反应速度的直接影响也是选择垫板材料时必须去仔细考虑的一个重要因素。比如当所用焊件厚度比较大或者焊接垫板装配时的间隙也比较大时，可以考虑使用一些粘性剂或土壤将装配间隙全部封死，在完成焊接之后去除即可。

6 焊接要求

（1）铝合金焊接前一个重要步骤为预热，因铝材加工时会激发材料的氧化性及导热性，所以通常应用的焊接方式为手工电弧、氩极电弧，若需进行焊接铝合金材料厚度超出规定标准时，则必须进行焊接前预热处理，同时控制好预热温度，温度维持在100℃以下，铝合金进行焊接时因焊接材料层间超过预热层，因此温度也要控制在100℃以下。根据选用铝合金板材的实际情况，应用远红外线板、抗氧化火焰进行焊接加热。

（2）合金焊接期间严格把控焊丝填入位置，正确位置应为电弧正上方，焊接熔池电弧边缘是焊接线条固定最佳位置，距离焊接熔池较近位置，要求熔池表面高于焊丝填入点，可降低母材熔化概率，金属不易氧化。

（3）当焊接完成后回收焊丝时，不能在没有保护气体的环境下将焊丝露出来，焊丝如果直接接触到空气，就会跟空气中的氧气发生反应，产生氧化铝，将被氧化的焊丝再次运送回熔池中就会导致熔池被污染。在每次焊接准备过程中，如果与钨极点完全接触或碰到进入焊缝中的金属，应立即停止焊接，用金属磨头迅速清除金属污染，修磨焊缝钨极；在每次焊前或焊接准备过程中，都应该把焊丝端部被氧化的部分完全清除掉方能进行焊接。

（4）充填弧坑，保证焊接接触位置达到焊透状态。

（5）在普通的熄弧焊机上应用堆高加压熄弧方式：堆高过程中将电弧进行抬升，当电弧熄灭时停止加压抬高电弧，未进行堆高处理的焊缝出现凸起现象，必要时进行加压填充熄弧焊丝。熄弧焊机装设自动衰减熄弧装置，此时采用堆高熄弧方法效果较好。

7 焊接技术的发展趋势

铝合金材料焊接的有些发展趋势已经是显而易见的：不断逐步提高国民生产力；进一步实现机械焊接全自动化；继续努力寻找更加有效率的现代焊接设备和工艺。通过新工艺的出现以及使用的高强度不锈钢和优质铝合金的数量增多，整体焊接构件上的重量大大减轻。在国际焊接展上，我们能清楚地看到现代电子元件、计算机网络技术以及现代数字通讯技术的快速发展，影响着现代焊接设备的不断发展。诸如混合激光熔化极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现，传统的热熔钨极惰性气体保护电弧焊、熔化极惰性气体涡流保护电弧焊以及埋弧摩擦焊等工艺毫无疑问将逐步被这些新工艺所取代。

8 结论

铝材及其特殊的物理化学性质在我国现代建筑工业及其他高科技领域已得到愈来越来越广泛的应用，并已作为一种不可或缺的结构材料，成为推动我国工业现代化建设快速发展的重要组成部分。对铝及其他铝合金材料在整体结构、性能、材料焊接等方面的特性进行深入研究，不仅能充分认识铝及其它铝合金材料的独特之处、材料特点和焊接性能，因此我们一定要通过本论文更好的深入了解并全面掌握各种铝及铝合金材料所具有的独特焊接性能，并充分了解铝合金材料的具体情况，并充分掌握各种铝合金材料的焊接性能，也希望能在此基础上去不断地探索研究新的铝合金构件焊接技术。