铝及铝合金的焊接培训资料

铝及铝合金的焊接培训资料

铝及铝合金的焊接特点

(1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。

（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。

（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi條(硅含量4．5％～6％)焊丝会有更好的抗裂性。

（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。

（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，

不能通过相变来细化晶粒。

2. 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、操作方便。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。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）

氩弧焊按照电极的不同分为：熔化极氩弧焊和非溶化极氩弧焊两种.

1、非熔化极氩弧焊的工作原理及特点

非溶化极氩弧焊是电弧在非熔化极（通常是钨极）和工作之间燃烧，在焊接电弧周围流过一种不和金属起化学反应的惰性气体（常用氩气），形成一个保护气罩，使钨极端头，电弧和溶池及已处于高温的金属不与空气接触，能防止氧化和吸收有害气体。从而形成致密的焊接接头，其力学性能非常好。

2、熔化极氩弧焊的工作原理及特点

焊丝通过丝轮送时，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。它和钨极氩弧焊的区别：一个是焊丝作电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；另一个是采用保护气体，随着熔化极氩弧焊的技术应用，保护气体已由单一的氩气发展出多种混合体的广泛应用，如Ar80%+CO220%的富氩保护气。通常前者称为MIG，后者称为MAG。从其操作方式看，目前应用最广的是半自动熔化极氩弧焊和富氩混合气保护焊，其次是自动熔化极氩弧焊。

熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，有如下特点：

（1）效率高因为它电流密度大，热量集中，熔敷率高，焊接速度快；另外容易引弧。

（2）需加强保护因弧光强烈，烟气大，所以要加强保护。

3.焊接材料

（1）焊丝

铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性(通过弯曲试验)达到规定要求，对含镁量超过3％的铝镁合金应满足冲击韧性的要求，对有耐蚀要求的容器，焊接接头的耐蚀性还应达到或接近母材的水平。因而焊丝的选用主要按照下列原则：

1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材；

2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近；

3）铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材；

4）异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝；

5）不要求耐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的

铝硅合金焊丝SAlSi一1等(注意强度可能低于母材)。

(2)钨极

氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。在纯钨中加入1％～2％氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。在纯钨中加入1.8％～2.2％的氧化铈(杂质≤0.1％)的电极为铈钨极。铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。

4、保护气体

（1）最常用的惰性气体是氩气。它是一种无色无味的气体，在空气和含量为0。935%（按体积计算），氩的沸点为-186℃，介于氧和氦的沸点之间。氩气是氧气厂分馏液态空气制取氧气时的副产品。

我国均采用瓶装氩气用于焊接，在室温时，其充装压力为15MPa。钢瓶涂灰色漆，并标有“氩气”字样。纯氩的化学成分要求为：Ar≥99.99%；He≤0.01%；O2≤0.0015%；H2≤0.0005%；总碳量≤0.001%；水分≤30mg/m3。

氩气是一种比较理想的保护气体,比空气密度大25%,在平焊时有利于对焊接电弧进行保护,降低了保护气体的消耗.氩气是一种化学性质非常不活泼的气体.即使在高温下也不和金属发生化学反应,从而没有了合金元素氧化烧损及由此带来的一系列的问题.氩气也不熔于液态的金属,因而不会引起气孔.氩是一种单原子气体,以原子状态存在,在高温下没有分子分解或原子吸热的现象.氩气的比热容和热传导能力小,即本身吸收量小,向外传热也少,电弧中的热量不易散失,使焊接电弧燃烧稳定,热量集中,有利于焊接的进行.

氩气的缺点是电离势较高.当电弧空间充满氩气时,电弧的引燃较为困难,但电弧一旦引燃后就非常稳定。

5、氩弧焊的缺点

（1）氩弧焊因为热影响区域大，工件在修补后常常会造成变形、硬度降低、砂眼、局部退火、开裂、针孔、磨损、划伤、咬边、或者是结合力不够及内应力损伤等缺点。尤其在精密铸造件细小缺陷的修补过程在表面突出。

（2）氩弧焊与焊条电弧焊相比对人身体的伤害程度要高一些，氩弧焊的电流密度大，发出的光比较强烈，它的电弧产生的紫外线辐射，约为普通焊条电弧焊的5-30倍，红外线约为焊条电弧焊的1-1.5倍，在焊接时产生的臭氧含量较高,因此,尽量选择空气流通较好的地方施工,不然对身体有很大的伤害.

6. 焊前准备

(1)焊前清理

铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。

1）化学清洗

化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液碱

洗3 min～7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min)，流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％HNO3溶液酸洗1 min～3 min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。

2）机械清理

在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为0.15mm～0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。

工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4 h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24 h)应当重新处理。

(2)垫板

铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。

(3)焊前预热薄、小铝件一般不用预热，厚度10 mm～15 mm时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。

5.焊后处理

(1)焊后清理

焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝表面的钝化膜，有时还会腐蚀铝件，应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件，在热水中用硬毛刷刷洗后，再在60℃～80℃左右、浓度为2％～3％的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5 min～10 min，并用硬毛刷洗刷，然后在热水中冲刷洗涤，用烘箱烘干，或用热空气吹干，也可自然干燥。

(2)焊后热处理

铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力，来使容器上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下，这时应由容器设计文件提出特别要求，才进行焊后消除应力热处理。如需焊后退火热处理，对于纯铝、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等，推荐温度为345℃；对于

2014、2024、3003、3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等，推荐温度为415℃；对于2017、2A11、6A02等，推荐温度为360℃，根据工件大小与要求，退火温度可正向或负向各调20℃～30℃，保温时间可在0.5 h～2 h之间。

氩弧焊又称氩气体保护焊.就是在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体,将空气隔离在焊区之外,防止焊区的氧化.

钨极氩弧焊

一、概述：

1、钨极氩弧焊就是以氩气作为保护气体，钨极作为不熔化极，借助钨电极与焊件之间产生的电弧，加热熔化母材（同时添加焊丝也被熔化）实现焊接的方法。氩气用于保护焊缝金属和钨电极熔池，在电弧加热区域不被空气氧化。

2、一般氩弧焊的优点：

(1) 能焊接除熔点非常低的铝锡外的绝大多数的金属和合金。

(2) 交流氩弧焊能焊接化学性质比较活泼和易形成氧化膜的铝及铝镁合金。

(3) 焊接时无焊渣、无飞溅。

(4) 能进行全方位焊接，用脉冲氩弧焊可减小热输入，适宜焊0.1mm不锈钢

(5) 电弧温度高、热输入小、速度快、热影响面小、焊接变形小。

(6) 填充金属和添加量不受焊接电流的影响。

3、氩弧焊适用焊接范围

适用于碳钢、合金钢、不锈钢、难熔金属铝及铝镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金，以及超薄板0. 1mm，同时能进行全方位焊接，特别对复杂焊件难以接近部位等等。

二、钨极氩弧焊焊机的组成

1、本公司氩弧焊机的型号（见图表）、编制方法、文字说明。

2、焊机的部件（焊机、焊枪、气、水、电）、地线及地线钳、钨极。

3、焊机的连接方法（以WSM系列为例）

(1) 焊机的一次进线，根据焊机的额定输入容量配制配电箱，空气开关的大小，一次线的截面。

(2) 焊机的输出电压计算方法：U=10+0.04I

(3) 焊机极性，一般接法：工件接正为正极性接法；工件接负为负极性接法。钨极氩弧焊一定要直流正极性接法：焊枪接负，工件接正。

(4) 水源接法、氩气接法

三、焊枪的组成（水冷式、气冷式）：

手把、连接件、电极夹头、喷嘴、气管、水管、电缆线、导线。

四、氩气的作用、流量大小与焊接关系、调节方法。

1、氩气属于惰性气体，不易和其它金属材料、气体发生反应。而且由于气流有冷却作用，焊缝热影响区小，焊件变形小。是钨极氩弧焊最理想的保护气体。

2、氩气主要是对熔池进行有效的保护，在焊接过程中防止空气对熔池侵蚀而引起氧化，同时对焊缝区域进行有效隔离空气，使焊缝区域得到保护，提高焊接性能。

3、调节方法是根据被焊金属材料及电流大小，焊接方法来决定的：电流越大，保护气越大。。活泼元素材料，保护气要加强加大流量。具体见下表：

氩气太小，保护效果差，被焊金属有严重氧化现象。氩气太大，由于气流量大而产生紊流，使空气被紊流气卷入溶池，产生溶池保护效果差，焊缝金属被氧化现象。所以流量一定要根据板厚、电流大小、焊缝位置、接头型式来定。具体以焊缝保护效果来决定，以被焊金属不出现氧化为标准。

五、钨极

1、钨极是高熔点材料，熔点为3400℃，在高温时有强烈的电子发射能力，并且钨极有很大的电流载流能力。钨极载流能力见下表：

2、钨极表面要光滑，端部要有一定磨尖，同心度要好，这样焊接时高频引弧好、电弧稳定性好，溶深深，溶池能保持一定，焊缝成形好，焊接质量好。

3、如果钨极表面烧坏或表面有污染物、裂纹、缩孔等缺陷时，这样焊接时高频引弧困难，电弧不稳定，电弧有漂移现象，熔池分散，表面扩大，熔深浅，焊缝成形差，焊接质量差。

4、钨极直径大小是根据材料厚度、材料性质、电流大小、接头形式来决定，见下表：

六、焊丝

焊丝选择要根据被焊材料来决定，一般以母材的成分性质相同为准。焊接重要结构时，由于高温要烧损合金元素，所以选择焊丝一定要高于母材料，把焊丝熔入熔池来补充合金元素烧损。

钨极氩弧焊，一种方法可以不添丝自熔，熔化被焊母材；另一种要添加焊丝，电极熔化金属，同时焊丝熔入熔池，冷却后形成焊缝。

不锈钢焊接时，焊丝与板厚和电流大小关系见下表：

随着板厚增加、电流增大、焊丝直径增粗

铝及铝合金焊接时，焊丝与板厚、电流大小关系见下表：

七、WSM（WSE）系列焊机面板上的各种旋钮和调节方法，见说明书。

八、直流氩弧焊与脉冲氩弧焊的区别：

1、直流氩弧焊，即在直流正极性接法下以氩气为保护气，借助电极与焊件之间的电弧在一定的要求下（焊接电流），加热熔化母材，添加焊丝时焊丝也一同熔入熔池，冷却形成的焊缝。

2、脉冲氩弧焊，除直流钨极氩弧焊的规范外，还可独立地调节峰值电流、基值电流、脉冲宽度、脉冲周期或频率等规范参数，它与直流氩弧焊相比优点如下：

（1）增大焊缝的深宽比，在不锈钢焊接时可将熔深宽增大到2：1

（2）防止烧穿、在薄板焊接或厚板打底焊时，借助峰值电流通过时间，将焊件焊透，在熔池明显下陷之前即转到基值电流，使金属凝固。而且有小电流维持电弧直至下一次峰值电流循环。

（3）减小热影响区，焊接热敏感材料时，减小脉冲电流通过时间和基值电流值，能把热影响区范围降低到最小值，这样焊接变形小。

（4）增加熔池的搅拌作用，在相同的平均电流值时，脉冲电流的峰流值比恒定电流大，因此电弧力大，搅拌作用强烈，这样有助于减少接头底部可能产生气孔和不熔合现象。在小电流焊接时，较大的脉冲电流峰值电流增强了电弧挺度，消除了电弧漂移现象。

九、焊前准备和焊前清洗：

1、检查焊机的接线是否符合要求。

2、水、电、气是否接通，并按要求全部连接好，不能松动。

3、对母材进行焊前检查并清洗表面。

4、用工具清洗，即用刷子或砂纸彻底清除母材表面水、油、氧化物等。

5、重要结构用化学清洗法，清洗表面的水、油、高熔点氧化膜、氧化物污染。简单用丙酮清洗，或用烧碱硫酸等方法清洗。

6、工作场所的清理，不能有易燃、易爆物,采取避风措施等。

十、焊接规范参数

钨极氩弧焊参数主要是电流、氩气流量、钨极直径、板的厚度、接头型式等

不锈钢氩弧规范列表如下：

十一、焊接操作

1、焊前

检查设备、水、气、电路是否正常，焊件和焊枪接法是否符合要求，规范参数是否调试妥当，全部正常后，接通电源、水源、气源。

2、焊接

把焊枪的钨极端部对准焊缝起焊点，钨极与工件之间距离为1-3mm按下焊开关，提前送气，高频放电引弧，焊枪保持70°-80°倾角，焊丝倾角为11°-20°焊枪作直线匀速移动，并在移动过程中观察熔池，焊丝的送进速度与焊接速度要匹配，焊丝不能与钨极接触，以免烧坏钨极，焊枪。同时根据焊缝金属颜色，来判定氩气保护效果的好坏。

3、收弧的方法：

（1）焊接结束时，焊缝终端要多添加些焊丝金属来填满弧坑。熄灭电弧后，在熄弧处多停留一段时间，使焊缝终端得到充分氩气保护，防止氧化。

（2）利用焊机的电流衰减装置，在焊缝终端结束前关闭控制按钮，此时电弧继续燃烧，焊接继续，直至电弧熄灭，保证了焊缝端部不至于烧穿，保证了焊缝质量。

（3）重要结构的焊接件，焊缝的两端要加装引弧板和熄弧板。焊接引弧在引弧板上进行，熄弧在熄弧板上进行，保证了焊缝前点和终端的质量。

焊接培训学校

2011-2-10