铝及铝合金的焊接

?母材分析

工业纯铝具有铝的一般特点，密度小，导电、导热性能好，抗腐蚀性能好，塑性加工性能好，可加工成板、带、箔和挤压制品等，可进行气焊、氩弧焊、点焊。工业纯铝不能热处理强化，可通过冷变形提高强度，惟一的热处理形式是退火，再结晶开始温度与杂质含量和变形度有关，一般在200℃左右。退火板材的σb=80～100MPa，σ0.2=30～50MPa，ζ=35%～40%，HB=25～30。经60%～80%冷变形，虽然能提高到150～180MPa，但ζ值却下降到1%～1.5%。增加铁、硅杂质含量能提高强度，但降低塑性、导电性和抗蚀性。

以下为母材的化学成分

表2-1 母材（L2）化学成分（GB/T3190—1996)

?母材的焊接性分析

一、物理及化学性质分析

纯铝的熔点低（660℃），熔化时颜色不变，难以观察到熔池，焊接时容易塌陷和烧穿；热导率是低碳钢的三倍，散热快，焊接时不易熔化；线膨胀系数是低碳钢的二倍，焊接时易变形；在空气中易氧化成致密的高熔点氧化膜Al2O3（熔

点2050℃），难熔且不导电，焊接时易造成未熔合、夹渣并使焊接过程不稳定。因此纯铝的焊接性比低碳钢差，所以纯铝的焊接性主要有：焊接过程中易氧化、能耗大、容易产生气孔（主要是氢气孔）、容易形成焊接热裂纹、焊接接头容易软化、焊接接头的耐蚀性下降。

1、易氧化

铝1060和氧的亲和能力很大，在常温下铝容易同氧化合，在铝的表面生成致密的Al2O3薄膜，能防止金属的继续氧化，对自然防腐蚀有利，但是给焊接带来了困难。这是由于氧化铝薄膜的熔点高（约2050℃），远远超过铝1060的熔点，而且密度很大3.95～4.10g/m2,约为铝1060 的1.4倍，加之1060 导热性很强，焊接时容易造成不融合现象，也容易成为焊缝金属的夹杂物，形成夹渣缺陷。同时氧化膜可以吸收较多的水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。

2、容易产生气孔

由于铝1060 中不含碳，不存在生成CO 气孔的条件，而氮又不溶于铝，因此一般认为铝1060 产生气孔的主要原因是氢。氢能大量的溶于液态铝，几乎不溶于固态铝。在焊接高温下，氢在液态铝中的溶解度急剧下降，如果熔池金属溶入过饱和的氢，在一定的冷却速度下，过饱和氢将从液态金属中析出形成微小的气泡。在铝的熔池凝固过程中析出氢一方面形成新的微小的小气泡，另一方面将扩展到已形成的

微小气泡中，并使它发展长大。与此同时，由于铝1060的相对密度小，气泡上浮较慢，如果冷却速度较快，气泡来不及逸出熔池，凝固后就留在焊缝中形成气孔。若熔池凝固过程比较缓慢的进行，能有足够的时间使氢气泡逸出熔池，就不会在焊缝中形成气孔。反之，如果熔池凝固速度很快，氢来不及由液态金属中析出，而是固溶于铝中形成过饱和固溶体，也不会析出气体形成气孔。可见冷却速度是影响产生气孔的重要条件之一。

3、焊接热裂纹

铝1060非热处强化合金在熔化焊时很少产生裂纹，只有在杂质含量超过规定范围，或刚性很大的不利条件下，才会产生裂纹。铝1060 产生热裂纹的原因与它的成分和焊接应力有关。由于铝1060 的线膨胀系数比铁将近大一倍，而其凝固时的收缩率又比铁大两倍，因此铝焊件的焊接应力大。

4、高的导热性和导电性

铝1060的导热系数很大，约为钢的四倍，而且热容量也比钢大近一倍，因此焊接铝1060时比钢要消耗更多的热量。为得到高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源才能进行正常的焊接，特别在工件厚度较大时更为明显。铝1060的导电性好，电阻焊时需要更大功率的电源。

5、高温使强度和塑性低

高温时铝1060的强度和塑性很低，如370℃时强度仅为1MPa左右，常常不能支持液体熔池的重量，破坏了焊缝金属的成型，有时还容易造成焊缝金属的塌落和烧穿。

6、无色泽变化

铝1060从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断熔池的温度，另外，温度升高时，铝1060的强度降低，因此焊接时难以掌握加热温度，时常因温度过高无法察觉而导致烧穿。

总的来说，铝1060的焊接性是良好的，只要针对上述焊接特点，正确选择焊接方法、焊接材料、焊前清理及焊接操作工艺，完全能获得良好的焊接接头。

筒体壳板厚为16mm，所以在焊接前，为避免出现热裂纹，应对其进行预热，预热温度为120～140℃。

（2）、焊接方法不当

例如；埋弧焊线能量大，会使焊接热影响区过热区出现粗晶组织，使热影响区韧性降低。电渣焊的线能量比埋弧焊还要大，热影响区晶粒更加粗大，韧性降低更为明显，所以纯铝自动氩弧焊焊后通常要经正火处理，细化晶粒，以提高韧性。

焊接工艺方案

焊接设备为NB-500型熔化极MIG气体保护焊机，电流调节范围为50～500A。焊丝直径为Φ1.6mm，保护气体——氩气，

其纯度不低于99.96％。其选择理由如下：

（1）除CO2气体保护焊外，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。惰性气体保护焊有TIG焊和MIG焊，它们是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。从“阴极清理”作用和钨极许用电流方面考虑，一般采用钨极氩弧焊。由于是在氩气的良好保护下施焊，熔池可免受氧、氢等有害气体的影响。氩弧焊电流稳定、热量集中、其焊缝组织致密、成形美观、强度和塑性高，并且工件变形小。但是，因受到钨极许用电流的限制，电弧的熔透力较小，生产率较低。故一般多用于板厚在6mm以下薄板的焊接。熔化极氩弧焊（MIG）电弧功率大，热量集中、热影响区小、生产率可比钨极氩弧焊提高三倍以上。因此适用于厚板结构的焊接，它可焊接50mm以下的铝及铝合金板材，焊接30mm厚的铝板可不预热。半自动熔化极氩弧焊，主要用于定位焊、断续小焊缝及结构不规则工件的焊接。

（2）铝及铝合金的热导率和比热容均比碳素钢和低合金钢低两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热能被迅速传导到基体金属内部吸收，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，也可采用预热等工艺措施。熔化极气体保护焊（MIG）与钨极氩弧焊（TIG）比较，MIG焊的最小加热面积为10-4cm2，最大功率密度为104～105w·cm-2，TIG焊的最小加热面积为10-3cm2，最大功率密度为1.5～104w·cm-2，因此选用MIG焊较好。

（3）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-1等(注意强度可能低于母材)。

根据铝储罐的使用情况，按上述原则（等强度、等腐蚀性），现选用焊丝为SAl-2,其铝含量高于1060（L2）工业纯铝，以保证焊接接头耐腐蚀性的要求。

（4）保护气体选择

铝及铝合金MIG焊，只采用惰性气体氩或氦气，不采用活性气体。氩或氦虽同为保护气体，但其物理性能有差异，因而其工艺性能也有差异。氩气的密度大约是空气的1.4倍，比空气重；氦气的密度大约是空气的0.14倍，比空气轻。在平焊位置焊接时，氩气下沉，驱走空气，对电弧的保护和对焊接区的覆盖作用好。若选择氦气保护，要得到相同的保护效果，氦气的流量和消耗量大约比氩气高2～3倍。

另外，氦气的导热率比氩气高，能产生能量分布更均匀的电弧等离子体。氩弧等离子体则弧柱中心能量高而其周围能量低。因此，氦弧MIG焊时焊缝形状特点为熔深与熔宽大，焊缝底部呈圆弧形，而氩气MIG焊的焊缝中心呈窄而深的“指状”熔深，其两侧熔深较浅。

氦的电离电位比氩高。当弧长和焊接电流一定时，氦气保护的电弧电压比氩气弧高。因此，纯氦保护MIG焊时，很难实现轴向射流过渡，常发生较多的飞溅和较粗糙的焊缝表面。氩气保护的MIG焊则较易实现射流过渡。

由于MIG氩弧焊的电弧电压低和电弧能量密度小，电弧稳定、飞溅极少，因而适用于焊接薄件。MIG氦弧焊的能量密度高，适用于焊接中厚件，但电弧不够稳定，且氦气价格高昂。

本产品的最大壁厚为16mm，所以选用氩气为保护气为宜。

3.焊前准备

（1）坡口形式、接头形式及其尺寸

坡口形式、接头形式及其尺寸取决于铝焊件厚度、焊接位置、熔滴过渡形式及焊接工艺。

在焊件厚度、焊接位置和焊接工艺一定时，熔滴过渡形式是确定坡口形式，焊接工艺参数的重要条件。

熔化极氩弧焊的熔滴过渡的形式及其过程的稳定性是MIG 焊焊接方法是否适用的关键。当焊接电流由小到大增长时，熔滴过渡即由短路过渡、滴状过渡，向喷射过渡（射滴过渡、射流过渡）方向变化。短路过渡只适用于材料厚度为1～2mm薄壁零件的MIG焊，喷射过渡过程比较稳定，几乎可用于各种厚度铝材的MIG焊。在短路过渡至射流过渡之间，有一个亚射流过渡区，此时尽管弧长较短，但并不发生短路，即使弧长变化，电流电压亦可保持不变，即使采用恒流电源（陡降外特性），电弧也能进行自身调节，焊接过程稳定，焊缝成形均匀美观，实践经验表明，采用亚射流过渡形式MIG焊铝材时，焊接效率更高，焊接质量更好。MIG焊时，一般采用直流反接，不采用直流正接或交流，有自动焊及半自动焊两种方式。

采用射流过渡形式的喷射过渡时，焊缝易呈现窄而深的指状熔深，焊缝两侧熔透不良，出现气孔裂纹等缺陷。改用亚射流过渡形式时，弧长较短，电弧电压较低，电弧略带轻微爆破声，焊丝端头的熔滴长大到等于焊丝直径时便沿轴线方向一滴一滴地过渡到熔池，并间或有瞬时短路发生。亚射流过渡MIG焊时，

阴极雾化区大，熔池保护效果好，焊缝成形好，焊缝缺陷少。为此铝储罐在焊接参数的选择及坡口设计上要充分考虑以上问题。

（2）焊前清理

铝焊件及焊丝表面的氧化膜及污染物可引起MIG焊过程中电弧静特性曲线下移，从而使焊件电流突然上升，焊丝熔化速度增大，电弧拉长，此时，电弧的声音也从原来有节奏的嘶嘶声变为刺耳的呼叫声。因此，MIG焊前零件及焊丝表面应严格清理，其清理的质量将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。焊件与焊丝MIG焊前表面清理，常采用化学清洗和机械清理两种方法。同时铝及铝合金焊丝最好采用经特殊表面处理的光滑、光洁、光亮的“三光”焊丝。

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3min～7min(纯铝时间稍长但不超过20min)，流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％HNO3溶液酸洗1min～3min，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～0.20mm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4h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24h)应当重新处理。

本储罐采用的清理方案为：坡口及其周边50mm范围内的氧化物及其他杂物均应清理干净。先采用直径小于0.2mm的不锈钢丝轮进行清理，然后再用化学法清洗。焊丝只用化学方法清洗。清理好的坡口要在2h内焊完，清洗并烘干后的焊丝在大气中裸露的时间不得超过4h。铝储罐坡口化学清洗的工艺参数见表一：

表一铝储罐坡口化学清洗的工艺参数

4．工艺装备的准备

MIG焊所需的工艺装备，有焊接小车及轨道、操作机、变位机、滚轮架、焊件的胎夹具等。铝储罐主要焊缝采用的是V形坡

口单面、单道焊，为保证焊透又防止熔池金属泄漏，采用了加反面衬垫的方法。这里只对主要工装进行选择。

（1）衬垫

MIG焊与TIG焊一样有时需要焊缝反面衬垫，因MIG焊时功率较大，熔透能力较强，反面衬垫既有利于防止熔池金属泄漏，又有利于防止缩小接头的有关尺寸，操作条件较为宽松，对操作技能的要求可适当降低。本铝储罐的纵、环焊缝均采用了临时垫板，材质与母材相同，既可避免污染熔池又有利于散热。反面衬垫装在焊件的胎夹具内，与焊缝位置对应，并紧贴在两零件反面，焊接后与焊件分离。

（2）滚轮架

滚轮架是压力容器制造常用的工艺装备。焊接滚轮架通过电动机驱动滚轮，利用主动滚轮与焊件之间的摩擦力带动筒形焊件以一定速度旋转的变位机械。在焊接生产中应用的焊接滚轮架通常由一副主动滚轮架和一副被动滚轮架组成。

焊接滚轮架主要用于圆筒型筒体的装配与焊接。当进行筒体环焊缝焊接时，由于筒体在滚轮上转动，将环形焊缝的全位置焊接变成平焊，有利于提高焊缝质量和焊接生产率。当主动滚轮架和被动滚轮架的安装高度不同时，也可进行锥体和不等径圆柱体焊件的装配和焊接。对于矩形截面的焊件以及形状不规则的焊件，可将其装在特制的环形卡箍内，也可在滚轮架上进行焊接作业。

焊接滚轮架又可分为：通用型焊接滚轮架与特种用途焊接滚轮架，现选用通用型。在工业生产中最常用的通用型焊接滚轮架又可分为二大类：一类是自调式焊接滚轮架，一类是可调式焊接滚轮架。

自调式焊接滚轮架的特点是每一付滚轮架由两组双滚轮组成，且每组滚轮支架可以其支点为中心旋转，因此可在相当宽的范围内适应不同直径的焊件而无需改变两组滚轮之间的距离。但在焊接直径很小的焊件时，焊件的外圆只能与每对滚轮架的两个滚轮接触，滚轮架的承载重量将相应地降低为额定载荷的75％。

自调式焊接滚轮架通常采用双驱动传动方式，电动机通过二级减速箱和连接轴将转矩传递给二组滚轮，以获得平稳的旋转速度。驱动电动机可以采用电磁无级调速或变频器无级调速。

可调式焊接滚轮架的特点是每一付滚轮架的滚轮间距是可调的,以适应不同直径的焊件。滚轮间距的调节，可采用多种方法，最简单的办法是，在滚轮架支座面上钻二排孔间距相等的螺栓孔，滚轮座则按焊件的直径安装在相应的孔位，并用螺栓固定。当所焊工件的直径经常变化时，则可采用丝杆传动机构调节滚轮间距。对于焊件直径变化范围不大的应用场，可采用连杆机构调节滚轮间距，十分简便且节省辅助时间。

可调式焊接滚轮架，通常采用一副主动滚轮架和一副被动滚轮架组合进行装配和焊接作业。其中主动滚轮架可分单驱动和双驱动。两台电动机可通过电子线路同步起动。双驱动的优点是焊

件旋转速度平稳，并可消除跳动现象。我国已制订了焊接滚轮架的行业标准JB/T9187-1999。从安全角度出发，并考虑滚轮驱动功率合理选用，JB/T9187行业标准还规定了滚轮圆心至焊件圆心的包角α应控制在45°～110°范围内。在实际焊接生产中，焊接滚轮架的选用步骤如下：

①按工厂生产纲领规定的焊件规格和重量，以及月产量初步确定需要配备的焊接滚轮架的规格，额定承载重量和数量。

②按焊件的重量和材料种类确定滚轮的结构，对于不锈钢，钛合金和铝合金制压力容器，必须采用橡胶轮或聚氨脂轮。

③根据拟采用的焊接工艺方法，确定对焊接滚轮架转速范围的要求和其他技术特性的要求。

④应当按焊缝的质量要求，提出焊接滚轮架滚轮线速度的控制精度要求。

⑤应考虑工作环境。

考虑通用性，铝储罐采用EB-10TN型可调式焊接滚轮架，其技术参数为：最大载重量5t，最大转动能力10t，滚轮线速度70～1200mm/min，工件直径150～4000mm，橡胶轮数目6个，滚轮间中心距410～1810，外形尺寸：主动轮3300×890、被动轮2600×500×515，滚轮直径（橡胶轮350），重量：主动轮600，被动轮400。

（3）焊接操作机

焊接操作机又称焊机变位机，是将焊接机头准确送达并保持

在待焊位置，或是以选定的焊接速度沿规定的轨迹移动焊接机头，配合完成焊接操作的焊接机头变位机械。与焊接变位机配合使用，可以完成多种焊缝，如纵缝、环缝、对接缝、角焊缝及任意曲线焊缝的自动焊接工作，也可以进行工件表面的自动堆焊和切割工艺。

焊接操作机种类很多，常见的有如下类型：平台式操作机、悬臂式操作机、伸缩臂式操作机、门桥式操作机等。

平台操作机主要用于筒形容器的外纵缝和外环缝的焊接，悬臂式操作机主要用来焊接容器的内纵缝和内环缝，伸缩臂式优点很多，除具有前两者的用途外，还可以完成切割、打磨、探伤等作业。现拟用伸缩臂式操作机。

5.组装与焊接

铝储罐由筒体、封头及接管三部分组成，将其分别组装、焊接，然后将筒体、封头及接管进行总成焊接。但其主要受力元件是封头和筒体，下面就以封头、筒体的的具体生产工艺过程来说明铝储罐的制造工艺。

（1）封头的制造

该铝储罐选用椭圆形封头结构，根据尺寸情况可选用规格为-16×2000×5800mm的纯铝1060（L2）板材经冲压成形。具体工艺过程如下：选材→复检→矫平→划线→下料→成形→二次划线→封头余量切割→环缝坡口加工→划线（孔）→孔加工→复检尺寸→焊前清理→装配。

纯铝1060（L2）板材的质量应符合国家标准要求的质量。

椭圆封头压制前是圆形，按公式Dp=k（Dn+δ）+2h计算得展开尺寸为Φ1258mm考虑收缩及加工余量后，下料尺寸为Φ1270mm。

封头在压制成形之前先按尺寸打磨直边，随后在压力机上，用凸凹模一次压制成形。

已成形的封头还要对其进行边缘加工以便于筒体装配，即在平台上划出保证直边高度的加工位置线，选择在普通立车上同时完成余量切割与坡口加工，以达到设计图样要求。封头加工完成后应对封头内表面尺寸进行检查，其方法是用弦长等于封头内径3/4Di的内样板进行检查，其最大间隙不得大于封头内经的1.25％，检查时应使样板垂直于待测表面。

对有出液口的封头，在封头余量切割工序与检查两工序之间后还需进行Φ100mm孔的划线与孔加工两道工序。

（2）筒节的制造

铝储罐筒体由3个筒节组成，3个筒节均由两块6×1888×786mm纯铝板材1060（L2）拼焊而成，每个筒节上都有一孔，但孔径不同。装配时，既要保证三孔均在筒体的正上方，又要保证筒体上3筒节纵缝错开足够距离，故下料时应注意孔的定位尺寸，具体见筒节工艺过程卡。

筒节制造过程如下：选材→复检→矫平→划线→检查→下料→坡口加工→焊前清理→拼缝装配→拼缝焊接→卷制成形→焊

前清理→纵缝装配→纵缝焊接→焊缝检验→矫圆→复查尺寸→装配。

选用6×1000×2000mm的纯铝1060（L2）板材，且质量应符合国家标准要求的质量。筒节一般是在卷板机上卷制而成，由于一般筒节的内径比壁厚要大许多倍，所以，筒节下料的展开长度L按筒节的平均直径Dp来计算。

即L=πDp=π（Dg+δ）＝3787mm Dg—筒节的内径δ—筒节的壁厚

筒节展开后是矩形，其下料尺寸同样应考虑收缩及加工余量，并注意筒节展开方向与板材的轧制纤维方向一致。划线包括切割位置线、边缘线、孔中心线及位置线，并打上样冲标记。同时应检查矩形对角线，误差≤2mm。

拼焊前应做好清理工作，拼板装焊时，定位焊在坡口正面，焊缝应薄点，定位焊缝长度一般为40～60mm。筒节可在三辊或四辊卷板机上冷卷而成，卷制过程中要经常用样板检查曲率，卷圆后其纵缝处的棱角、径纵向错边量应符合技术要求。(装配定位焊的间隙0～2mm；错边＜1mm；椭圆度≤1mm）筒节卷制好后，在进行纵缝焊接前应先进行纵缝的装配，采用杠杆—螺旋拉紧器、螺旋压马等夹具来消除卷制后出现的质量问题，满足纵缝对接时的装配技术要求，保证焊接质量。装配好后即进行定位焊。筒节的纵缝坡口是在卷制前就加工好的，焊前应注意坡口两侧的清理。

筒节纵缝焊接质量要求较高，焊接时，做了铝储罐的焊接试板，同时由于焊缝引弧处和灭弧处的质量不好，故焊前在纵向焊缝的两端装上了长100mm、宽80mm与工件等厚度的引弧板和引出板，其装配情况见附图2。筒节纵缝焊完后还需按要求进行无损探伤，再矫圆，满足圆度的要求后才送入装配。