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铝合金材料焊接特点与焊接缺陷

一、铝合金的焊接特点:

      铝合金是应用最广泛的有色金属材料,具有优异的物理特性和力学性能。 焊接生产常用到的铝合金主要是型材和板材,铝合金的强化方式有变形强化和热处理强化或者两种强化方式兼有,强化后的各种铝合金材料大都适用于焊接工艺。与钢铁材料相比较,铝合金材料具有重量轻(仅为钢的三分之一)、热传导速度快(是钢的五倍)、线胀系数大(是钢的两倍)、热变形严重、表面易氧化等特点,铝合金的这些物理化学特性决定了铝合金的焊接特点,由于铝及铝合金的氧化速度极快所以我们见到的铝合金都是被氧化膜覆盖的,这种氧化膜的存在使得铝合金内部不再被氧化,所以铝合金制品可以长期稳定存在并被使用。

    按照合金系的成分划分,焊接常用的铝合金可分为纯铝、铝硅、铝镁三个系列,这三个系列的铝合金产量和应用量很大,母材和焊丝的生产质量稳定、规格齐全,国内产品的生产标准焊接标准与国际通用标准基本吻合,焊接工艺相对成熟,国际通用的焊接设备和器材内置的焊接专家系统能够覆盖,可占到铝合金全部用量的80%以上。三大系列之外还有铝锰、铝铜、铝锌镁铜、铝锂等众多系列的铝合金材料,在航天等许多特殊行业有所应用,与三大系列相比这些铝合金系列的使用量较小。

1、工业纯铝,即AWS标准和GB/T3190-1996标准的1XXX系列。世界上并没有纯铝,当铝合金材料中的合金成分低于某一界限时,即被称为纯铝。工业纯铝主要被用于电工材料或日用品,输变电行业、电解铝行业均大量使用工业纯铝。工业纯铝的强度较低,到延展性、导电性、耐腐蚀性良好。1050、1070等纯铝的焊接性很好,焊接接头光亮美观、强度可达母材的90%以上。

2、铝硅系列的铝合金,即AWS标准的4XXX和6XXX系列;GB/T3190-1996标准的4XXX和6XXX系列,铝硅合金中经常会加入一定含量的镁,用来细化晶粒、提高强度,所以也可将含镁的一类分称为铝硅镁系,但从焊接角度,4系与6系的工艺特点相近,可以使用相同的焊接材料、可以使用相同的设备内置数字化焊接专家系统。常用的有4043、4047、6061等牌号,这类铝合金的可焊性良好,液态金属的流动性好,焊缝成形美观。铝制品、车辆、容器等大量使用这类铝合金焊接产品。

3、铝镁系列铝合金,也即AWS标准和GB/T3190-1996标准的5XXX系列,也被称为防锈铝。
     铝镁合金的综合性能优良,也是铝合金材料中产量和使用量最大的种类。其强度、延展性、耐腐蚀性良好,可焊性良好。5系列铝合金中镁的含量和作用至关重要,镁焊量较低的牌号与镁含量较高的牌号的焊接特点有很大差别,实际焊接时应该引起注意。铝镁合金是许多重要工业结构件、承力箱体、建筑桁架、车辆使用的主要铝合金材料,常用到的有例如5056,、5556、5083等牌号。铝镁合金的焊接工艺相对成熟,焊接材料种类齐全,世界各国生产的数字化焊接设备中都预置有铝镁合金的焊接专家系统。铝镁合金的液态金属的流动性较好,焊缝成形容易控制,但焊缝外观成形美观程度不如铝硅系列。含镁量较高的焊材如ER5356、ER5183等在焊接过程中会产生镁元素的烧损,烧损产物呈黑色的灰状物粘附在焊缝熔合线两侧,称为焊缝的“发黑”现象。这种发黑的程度与焊接材料的成分、洁净程度、保护气体的纯度、干燥度等有关,正常焊接条件下很难避免,但这种发黑现象一般不会影响到焊接质量,发黑部分焊后可以用刷子轻轻刷掉。但发黑特别严重时可能会导致焊缝合金元素过度烧损,影响焊接质量,必须注意。

不论是哪一种铝合金,其表面覆盖到Al2O3焊接时都是必须去除掉的,使用MIG方法焊接铝合金时均采用直流反接,焊丝为正极、工件为负极,在焊接过程中产生的阴极清理作用能够可靠的去除焊接表面的氧化膜。虽然MIG焊方法具有自然去除氧化膜的特点,但对于轧制板材或者型材表面过厚的工艺氧化膜,由于焊接时电弧走过的时间很短,所以仅靠阴极雾化作用难以清除,必须在焊前采用其它方法清除。

 

铝合金材料的焊接缺陷主要有气孔、焊接裂纹、焊缝夹渣、熔透不好或焊穿

(1)、焊接气孔:铝合金焊缝中的气孔主要来自焊接材料或焊接环境的水或氧化物、有机物的高温熔解产物。

铝合金母材或焊材、保护气体等均不含碳,因此铝合金焊缝中不会含有一氧化碳气孔。


铝合金母材或焊材、保护气体等物质焊接高温状态下产生氧的几率是很大的。但金属铝与氧的亲和力较高很快就会形成氧化铝而不容易以气孔形式存留至常温状态,所以产生氧气孔的倾向并不大。


而铝合金母材或焊材、保护气体等容易含有水分、焊材表面的油、锈等污染物不易清理干净,这些含水或碳氢化物的物质在焊接高温状态下会分解出大量的氢,液态铝中氢的溶解度较大,而固态铝金属中几乎不溶解氢;因此液态焊缝中溶解的大量的氢随着焊缝温度的降低会以气态形式溢出,由于铝合金散热较快、液固相线间的温度区间小、结晶速度快会造成大量的溶解氢以气泡的形式残留在铝合金焊缝金属中,所以铝合金焊缝中的气孔主要以氢气孔为主。氢气孔也是铝合金焊接工艺中最常见的一种焊接缺陷,按照其数量、大小、分布程度不同危害性也有所不同。对于直径较小、较分散、主要分布在焊缝表面较少量的气孔,由于其对焊缝的强度、韧性指标影响不大,所以大部分产品的焊接标准是允许少量的气孔存在的。对于表面存在数量较多的大直径气孔或气孔较多且分布在焊缝中间以及大面积蜂窝状气孔富集的焊缝,由于它们会造成焊缝的强度、韧性、致密程度的严重下降、甚至发生断裂,所以任何焊接产品标准中都是严格禁止其存在的。


由于母材或焊材以及保护气体中的水分、碳氢化合物是无法完全清除的,所以铝合金焊接过程中氢的产生是无法避免的。我们能做到的是如何减少焊接过程中氢的产生以及如何使产生的氢在焊缝中不残留或少残留。首先,严格保证铝合金母材、焊材的洁净度和干燥度,焊前认真清理焊缝范围的氧化物、碳氢化物,清理完毕后尽快焊接;没用完的焊丝应密封干燥环境保存,下次使用需前再次烘干。严格控制保护气体的成分和水份含量,氩气中的水份含量是铝合金焊接气孔的主要来源之一,为减少保护气体中的水份含量应使用99.99%或以上纯度的氩气,如可能也可在供气回路中增加气体干燥环节。为了降低铝合金焊缝中的气孔倾向,环境湿度也是一个应该考虑的因素。在南方地区的雨季,空气湿度可达90%以上,这种气候下应该停止开放环境中铝合金的焊接,或只能在安装有空气湿度控制装置的室内环境焊接铝合金。


采取合理的焊接工艺也可以减少并抑制铝合金焊缝中气孔的产生。我们知道,TIG方法焊接铝合金时,其他外部条件相同时,气孔产生的程度要远低于MIG焊接方法,原因就在与TIG焊接时由于熔池移动速度慢,液态焊缝的存在时间长、焊缝凝固较慢、溶解氢的溢出有足够的时间,所以焊缝中残留的气孔很少。同样道理,在MIG焊接时采用合理的焊接方法,适当控制热输入,保持适当的熔池存在时间,使焊缝的凝固速度降低或者在多层焊时适当使前层焊道重熔,都可以促进焊缝中气体的溢出,减少气孔的产生。


(2)、焊接裂纹:由于铝合金材料的线胀系数大,热胀冷缩现象明显,焊缝凝固时会产生较大的收缩应力,加之铝合金材料高温结晶状态下金属的强度较低,在焊接应力的作用下很容易开裂,称为结晶裂纹或热裂纹。铝合金焊缝容易产生裂纹的区域有焊缝中心沿长度方向位置、焊缝的收尾段未填满的弧坑中心位置、焊缝引弧段、焊道底部、多层焊层间等位置。


焊接裂纹是可以通过选用合适的焊接材料或者改善焊接工艺的方法来避免的。某些液态金属流动性较好的焊丝抗裂纹能力较差,可以选用添加了抗裂纹倾向元素的焊接材料,例如同样为铝镁合金焊丝ER5556的抗裂纹性能就好于ER6356。在制定焊接工艺时,选择合理的坡口和接头形式、避免采用窄而深坡口和交叉焊缝;施焊时选用合适的焊接规范,使焊缝保持合适的熔池面积和熔池存在时间,避免热输入过小。多层焊时保证层间熔深和母材熔化的宽度,保证合适的焊缝宽度和融合区深度。在焊缝的引弧、收弧端加厚度相当的引弧板和收弧板,将焊缝的引弧段和收弧段至于引弧收弧板上;焊缝的收弧段使用焊机的弧坑填充功能将弧坑填满,可以避免收弧段裂纹。


(3)、MIG焊缝夹渣和渣化:铝合金焊缝的夹渣现象是指焊缝熔敷金属中夹杂有低熔点物质的熔渣或未融化的高熔点物质,这些杂质残留在焊缝中会使焊缝的强度、延展性、致密性下降,如果富集在焊缝中心还可能引起焊缝开裂。焊缝夹渣的原因主要是母材或焊材污染物熔入焊缝造成的,焊前对工件的严格清理,保证焊接材料的洁净度可以避免焊缝夹渣。


焊缝的渣化是铝合金MIG自动焊工艺常见的焊接缺陷,表现为焊缝成性极差或者无法成型,引起焊缝渣化的原因有两种,一种是焊缝失去保护气体或者保护气体成分不纯,当环境风或其他原因引起保护气体缺失时,空气进入焊缝引起熔敷金属高温下强烈氧化、翻腾冷却后成为氧化物渣化焊缝。另一种引起焊缝渣化的原因是焊接规范调节不当,当使用普通直流恒压电源焊接铝合金时,当焊接电流较大、焊接电压较低时,焊丝端部会扎入熔池底部,焊缝表面失去阴极斑点、和阴极破碎作用;来自底部的强烈的电弧力把熔化的液态金属吹向熔池周边,引起熔池金属的溅射和震荡,这种震荡的熔池凝固后形成不规则、表面褶皱不均匀的黑色渣化焊缝;这种熔池震荡大都会伴随着气保护状态的不稳定,空气的进入使熔池震荡加剧,使焊缝成型的渣化现象更加严重。使用合适的焊接方法和合适的焊接规范可以避免焊缝的渣化现象,普通直流恒压电源焊接铝合金时找到合适的焊接规范并不容易,必须多做实验,找到合适的焊接规范后再进行焊接。使用数字化脉冲焊接电源时,只要正确选择焊接条件,焊机会自动调用专家系统保证焊接参数的正确,也可避免产生焊缝渣化。


(4)、熔透不好或焊穿:这一类铝合金焊接的工艺缺陷发生的主要原因焊接工艺安排的不合理。


一般是使用设备不当或者坡口制备不合适引起的。焊接规范太小、钝边过厚、工件温度过低、工件过脏等都会引起熔透不好。反之,则会产生烧穿现象。


与碳钢相比,铝合金材料的焊接对焊接设备和工艺设计是有许多不同要求的,目前我国各行业铝合金材料的应用发展很快,但同时专业焊接技术人员严重不足,许多从事焊接生产的企业并没有专业的焊接工艺技术人员,焊接工件的设计并没有考虑焊接工艺的特点和需要。甚至认为焊接本身就是件粗活,不需要太高的精度,拿过去焊接一般碳钢的要求来焊接铝合金。对于接头形式、焊接位置、坡口形式、钝边厚度、对口间隙等焊接相关因素在设计上考虑不周,加工工艺手段简单、粗糙。大量企业直接使用过去焊接碳钢类材料的直流恒压特性的焊机来进行铝合金MIG焊接,由于这类焊接设备不具有脉冲MIG功能,没有专用的铝合金焊接专家系统,适应铝合金焊接的电流电压范围很窄,所以对于没有经验的操作者来说,其焊接规范的调节十分困难,即使勉强可以使用,也会产生很多焊接缺陷。


在有经验的焊接工艺技术人员的指导下,针对铝合金焊接的特点,合理进行工件的焊接工艺规划和设计、选用适合的焊接方法、材料和设备,做好焊接前期工作。只要工件的焊接位置合理,坡口形状、间隙合适,选定正确的焊接规范参数,铝合金的焊接并不困难。


资料来源:广州大焊机械设备有限公司 http://www.dahanjixie.cn
日期:2013-10-15 人气:922
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