氧气瓶铝阀和钻接头及铝制焊枪能用

铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光- 电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。

关键词: 铝合金 搅拌摩擦焊 激光焊 激光- 电弧复合焊 电子束焊

1 铝合金焊接的特点

铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。

铝合金焊接有几大难点:

①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍

②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060 ℃) ,这就需要采用大功率密度的焊接工艺

③铝合金焊接容易产生气孔

④铝合金焊接易产生热裂纹

⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形

⑥铝合金热导率大(约为钢的4 倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4 倍。

因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

2 铝合金的先进焊接工艺

针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

2. 1 铝合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ] 。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ] 。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ] 。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。

搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:

①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊

②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板

③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除

④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快

⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

2.2 铝合金的激光焊接

铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点:

①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大

②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好

③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本

④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线

⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接

⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。

现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。

在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5 ] 。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度。

铝合金材料,强度高和质量轻量。主要焊接工艺为手工MIG焊和自动MIG焊,其母材、焊丝、保护气体、焊接设备。

铝合金是以铝为基体元素和加入一种或多种合金元素组成的合金。由于钨极氩弧焊焊枪热能比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性较高，接头质量较优，所以是焊接铝合金最常用的方法。另外我们在焊接铝合金时，还需要注意以下六个要点：

（一）热导率高

铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低合金钢的2倍多。铝的热导率是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊枪焊接过程中，大量的热量被迅速传导到基体金属内部，熔池形成困难。因此应当采用能量集中、功率大的能源，根据结构尺寸、环境温度等条件，也可预热；

（二）无色泽变化

铝合金焊接熔池金属由固态变成液态时，没有明显的色泽变化，这和钢在临熔化前呈现红色不一样，会给焊枪操作带来不便。不能准确判断坡口母材在什么时候开始熔化，熔融的铝表面张力小、强度低、流动性好，从而易造成焊缝金属的塌陷或烧穿。因此，要求铝焊接操作者有更熟练的操作技能，善于利用熔池表面的微小变化来判断铝的加热温度；

（三）氧化能力强

铝和氧的亲和力很强，铝在空气中极易与氧化合而生成致密结实的薄膜，其熔点高达2050℃远远超过铝和铝合金的熔点。并且氧化铝薄膜的相对密度较大，约为铝的1.4倍。在使用焊枪进行焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，易造成夹渣。氧化铝薄膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再次氧化；

（四）热裂倾向大

铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的2倍。铝凝固时的体积收缩率较大，达6.5％，而铁为3.5％。熔融铝合金高温时强度低，如果工艺措施不当，焊缝及近缝区在冷却过程中还会产生很大的焊接应力、拘束应力及热应力。因而，铝焊接熔池凝固时容易产生缩孑L、缩松、热裂纹及较高的内应力；

（五）易蒸发烧损

铝合金中含有低沸点的元素，如镁、锌、锰等，在高温电弧作用下，极易蒸发烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降；

（六）气孔敏感性高

铝合金液体熔池很容易吸收氢等气体，高温下溶入的大量气体在焊枪焊后冷却凝固过程中来不及析出，聚集在焊缝中会形成气孔。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，焊接前对母材坡口与焊丝进行清理是很有必要的。

焊丝的选用

1 )　焊丝的选用

对于6005A、6082、5083 母材来说,选择的焊丝牌号为5087/ AlMg4. 5MnZr ,5087 焊丝不仅抗裂性能好,抗气孔性能优越,而且强度性能也很好。对于焊丝规格的选择,优先选择大直径规格的焊丝。同样的焊接填充量即同等重量的焊丝,大规格焊丝较小规格焊丝的表面积要小很多,因此,大规格焊丝较小规格焊丝的表面污染要少即氧化区域要小,焊接质量更容易达到要求。另外大直径焊丝的送丝过程更容易操作。对于8 mm 以下板厚的母材一般采用1. 2 mm直径的焊丝,对于8 mm 及以上板厚的母材采用1. 6 mm 直径的焊丝。自动焊机采用1. 6 mm直径的焊丝。

2 )　保护气体的选用

Ar100 %的特点是电弧稳定、引弧方便,对于8mm以下板厚的母材一般采用Ar100 %进行焊接。对于8 mm 及以上板厚的母材和气孔要求高的焊缝,采用Ar70 % + He30 %进行焊接。氦气的特点在于:9 倍于氩气的导热性,焊接速度更快,气孔率减少,熔深增加。厚板焊接时,Ar100 %和Ar70 % +He30 %的熔深状况见图1。气体的流量选择不是越大越好,流量过大会造成紊流,导致熔池保护不充分,空气与熔敷金属发生反应,会改变焊缝组织,使性能下降,而且产生焊接气孔的倾向增加。

焊前准备

1 )　坡口的处理

板厚在3 mm 以下的对接焊缝可不开坡口,只需在焊缝背面倒一0. 5～1 mm 的角即可,这样有利于气体的排放和避免背面凹槽。背面是否倒角对焊缝的影响。铝合金厚板的坡口角度较钢板的要大。单边坡口一般采用55°坡口,双边坡口采用每边35°坡口。这样可以使焊接的可达性提高,同时可降低未熔合缺陷的产生几率。

对于厚板T 形接头中的HV 或HY接头,要求填满坡口外,再加一个角焊缝,使焊缝总尺寸S 不小于板厚T。厚板T 形接头焊接要求。

2) 　焊前清理工作

焊接铝合金需要最干净的准备工作,否则其抗腐蚀能力下降,而且容易产生气孔。焊接铝合金应该与焊钢的习惯彻底区分。焊钢已经用过的工具,严禁焊接铝合金时使用。清理焊缝区域的氧化膜等杂质,尽可能使用不锈钢刷或者用丙酮清洗。不能使用砂轮打磨,因为使用砂轮打磨只会使氧化膜熔合在焊材表面,而不会真正去除。而且如果使用硬质砂轮,其中的杂质

会进入焊缝,导致热裂纹。此外,由于Al2O3 膜在极短的时间内又会重新生成和堆积,为了使氧化膜尽可能少地影响焊缝,清理完毕后应立即施焊。

3) 　预热温度和层间温度的控制

对与板厚超过8 mm 的厚板进行焊接时,都要进行焊前预热,预热温度控制在80 ℃～120 ℃之间,层间温度控制在60 ℃～100 ℃之间。预热温度过高,除作业环境恶劣外,还有可能对铝合金的合金性能造成影响,出现接头软化,焊缝外观成形不良等现象。层间温度过高还会使铝焊热裂纹的产生机率增加。

合理选择规范参数

1 )　焊接电流较大

铝合金本身的导热系数大(约为钢的4 倍) ,散热快。因此,在相同焊接速度下,焊接铝合金时的热输入量要比焊接钢材时的热输入量大2～4 倍。如果热输入量不够,容易出现熔深不足甚至未熔合的问题,特别是在焊缝起头的位置。

2) 送丝速度要适当调高

送丝速度是与电流、电压等规范参数密切相关,并且相互匹配的。当焊接电流提高后,送丝速度也应该相应地提高。

3) 焊接速度的选择

对于薄板焊缝,为了避免焊缝过热,一般采用较小的焊接电流和较快的焊接速度对于厚板焊缝,为使焊缝熔合充分和焊缝气体充分逸出,采用较大的焊接电流和较慢的焊接速度。

4 )　焊枪角度的选择

在焊接方向上,焊枪角度一般控制在90°左右,过大和过小都会造成焊接缺陷。焊枪角度过大会造成气体保护不充分而产生气孔角度过小还有可能使液铝达到电弧前端,使电弧不能直接作用于焊缝而产生未熔合。

保护措施

1) 焊前用机械或化学方法清除工件坡口及周围部分和焊丝表面的氧化物；

2) 焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护；

3) 在气焊时，采用熔剂，在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜。

焊后清理

1) 在热水中用硬毛刷仔细地洗刷焊接接头。

2) 将焊件在温度为60～80℃、质量分数为2%～3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗约5～10min，并用硬毛刷仔细洗刷。或者将焊件放于15～20℃质量分数为10%的硝酸溶液中浸洗10～20min。

3) 在热水中冲刷洗涤焊件。

4) 将焊件用热空气吹干或在100℃干燥箱内烘干。

氧－乙炔气焊的热效率低，焊接热输入不集中，焊接铝及铝合金时需采用熔剂，焊后又需清除残渣，接头质量及性能也不高。因为气焊设备简单，无需电源，操作方便灵活，常用于焊接对质量要求不高的铝合金构件，如厚度较薄的薄板及小零件，以及补焊铝合金构件和铝铸件。

（1）气焊的接头形式

气焊铝合金时，不宜采用搭接接头和T形接头，这种接头难以清理流入缝隙中的残留熔剂和焊渣，应尽可能采用对接接头。为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿，可以采用带槽的垫板，垫板一般用不锈钢或纯铜等制成，带垫板焊接可获得良好的反面成形，提高焊接生产率。

（2）气焊熔剂的选用

铝合金气焊时，为了使焊接过程顺利进行，保证焊缝质量，气焊时需要加熔剂来去除铝表面的氧化膜及其他杂质。

气焊熔剂（又称气剂）是气焊时的助熔剂，主要作用是去除气焊过程中生成在铝表面的氧化膜，改善母材的润湿性能，促使获得致密的焊缝组织等。气焊铝合金必须采用熔剂，一般是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊丝上加入熔池内。

铝合金熔剂是钾、钠、钙、锂等元素的氯人盐，是粉碎后过筛并按一定比例配制的粉状化合物。例如铝冰晶石（Na3AlF6）在1000℃进可以熔解氧化铝，又如氯化钾等可使难熔的氧化铝转变为易熔的氯化铝。这种熔剂的熔点低，流动性好，还能改善熔化金属的流动性，使焊缝成形良好。

（3）焊嘴和火焰的选择

铝合金有强烈的氧化性和吸气性。气焊时，为使铝不被氧化，应采用中性焰或微弱碳化焰（乙炔既过剩的碳化焰），使铝熔池置于还原性气氛的保护下而不被氧化。严禁采用氧化焰，因为用氧化性较强的氧化焰会使铝强烈氧化，阻碍焊接过程进行；而乙炔过多，游离的氢可能溶入熔池，会促使缝产生气孔，使焊缝疏松。

（4）定位焊缝

为防止焊件在焊接中产生尺寸和相对位置的变化，焊件焊前需要点固焊。由于铝的线膨胀系数大、导热速度快、气焊加热面积大，因此，定位焊缝较钢件应密一些。

定位焊用的填充焊丝与产品焊接时相同，定位焊接前应在焊缝间隙内涂一层气剂。定位焊的火焰功率比气焊时稍大。

（5）气焊操作

焊接钢铁材料时，可以从钢材的颜色变化判断加热的温度。但焊铝时，却没有这个方便条件。因为铝合金从室温加热到熔化的过程中没有颜色的明显变化，给操作者带来控制焊接温度困难。但可根据以下现象掌握施焊时机：

1）当被加热的工件表面由光亮白色变成暗淡的银白色，表面氧化膜起皱，加热处金属有波动现象时，表明即将达到熔化温度，可以施焊；

2）用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处，焊丝与母材能熔合时，即达到熔化温度，可以施焊；

3）母材边棱有倒下现象时，母材达到熔化温度，可以施焊。

气焊薄板可采用左焊法，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因火焰指向未焊的冷金属，热量散失一部分，有利于防止熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，热量损失小，熔深大，加热效率高。

气焊厚度小于3㎜的薄件时，焊炬倾角为20～40°；气焊厚件时，焊炬倾角为40～80°，焊丝与焊炬夹角为80～100°。铝合金气焊应尽量将接头一次焊成，不堆敷第二层，因为堆敷第二层时会造成焊缝夹渣等。