鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊。 熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊應用越來越廣泛(氬氣或氬/氦混合氣) 焊前準備 1、焊前清理:鋁及鋁合金焊接時,焊前應嚴格清除工件焊口及焊絲表面的氧化膜和油污; 2、化學清洗化學清洗效率高,質量穩定,適用于清理焊絲及尺寸不大、成批生產的工件。可用浸洗法和擦洗法兩種。可用丙酮、汽油、煤油等有機溶劑表面去油,用40℃~70℃的5%~10%NaOH溶液堿洗3 min~7 min(純鋁時間稍長但不超過20 min),流動清水沖洗,接著用室溫至60℃的30%HNO3溶液酸洗1 min~3 min,流動清水沖洗,風干或低溫干燥。 3、機械清理:在工件尺寸較大、生產周期較長、多層焊或化學清洗后又沾污時,常采用機械清理。先用丙酮、汽油等有機溶劑擦試表面以除油,隨后直接用直徑為0.15 mm~0.2 mm的銅絲刷或不銹鋼絲刷子刷,刷到露出金屬光澤為止。一般不宜用砂輪或普通砂紙打磨,以免砂粒留在金屬表面,焊接時進入熔池產生夾渣等缺陷。另外也可用刮刀、銼刀等清理待焊表面。 清理后如存放時間過長(如超過24 h)應當重新處理。 4、墊板:鋁合金在高溫時強度很低,液態鋁的流動性能好,在焊接時焊縫金屬容易產生下塌現象。為了保證焊透而又不致塌陷,焊接時常采用墊板來托住熔池及附近金屬。墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個圓弧形槽,以保證焊縫反面成型。也可以不加墊板單面焊雙面成型,但要求焊接操作熟練或采取對電弧施焊能量嚴格自動反饋控制等先進工藝措施。 5、焊前預熱:薄、小鋁件一般不用預熱,厚度10 mm~15 mm時可進行焊前預熱,根據不同類型的鋁合金預熱溫度可為100℃~200℃,可用氧一乙炔焰、電爐或噴燈等加熱。預熱可使焊件減小變形、減少氣孔等缺陷。焊后處理 6、焊后清理焊后留在焊縫及附近的殘存焊劑和焊渣等會破壞鋁表面的鈍化膜,有時還會腐蝕鋁件,應清理干凈。形狀簡單、要求一般的工件可以用熱水沖刷或蒸氣吹刷等簡單方法清理。要求高而形狀復雜的鋁件,在熱水中用硬毛刷刷洗后,再在60℃~80℃左右、濃度為2%~3%的鉻酐水溶液或重鉻酸鉀溶液中浸洗5 min~10 min,并用硬毛刷洗刷,然后在熱水中沖刷洗滌,用烘箱烘干,或用熱空氣吹干,也可自然干燥。 7、焊后熱處理鋁容器一般焊后不要求熱處理。
2 鋁合金的先進焊接工藝
2. 1 鋁合金的攪拌摩擦焊接 攪拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英國焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固態塑性連接工藝。攪拌摩擦焊接工作原理是用一種特殊形式的攪拌頭插入工件待焊部位,通過攪拌頭高速旋轉與工件間的攪拌摩擦,摩擦產生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態,并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動,從而使焊件壓焊在一起。由于攪拌摩擦焊過程中不存在金屬的熔化,是一種固態連接過程,故焊接時不存在熔焊的各種缺陷,可以焊接用熔焊方法難以焊接的有色金屬材料,如鋁及高強鋁合金、銅合金、鈦合金以及異種材料、復合材料焊接等。目前攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應用較多。已經成功地進行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括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。國外已經。進入工業化生產階段,在挪威已經應用此技術焊接快艇上長為20 m 的結構件,美國洛克希德·馬丁航空航天公司用該項技術焊接了鋁合金儲存液氧的低溫容器火箭結構件。 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫是經過塑性變形和動態再結晶而形成,焊縫區晶粒細化,無熔焊的樹枝晶,組織細密,熱影響區較熔化焊時窄,無合金元素燒損、裂紋和氣孔等缺陷,綜合性能良好。與傳統熔焊方法相比,它無飛濺、煙塵,不需要添加焊絲和保護氣體,接頭性能良好。由于是固相焊接工藝,加熱溫度低,焊接熱影響區顯微組織變化小,如亞穩定相基本保持不變,這對于熱處理強化鋁合金及沉淀強化鋁合金非常有利。焊后的殘余應力和變形非常小,對于薄板鋁合金焊后基本不變形。與普通摩擦焊相比,它可不受軸類零件的限制,可焊接直焊縫、角焊縫。傳統焊接工藝焊接鋁合金要求對表面進行去除氧化膜,并在48 h 內進行加工,而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可,并對裝配要求不高。并且攪拌摩擦焊比熔化焊節省能源、污染小。 攪拌摩擦焊鋁合金也存在一定的缺點: ①鋁合金攪拌摩擦焊接時速度低于熔化焊; ②焊件夾持要求高,焊接過程中對焊件要求加一定的壓力,反面要求有墊板;③焊后端頭形成一個攪拌頭殘留的孔洞,一般需要補焊上或機械切除; ④攪拌頭適應性差,不同厚度鋁合金板材要求不同結構的攪拌頭,且攪拌頭磨損快; ⑤工藝還不成熟,目前限于結構簡單的構件,如平直的結構、圓形結構。攪拌摩擦焊工藝參數簡單,主要有攪拌頭的旋轉速度、攪拌頭的移動速度、對焊件的壓力及攪拌頭的尺寸等。 2.2 鋁合金的激光焊接 鋁及鋁合金激光焊接技術(Laser Welding) 是近十幾年來發展起來的一項新技術,與傳統焊接工藝相比,它具有功能強、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區小、焊接變形小、速度高、易于工業自動化等優點,特別對熱處理鋁合金有較大的應用優勢。可提高加工速度并極大地降低熱輸入,從而可提高生產效率,改善焊接質量。在焊接高強度大厚度鋁合金時,傳統的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時形成大深度的匙孔,發生匙孔效應,則可以得到實現
如鎢極氬弧焊(TIG)或熔化極氬弧焊(MIG)。其次確定焊接材料,焊絲一般采用與母材成分相同的焊絲。最后,還要確定是否采用預熱等工藝措施,鋁合金焊.
焊接工藝:1、鋁在空氣中及焊接時極易氧化,生成的氧化鋁(Al2O3)熔點高、非常穩定,不易去除。2、鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。3、鋁及鋁合金的線膨脹系數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。4、鋁對光、熱的反射能力較強,固、液轉態時,沒有明顯的色澤變化,焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低,支撐熔池困難,容易焊穿。 5、鋁及鋁合金在液態能溶解大量的氫,固態幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中,氫來不及溢出,極易形成氫氣孔。6、合金元素易蒸發、燒損,使焊縫性能下降。 7、母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時,焊接熱會使熱影響區的強度下降。 8、鋁為面心立方晶格,沒有同素異構體,加熱與冷卻過程中沒有相變,焊縫晶粒易粗大,不能通過相變來細化晶粒。
焊接方法:氣焊可用于對焊接質量要求不高的鋁薄板及鑄件的補焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補焊。惰性氣體保護焊(TIG或MIG)方法是應用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊。