铝合金焊接技术

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：Al2O3氧化膜熔点高，约为纯铝的3倍，密度约为铝合金的1.4倍，性能稳定，不易去除，焊接过程中氧化膜阻碍焊缝金属之间的结合，造成夹渣；Al2O3薄膜能吸潮，会增加焊缝气孔敏感性。焊缝气孔焊缝气孔是铝及铝合金焊接的又一个重要问题。铝及铝合金焊缝气孔内气体成分分析证实，铝合金焊缝气孔为氢气孔。对于热处理强化铝合金，在焊接热影响区中温度高于时效处理温度的区域，会发生过时效，而导致强度下降。

1.铝合金焊接的主要问题

（1）氧化性铝和氧亲和力大，空气中在材料表面极易生成致密的Al₂O₃氧化膜，厚度约0.1μm。Al₂O₃氧化膜熔点高（2050℃），约为纯铝的3倍，密度约为铝合金的1.4倍，性能稳定，不易去除，焊接过程中氧化膜阻碍焊缝金属之间的结合，造成夹渣；Al₂O₃薄膜能吸潮，会增加焊缝气孔敏感性。

（2）焊接裂纹焊接裂纹严重破坏焊接接头的连续性，产生应力集中，成为焊接结构低应力脆性断裂、疲劳断裂、延时断裂的源。铝热膨胀系数大，是钢的2倍，凝固收缩率约为5%，在拘束条件下焊接热应力较大，是产生焊接裂纹的力学条件；焊缝结晶过程中晶界存在低熔点共晶体，在已凝固的晶粒间形成液膜，是产生焊接结晶裂纹的冶金因素；近熔合线的母材在焊接热循环作用下，晶界低熔点共晶物发生聚簇、熔化，在晶间形成液膜，为焊接热影响区产生液化裂纹提供了冶金条件。铝及铝合金焊接裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和存放裂纹。

1）结晶裂纹：焊缝凝固过程中晶界处于固-液状态的低熔点共晶体在接头拉伸应力作用下被拉开，形成裂纹，断裂面为自由结晶表面，开裂部位在焊缝上，多平行于焊缝。

2）液化裂纹：焊接过程中，邻近熔合线的母材金属中，由于晶界上的低熔点共晶体发生了熔化，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，断裂面为自由结晶表面。

3）应力腐蚀开裂：焊接接头中存在原始的微裂纹源，大气和触腐蚀介质中，在应力及焊接残余应力作用下形成应力腐蚀开裂。

铝合金焊接热裂纹的防止措施如下：

1）选用热裂纹敏感性低的合金材料。

2）调整焊缝合金系或在填充金属中添加变质剂。目的在于：限制焊缝金属中的有害杂质，控制低熔点共晶体的量，并缩小结晶温度区间。而在填充金属中加入Ti、Zr、V和B等微量元素，力图通过细化晶粒来改善铝合金的塑性、韧性，达到防止焊接热裂纹的目的。

3）控制焊接热输入，减少合金元素损失，防止熔池过热而形成方向性强的粗大柱状晶。合理设计焊接接头，避免应力集中，降低接头应力；结构装配时，降低接头刚性拘束度，有利于降低热裂纹倾向，改善抗裂性。而提高焊接速度，则使接头的应变速度增大，因而增加热裂的倾向。

（3）焊缝气孔焊缝气孔是铝及铝合金焊接的又一个重要问题。铝及铝合金化学成分不同，对气孔敏感性不同，但都可能产生焊缝气孔。

1）气孔形成机理。铝及铝合金焊缝气孔内气体成分分析证实，铝合金焊缝气孔为氢气孔。氢在液态铝合金中的溶解度为0.46μL/L，在固态铝合金中的溶解度为0.03μL/L，二者相差约15倍。焊接熔池中液态金属吸收周围的氢，焊缝金属凝固时，超过溶解度的氢析出、长大、聚集，来不及逸出，形成焊缝气孔。有时在熔合线外侧也发现气孔，那可能是由于母材内溶解氢含量较高，焊接过程中母材受热氢发生聚集形成的。

2）焊缝气孔的影响因素如下：

①坡口清理不干净。清理后工件表面产生沟槽或微观凹凸，粗糙，则易吸湿气，增加气孔倾向。

②真空除气。将焊件放在真空加热炉中，在一定真空度下加热到一定温度，保温一定时间，去除焊件中的氢气。加热到200～300℃，能去除表面吸附的湿气，加热到450～550℃，能去除氢氧化物Al（OH）3、LiOH、Mg（OH）2中的氢；加热到650～700℃，能去除溶解在金属中的氢。

③母材溶解氢。母材内部氢含量较高。用于焊接的铝及铝合金内部氢含量应控制在0.33×10^-6（质量分数）以下，对于2219合金内部氢含量应控制在0.16×10^-6（质量分数）以下。

④表面富氢层。铝合金铸锭在空气中热轧成板材时，表面吸收空气中的水分，形成表面富氢层。

⑤塑性变形层吸氢。坡口机械加工过程中在坡口表面上形成塑性变形层，变形层上形成许多细微孔洞，增大对氢的吸收和溶解能力；铝合金在氢氧化钠槽液中进行表面处理时，塑性变形层吸收氢。

⑥氧化膜中的水合物。铝合金经NaOH+HNO₃处理后，表面形成一层质地疏松的氧化膜，厚度仅为100～1000nm，含水量达0.7μg/cm²。据计算，1μg/cm²的水在电弧作用下可形成0.16×10^-6的氢，大大增加熔池内的氢含量。

⑦接触性粘附。铝合金构件进入焊接前经过移动、检测、修饰、擦拭、装夹、定位对中等多道工序，若工艺规程不合理或操作不当，手或工具接触坡口，使坡口受到汗迹、油脂或纤维等碳氢化合物的污染。

⑧焊丝。焊丝清理不干净对焊缝气孔有显著影响；对焊丝内部氢含量的限制和母材相同。

⑨母材中含有大量易挥发的合金元素。

防止焊缝气孔的工艺措施如下：焊接过程中严格控制熔池氢的来源是减少或者消除焊缝气孔的关键。要求不高时，可采用化学处理方法清理工件和焊材，对焊缝质量要求较高时，应选用机械方法处理。焊接时，周围环境的湿度应控制在60%～65%，温度（23±2）℃。选用合适的焊接参数或采用扫描电子束焊或重熔焊缝，有利于熔池中气泡溢出。

（4）热影响区性能下降对于非热处理强化铝合金，在焊接接头附近温度大于再结晶温度的区域，发生再结晶，使得冷作硬化作用消失，致使热影响区软化；焊缝金属是铸造组织，用同质焊丝焊接，焊缝金属强度低于母材。对于热处理强化铝合金，在焊接热影响区中温度高于时效处理温度的区域，会发生过时效，而导致强度下降。焊接热输入越大，性能降低的程度越大。

防止热影响区性能下降的工艺措施有以下几种：

1）焊后热处理：在焊后通过热处理的方法使在焊接过程中减弱或消失的热处理强化效果得到一定恢复。一般采用与母材本身相同的热处理工艺参数。焊后热处理适合于小型焊件，但易造成较大变形。

2）局部补强：指局部增加焊接部位的母材厚度，使接头承载能力达到设计标准，适合于中大型构件。

3）碾压：碾压是指在焊接过程中对焊缝及近缝区实施碾压，改善接头性能。

2.电子束焊工艺

铝合金电子束焊容易产生如下工艺性缺陷：未熔合、未焊透、咬边、焊瘤、飞溅、凹陷等。主要影响因素有接头设计、坡口间隙、焊接参数、电子束与接缝的对中、接头清理不干净。

（1）未熔合指焊缝和母材金属间未完全熔化结合。防止产生未熔合的工艺措施有选用合适的焊接参数；清除坡口氧化膜；电子束与接缝对中；电子束扫描。

（2）未焊透指接缝根部未完全熔化。防止产生未焊透的工艺措施有采用合适接头设计；选用合适的焊接参数（提高电子束功率密度）；电子束与焊缝的对中。

（3）咬边指在焊趾或焊根处形成的沟槽。防止咬边的工艺措施有：避免立向焊或横焊；调整焊接参数（电子束功率、焊接速度、送丝速度）；控制电子束角度和运行速度，取消摆动；用较大直径电子束重熔焊缝。

（4）焊瘤指焊缝金属外溢或焊根赘瘤。防止焊瘤的工艺措施有减少卷边高度；减小送丝速度或者提高焊接速度；控制接头的制备质量，清理杂物；复查焊件材料中含气量；采用散焦束或者电子束扫描重熔焊缝。

（5）凹陷指焊缝表面产生下凹。防止表面凹陷的工艺措施有降低电子束功率；加填充金属或提高送丝速度以形成余高；电子束焊缝重熔。

（6）飞溅指熔化金属溅射至焊缝附近区域防止飞溅的工艺措施有复检材料中的气体和夹杂含量；降低电子束功率或聚焦电流；提高接头加工质量，清理杂物；电子束与接缝对中。

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