鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點
1 易氧化
鋁和氧的親和力很強。在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續(xù)氧化，對自然防腐有利，但它給焊接帶來了困難，這是由于氧化鋁的熔點(2050℃)遠遠超過了鋁的熔點(600℃左右)，比重約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，會阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣，而且氧化鋁薄膜還吸附了較多的水份，焊接時會促使焊縫生成氣孔。
2 較大的導熱系數(shù)和比熱容
鋁的導熱系數(shù)約為鋼的四倍，因此，焊接鋁材管時，比鋼管焊接要消耗更多的熱量，為得到的焊接接頭，必需采用能量集中，功率大的熱源。
3 易形成氫氣孔
鋁及鋁合金的焊接氣孔主要氫氣孔。鋁在液態(tài)時能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g，前后相差近20倍。鋁的導熱系數(shù)很大，在相同的焊接工藝條件下，其冷卻速度為鋼的4～7倍，使金屬結(jié)晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時析出大量過飽和氣體，氫氣來不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此，在焊接鋁材時，焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向很大。

5A02 飛機油箱與導管，焊絲，鉚釘，船舶結(jié)構(gòu)件。
5A03 中等強度焊接結(jié)構(gòu)，冷沖壓零件，焊接容器，焊絲，可用來代替5A02合金。
5A05 焊接結(jié)構(gòu)件，飛機蒙皮骨架。
5A06 焊接結(jié)構(gòu)，冷模鍛零件，焊拉容器受力零件，飛機蒙皮骨部件。
5A12 焊接結(jié)構(gòu)件，甲板。

鋁合金焊接保護措施
1、焊前用化學+機械的方法清除工件坡口及周圍部分和焊絲表面的氧化物，順序是先化學清洗，后機械打磨；
2、焊接過程中要采用合格的保護氣體進行保護；
3、在氣焊時，采用熔劑，在焊接過程中不斷用焊絲挑破熔池表面的氧化膜。
焊接難點
（1）極易氧化。在空氣中，鋁容易同氧化合，生成致密的三氧化二鋁薄膜（厚度約0．1－0．2μm），熔點高（約2050℃），遠遠超過鋁及鋁合金的熔點（約600℃左右）。氧化鋁的密度3．95－4．10g/cm3，約為鋁的1．4倍，氧化鋁薄膜的表面易吸附水分，焊接時，它阻礙基本金屬的熔合，極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，引起焊縫性能下降。
（2）易產(chǎn)生氣孔。鋁和鋁合金焊接時產(chǎn)生氣孔的主要原因是氫，由于液態(tài)鋁可溶解大量的氫，而固態(tài)鋁幾乎不溶解氫，因此當熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及逸出，容易在焊縫中聚集形成氣孔。氫氣孔難于完全避免，氫的來源很多，有電弧焊氣氛中的氫，鋁板、焊絲表面氧化膜吸附空氣中的水分等。實踐，即使氬氣按GB/T4842標準要求，純度達到99．99% 以上，但當水分含量達到20ppm時，也會出現(xiàn)大量的致密氣孔，當空氣相對濕度超過80%時，如果不采取加熱等措施，焊縫就會明顯出現(xiàn)氣孔。同時，采用小電流慢速焊，加大焊縫冷卻時間，并利用焊絲電弧進行熔池攪動，可以較好的幫助氣體排出熔池。
（3）焊縫變形和形成裂紋傾向大。鋁的線膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率約比鋼大兩倍，易產(chǎn)生較大的焊接變形的內(nèi)應力，對剛性較大的結(jié)構(gòu)將促使熱裂紋的產(chǎn)生。
（4）鋁的導熱系數(shù)大（純鋁0．538卡/Cm．s．℃）。約為鋼的4倍，因此，焊接鋁和鋁合金時，比焊鋼要消耗更多的熱量。
（5）合金元素的蒸發(fā)的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素（如鎂、鋅、錳等），在高溫電弧作用下，極易蒸發(fā)燒損，從而改變焊縫金屬的化學成分，使焊縫性能下降。
（6）高溫強度和塑性低。高溫時鋁的強度和塑性很低，破壞了焊縫金屬的成形，有時還容易造成焊縫金屬塌落和焊穿現(xiàn)象。
（7）無色彩變化。鋁及鋁合金從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時，無明顯的顏色變化，使操作者難以掌握加熱溫度

鋁合金是以鋁為基體元素和加入一種或多種合金元素組成的合金。一般采用交直流方波鎢極氬弧焊和脈沖MIG焊進行焊接，脈沖MIG焊又分為一脈一滴脈沖MIG焊和高速脈沖MIG焊。脈沖MIG焊采用焊絲分為：純鋁焊絲301；鋁硅焊絲4043；鋁鎂焊絲5356；保護氣采用高純度氬氣：99.99%Ar。
鋁合金具有重量輕、抗腐蝕、易成型等優(yōu)點；隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)使得這類材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車、高速艦艇、汽車等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。

由于鋁及其合金化學活潑性很強和自身的屬性，使得在焊接時較困難，對焊縫的質(zhì)量控制要求較高，主要為：
1、鋁及其合金，表面易形成氧化膜：Al2O3或MgO，且多具有難熔性質(zhì)（Al2O3熔點約為2050℃，MgO熔點約為2500℃）。
2、氧化膜(Al2O3或MgO)密度同鋁的密度極其接近，所以也容易成為焊縫金屬的夾雜物。
3、氧化膜（MgO）可以吸收較多的水分而形成焊縫氣孔。
4、鋁及其合金導熱性強，焊接時容易造成不熔合現(xiàn)象。
5、鋁及其合金的線膨脹系數(shù)大約為碳鋼的2倍；導熱性又強，比鋼約大一倍多；凝固時的體積收縮率較大，約為6.5％，而鐵為3.5％。焊接后容易產(chǎn)生變形、熱裂紋以及熱影響區(qū)的軟化、強度降低等問題。
針對以上問題，采用四川瑪瑞焊業(yè)發(fā)展有限公司高速脈沖MIG焊機可以很好的解決以上問題，同時獲得的焊接質(zhì)量。
高速脈沖MIG焊機焊接時電弧過度脈沖頻率為3kHz—5kHz，自動形成壓縮電弧，電弧電流密度大，從而使焊接時：
① 電弧更集中，小電流焊接時可以代替TIG焊
② 穿透力更強，不易造成未熔合
③ 攪拌力更大和更深，不易造成氣孔和夾渣
④ 高速脈沖對Al2O3破除效果好
⑤ 焊接速度更快，熱影響區(qū)小、變形小

另外，還得注意氣孔的形成原因和焊接參數(shù)匹配。焊縫氣孔的出現(xiàn)一般多為氫氣孔。氫氣孔的形成主要為：
1、弧柱氣氛中的水分: 弧柱空間總是或多或少存在一定數(shù)量的水分，尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)進行焊接時，由弧柱氣氛中水分分解而來的氫，溶入過熱的熔融金屬中，可成為焊縫氣孔的原因。
2、焊絲、母材表面氧化膜的吸附水份：鋁合金焊絲、母材的表面氧化膜中含有不致密的MgO或Al2O3，焊接時，在熔透不足的情況下，母材坡口端部未除凈的氧化膜中所吸附的水分，常常是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。
3、保護氣體不純：保護氣體多為氬氣，氬氣中含有水份或雜質(zhì)，焊接時造成焊縫氣孔。
一般說來，鋁及其合金焊接線能量越大，焊縫性能下降的趨勢也越大。對于熔合區(qū)，除了防止晶粒粗化，還可能因晶界液化而產(chǎn)生顯微裂紋。所以，熔合區(qū)的變化主要是惡化塑性。因而焊接工藝參數(shù)應選用既不造成未熔合又不過燒的合理參數(shù)才能確保鋁及其合金的焊接質(zhì)量。

應用舉例：鋁母線的焊接
大中型發(fā)電機組的槽形和管形，小型機組的板狀母線。
1、母線材質(zhì)、焊接材料及設備
母線材質(zhì)：L2工業(yè)純鋁；
焊材：絲301或絲311；
焊接設備：交流氬弧、熔化極氣體保護焊機。
2、對接坡口及接頭墊板
（1）對接坡口及其尺寸
δ≤6mm，不開坡口，間隙2-5mm；
δ=6-20mm，70oV型坡口，間隙5-8mm，鈍邊1-2mm。
（2）坡口根部墊板
1）鋁質(zhì)或鋼質(zhì)；
2）墊板的大小視母線形狀和尺寸而選擇；
3）母線為板狀或槽狀時，選板形墊板；
4）母線為管形時，一般選純鋁墊圈；
5）母線封閉外殼的環(huán)縫對接選用帶弧形槽的鋼墊板。
3、清洗工藝
（1）焊絲清洗：分焊絲整理，堿洗，酸洗，烘干存放幾個步驟。烘好的焊絲要隨即使用，避免再次氧化。
（2）焊件坡口清理
1）化學清洗 ：采用清洗劑進行清洗。
2）機械清洗：先用（、松香或汽油）擦拭表面除油污，然后用細鋼絲刷或刮刀使母材焊接區(qū)刮至有金屬光澤為止。
（3）焊接過程中的清理
清除焊接過程中出現(xiàn)的黑斑、粘合、夾渣（鏟削）。
4、焊接工藝
（1）預熱：一般可采取電阻爐加熱。高一些為好，但不要超過250oC。
（2）工藝要點：TIG焊
1）大規(guī)范參數(shù)：鎢棒直徑3-6mm,焊絲直徑2.4-6mm，焊接電流250-400A，氬氣流量15-20l/min（視噴嘴大小決定）。
2）點焊要求
直線焊縫先點焊兩端，后點焊中部至少三處，每處約60～80mm；
外殼環(huán)焊縫每隔60o點焊一處，每處長約80mm左右；
管形主母線沿圓周均分2-4處點焊，每處長約40-50mm。
3）好用鋁制引弧板引弧和收弧。

容器規(guī)范采用的鋁及鋁合金 要求制造容器的材料具有良好的成形性和焊接性，JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》中采用的鋁及鋁合金有：
產(chǎn)業(yè)純鋁 1A85、1050A、1060和1200。
Al-Cu合金 2014。
Al-Mn合金 3003和3004。
Al-Mg合金 5A02、5A03、5A05、5052、5052、5058和5086。
Al-Mg-Si合金 6A02、6061和6063。
典型牌號鋁及鋁合金化學成分和力學性能，可查閱相關(guān)標準。
鋁及鋁合金的焊接工藝
鋁及鋁合金的焊接特點
(1) 鋁在空氣中及焊接時極易氧化，天生的氧化鋁（Al2O3）熔點高、非常穩(wěn)定，不易往除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易天生夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。焊接前應采用化學或機械方法進行嚴格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過程加強保護，防止其氧化。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，往除氧化膜。氣焊時，采用往除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時，可加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。
（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。鋁的熱導率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為明顯，為了獲得的焊接接頭，應當盡量采用能量集中、功率大的能源，有時也可采用預熱等工藝措施。
（3）鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應力較大，因此，需采取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時輕易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性答應的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5％時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，活動性明顯進步，收縮率下降，熱裂傾向也相應減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，當含硅5％～6％時可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi條(硅含量4．5％～6％)焊絲會有更好的抗裂性。
（4）鋁對光、熱的反射能力較強，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時，沒有明顯的光彩變化，焊接操縱時判定難。高溫鋁強度很低，支撐熔池困難，輕易焊穿。
（5）鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)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?；≈鶜夥罩械乃?、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，對氫的來源要嚴格控制，以防止氣孔的形成。
（6）合金元素易蒸發(fā)、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(qū)的強度下降。
（8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)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。

焊接要求：
1.持證焊工應按焊接工藝文件和其它文件焊接。



2.在焊接環(huán)境出現(xiàn)下列情況之一時，應采取有效防護措施，否則不準施焊：
1) 焊接環(huán)境不清潔，有灰塵、煙霧；
2) 焊接環(huán)境風速大于或等于1.5m/s；
3) 焊接環(huán)境相對濕度大于80%；
4) 下雨、下雪的室外作業(yè)；
5) 焊接溫度低于5℃；



3.鋁材產(chǎn)品焊接設在的場地，場地應鋪設橡膠或絨布；焊接時應遠離通風口和門窗以避免影響氣體保護效果。



4.用手工鎢極氬弧焊焊接鋁材一般都使用交流，以便產(chǎn)生陰極霧化的作用；熔化極氬弧焊則用直流反接。當由于設備所限采用直流焊接時，焊縫表面一般有一層氧化膜甚至是黑灰，這時可用鋼絲刷或抹布擦去。對焊縫表面由于焊劑熔劑殘留物或氧化而形成的白色膜可用鋼絲刷或抹布醮熱水擦去。



5.焊前預熱：由于鋁材導熱性能很強，因此一般手工鎢極氬弧焊焊接大于10mm厚度時，焊前都應預熱，但不超過100℃，焊時層間溫度也不超過100℃?？梢暰唧w情況用火焰或遠紅外線板進行加熱。



6.在焊接過程中焊絲的填入點不應位于電弧正下方，而應位于熔池邊部，距電弧中心線約0.5~1.0mm處，焊絲填入點不得熔池表面或在電弧下橫向擺動，以避免影響母材熔化，破壞氣體保護而使金屬氧化；焊絲回撤時勿使焊絲未端露體保護區(qū)外，以免焊絲未端被氧化后再度送進時隨之帶入熔池。焊接時若鎢極碰到焊縫金屬應立即停止焊接，用金屬磨頭清除污染，并修磨鎢極；無論焊前還是焊接過程中，都應先切除焊絲端部已氧化的部分再焊。



7. 一條焊縫應盡量一次焊完，不得已中途停焊后重新焊接時，應重疊10~20 mm。多層焊縫在進行下一道焊縫前，對前道焊縫進行表面顏色檢查，只允許銀白色；并清除表面污染、夾渣等缺陷?；】討顫M，接弧處應熔合焊透。一般熄弧采用堆高熄弧法：收弧時勻速抬高電弧，同時加速填充焊絲，直至電弧熄滅，使熄弧處焊縫局部凸出，必要時打磨超標的余高。在焊機上有衰減裝置時，此熄弧方法效果更好。



8.A、B類接頭焊縫的余高、余高差及寬度差下表 mm：
焊縫位置
焊縫余高
焊縫余高差
焊縫寬度差

鎢極氬弧焊
熔化極氬弧焊
手工焊、半自動焊
自動焊、機械化焊

平焊
0~3
0~5
0~2
0~3
0~2

除平焊外的其他焊縫位置
0~4
0~5
0~3
0~3
0~2




9.接管與殼體的D類焊縫當殼體厚度≤12mm時，一般應將殼體扳邊對接焊，扳邊高度為25~30mm。



10.C、D類接頭的焊縫厚度t，在圖樣上無其他規(guī)定時，應不小于組成角焊縫兩邊構(gòu)件厚度δ1、δ2較小值的0.7倍，且不應小于3mm，在一般情況下不超過10 mm（按下圖）；在襯里或復合板復合采用蓋板搭接角焊縫時，蓋板厚度構(gòu)成了角焊縫的一側(cè)邊長度L2一般較薄，使得焊腳長度受到側(cè)邊長度的限制，當L2≤4mm時，應要求t≥0.7 L2。



11.C、D類接頭的焊縫與母材應呈圓滑過渡。



12.焊縫和熱影響區(qū)表面應進行檢查，不得有裂紋、未熔合、氣孔、弧坑、夾渣和飛濺物等缺陷，焊縫外不應有打弧點。



13.鋁材壓力容器焊縫表面不應有咬邊。常壓容器焊縫表面的咬邊深度不應大于0.5mm，咬邊連續(xù)長度不應大于100mm，焊縫兩側(cè)咬邊的總長度不應超過該焊縫長度的10%。



14.換熱器換熱管焊接順序：管板組裝（換熱管預留長度應不少于4mm，以便后面的機加工）；管端及管板清理；一端脹管；焊接一面管板；機加工未焊換熱管管端；脹管；管端及管板清理；焊接未焊一面的換熱管。焊接時層一般不加絲焊（層是否進行PT或氣密性檢測按規(guī)定），但其它層應加絲焊。



15.鋁焊接應注意坡口鈍邊較大，一般為2~6mm。對有墊板的接頭，鈍邊可適當減小。當鋁板較薄時，對接焊都應考慮扳邊對接焊，如當≤3mm考慮扳邊和不加絲焊。鋁焊接可采用雙面同時焊，背面加絲或不加絲視具體情況而定。