本文格式為Word版，下載可任意編輯——鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)活力理鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)活力理

摘要

近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接技術(shù)也在不斷進(jìn)步，大量高效率和高性能的焊接方法得到了推廣。鋁及鋁合金材料密度低，強(qiáng)度高，熱電導(dǎo)率高，耐腐蝕能力強(qiáng)，無(wú)磁性，成形性好及低溫性能好，具有良好的物理特性和力學(xué)性能，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)上。但國(guó)產(chǎn)化的鋁合金和鋁合金焊接材料均與國(guó)外還存在著一定的差距。雖然已經(jīng)應(yīng)用鋁及其合金焊成大量重要產(chǎn)品，但鋁及鋁合金由于具有獨(dú)特的理化性能，因此在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生一系列的困難，主要的問題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強(qiáng)性〞等。本文對(duì)鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋的特征及產(chǎn)活力理進(jìn)行了分析，提出了幾點(diǎn)防范措施。西南石油大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文

點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，σb值分別可達(dá)24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度〞（強(qiáng)度與比重的比值σb/ρ）好過好多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。

1.3鋁合金的焊接特點(diǎn)

（1）強(qiáng)的氧化能力

鋁與氧的親和力很強(qiáng)，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密而厚實(shí)的AL2O3薄膜，厚度約為0．1μm，熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁及鋁合金的熔點(diǎn)，而且密度很大，約為鋁的1．4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易造成夾渣。氧化膜還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。這些缺陷，都會(huì)降低焊接接頭的性能。為了保證焊接質(zhì)量，焊前必需嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再氧化，對(duì)熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效的保護(hù)，這是鋁及鋁合金焊接的一個(gè)重要特點(diǎn)。具體的保護(hù)措施是[4]：1、焊前用機(jī)械或化學(xué)方法清除工件坡口及周邊部分和焊絲表面的氧化物；2、焊接過程中要采用合格的保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)；3、在氣焊時(shí)，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。

（2）鋁的熱導(dǎo)率和比熱大，導(dǎo)熱快

盡管鋁及鋁合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)比鋼低，但是鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容都很大，比鋼大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必需采用能量集中、功率大的熱源，有時(shí)需采用預(yù)熱等工藝措施，才能實(shí)現(xiàn)熔焊過程。

（3）線膨脹系數(shù)大

鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6．5%－6．6%，因此易產(chǎn)生焊接變形。防止變形的有效措施是除了選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序外，采用適合的焊接工裝也是十分重要的，焊接薄板時(shí)特別如此。另外，某些鋁及鋁合金焊接時(shí)，在焊縫金屬中形成結(jié)晶裂紋的傾向性和在熱影響區(qū)形成液化裂紋的傾向性均較大，往往由于過大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋。這是鋁合金，特別是高強(qiáng)鋁合金焊接時(shí)最常見的嚴(yán)重缺陷之一。在實(shí)際焊接現(xiàn)場(chǎng)中防止這類裂紋的措施主要是改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，采用適應(yīng)母材特點(diǎn)的焊接填充材料等。

（4）簡(jiǎn)單形成氣孔

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焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時(shí)極易產(chǎn)生的缺陷，特別是純鋁和防銹鋁的焊接。氫是鋁及鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因，這已為實(shí)踐所證明。氫的來(lái)源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，以焊縫氣孔的產(chǎn)生，往往占有突出的地位。鋁及鋁合金的液體熔池很簡(jiǎn)單吸收氣體，在高溫下溶入的大量氣體，在由液態(tài)凝固時(shí)，溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中來(lái)不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。為了防止氣孔的產(chǎn)生，以獲得良好的焊接接頭，對(duì)氫的來(lái)源要加以嚴(yán)格控制，焊前必需嚴(yán)格限制所使用焊接材料(包括焊絲、焊條、熔劑、保護(hù)氣體)的含水量，使用前要進(jìn)行枯燥處理。清理后的母材及焊絲最好在2－3小時(shí)內(nèi)焊接完畢，最多不超過24小時(shí)。TIG焊時(shí)，選用大的焊接電流協(xié)同較高的焊接速度。MIG焊時(shí)，選用大的焊接電流慢的焊接速度，以提高熔池的存在時(shí)間。Al－Li合金焊接時(shí)，加強(qiáng)正、后面保護(hù)，協(xié)同坡口刮削，清除概況氧化膜，可有效地防止氣孔。

（5）焊接接頭簡(jiǎn)單軟化

焊接可熱處理加強(qiáng)的鋁合金時(shí)，由于焊接熱的影響，焊接接頭中熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)軟化，即強(qiáng)度降低，使基體金屬近縫區(qū)部位的一些力學(xué)性能變壞。對(duì)于冷作硬化的合金也是如此，使接頭性能弱化，并且焊接線能量越大，性能降低的程序也愈嚴(yán)重。針對(duì)此類問題，采取的措施主要是制定符合特定材料焊接的工藝，如限制焊接條件，采取適當(dāng)?shù)暮附禹樞?，控制預(yù)熱溫度和層間溫度，焊后熱處理等。對(duì)于焊后軟化不能恢復(fù)的鋁合金，最好采用退火或在固溶狀態(tài)下焊接，焊后再進(jìn)行熱處理，若不允許進(jìn)行焊后熱處理，則應(yīng)采用能量集中的焊接方法和小線能量焊接，以減小接頭強(qiáng)度降低。

（6）合金元素蒸發(fā)和燒損

某些鋁合金含有低沸點(diǎn)的合金元素，這些元素在高溫下簡(jiǎn)單蒸發(fā)燒損，從而改變了焊縫金屬的化學(xué)成分，降低了焊接接頭的性能。為了彌補(bǔ)這些燒損，在調(diào)整工藝的同時(shí)，往往采用含有這些沸點(diǎn)元素含量比母材高的焊絲或其他焊接材料。

（7）鋁在高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性低

鋁在370℃時(shí)強(qiáng)度僅為10Mpa，焊接時(shí)會(huì)由于不能支撐住液體金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷或燒穿，為了解決這個(gè)問題，焊接鋁及鋁合金時(shí)往往要采用墊板。

（8）焊接接頭的耐腐蝕性能低于母材

熱處理加強(qiáng)鋁合金(如硬鋁)接頭的耐腐蝕性的降低很明顯，接頭組織越不均勻，耐蝕性越易降低。焊縫金屬的純度或致密性也影響接頭耐蝕性能。雜質(zhì)較多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蝕性就會(huì)明顯下降，不僅產(chǎn)生局部表面腐蝕而且經(jīng)常出現(xiàn)晶

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間腐蝕，此外對(duì)于鋁合金，焊接應(yīng)力的存在也是影響耐蝕性的一個(gè)重要因素。為了提高焊接接頭的耐蝕性，主要采取以下幾個(gè)措施[5]：1、改善接頭組織成分的不均勻性。主要是通過焊接材料使焊縫合金化，細(xì)化晶粒并防止缺陷；同時(shí)調(diào)整焊接工藝以減小熱影響區(qū)，并防止過熱，焊后熱處理。2、消除焊接應(yīng)力，如局部表面拉應(yīng)力可以采用局部錘擊方法來(lái)消除。3、采取保護(hù)措施，如采取陽(yáng)極氧化處理或涂層等。

（9）無(wú)色澤變化，給焊接操作帶來(lái)困難

鋁及鋁合金焊接時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，沒有明顯的顏色變化，因此在焊接過程中給操帶來(lái)不少困難。因此，要求焊工把握好焊接時(shí)的加熱溫度，盡量采用平焊，在引(熄)弧板上引(熄)弧等[1]。

1.4鋁合金焊接方法

幾乎各種焊接方法都可以用于焊接鋁及鋁合金，但是鋁及鋁合金對(duì)各種焊接方法的適應(yīng)性不同，各種焊接方法有其各自的應(yīng)用場(chǎng)合。氣焊和焊條電弧焊方法，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便利[8]。氣焊可用于對(duì)焊接質(zhì)量要求不高的鋁薄板及鑄件的補(bǔ)焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補(bǔ)焊。惰性氣體保護(hù)焊（TIG或MIG）方法是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法[10]。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(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊。熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)用越來(lái)越廣泛（氬氣或氬/氦混合氣）[3]。

1.5鋁合金材料焊接的工藝方法

（1）坡口的處理

板厚在3mm以下的對(duì)接焊縫可不開坡口,只需在焊縫后面倒一0.5～1mm的角即可,這樣有利于氣體的排放和避免后面凹槽。鋁合金厚板的坡口角度較鋼板的要大。單邊坡口一般采用55°坡口,雙邊坡口采用每邊35°坡口。這樣可以使焊接的可達(dá)性提高,同時(shí)可降低未熔合缺陷的產(chǎn)生幾率。

對(duì)于厚板T形接頭中的HV或HY接頭,要求填滿坡口外,再加一個(gè)角焊縫,使焊縫總尺寸S不小于板厚T。

（2）焊前清理工作

焊接鋁合金需要最清白的準(zhǔn)備工作,否則其抗腐蝕能力下降,而且簡(jiǎn)單產(chǎn)生氣孔。焊接鋁合金應(yīng)當(dāng)與焊鋼的習(xí)慣完全區(qū)分。焊鋼已經(jīng)用過的工具,嚴(yán)禁焊接鋁合金時(shí)使用。清理焊縫區(qū)域的氧化膜等雜質(zhì),盡可能使用不銹鋼刷或者用丙酮清洗。不能使用

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砂輪打磨,由于使用砂輪打磨只會(huì)使氧化膜熔合在焊材表面,而不會(huì)真正去除。而且假使使用硬質(zhì)砂輪,其中的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入焊縫,導(dǎo)致熱裂紋。此外,由于Al2O3膜在極短的時(shí)間內(nèi)又會(huì)重新生成和堆積,為了使氧化膜盡可能少地影響焊縫,清理完畢后應(yīng)馬上施焊。

采用化學(xué)或機(jī)械方法,嚴(yán)格清理焊縫坡口兩側(cè)的表面氧化膜。

化學(xué)清洗是使用堿或酸清洗工件表面,該法既可去除氧化膜,還可除油污,具體工藝過程如下:體積分?jǐn)?shù)為6%～10%的氫氧化鈉溶液,在70℃左右浸泡0.5min→水洗→體積分?jǐn)?shù)為15%的硝酸在常溫下浸泡1min進(jìn)行中和處理→水洗→溫水洗→枯燥。洗好后的鋁合金表面為無(wú)光澤的銀白色。

機(jī)械清理可采用風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)銑刀,還可采用刮刀、銼刀等工具,對(duì)于較薄的氧化膜也可用0.25mm的銅絲刷打磨清除氧化膜。

清理好后馬上施焊,假使放置時(shí)間超過4h,應(yīng)重新清理。(3)確定裝配間隙及定位焊間距

施焊過程中,鋁板受熱膨脹,致使焊縫坡口間隙減少,焊前裝配間隙假使留得太小,焊接過程中就會(huì)引起兩板的坡口重疊,增加焊后板面不平度和變形量;相反,裝配間隙過大,則施焊困難,并有燒穿的可能。適合的定位焊間距能保證所需的定位焊間隙,因此,選擇適合的裝配間隙及定位焊間距,是減少變形的一項(xiàng)有效措施。

（4）預(yù)熱溫度和層間溫度的控制

對(duì)與板厚超過8mm的厚板進(jìn)行焊接時(shí),都要進(jìn)行焊前預(yù)熱,預(yù)熱溫度控制在80℃～120℃之間,層間溫度控制在60℃～100℃之間。預(yù)熱溫度過高,除作業(yè)環(huán)境惡劣外,還有可能對(duì)鋁合金的合金性能造成影響,出現(xiàn)接頭軟化,焊縫外觀成形不良等現(xiàn)象。層間溫度過高還會(huì)使鋁焊熱裂紋的產(chǎn)活力率增加。

(5)選擇焊接設(shè)備

目前市場(chǎng)上焊接產(chǎn)品種類較多,一般狀況下宜采用交流鎢極氬弧焊(即TIG焊)。它是在氬氣的保護(hù)下,利用鎢電極與工件問產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。該焊機(jī)工作時(shí),由于交流電流的極性是在周期性的變換,在每個(gè)周期里半波為直流正接,半波為直流反接。正接的半波期間鎢極可以發(fā)射足夠的電子而又不致于過熱,有利于電弧的穩(wěn)定。反接的半波期間工件表面生成的氧化膜很簡(jiǎn)單被清理掉而獲得表面光亮美觀、成形良好的焊縫。

(6)選擇焊絲

一般選用301純鋁焊絲及311鋁硅焊絲。

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(7)選取焊接方法和參數(shù)

一般以左焊法進(jìn)行,焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上時(shí),以右焊法進(jìn)行,焊炬和工件成90°角。焊槍角度過大會(huì)造成氣體保護(hù)不充分而產(chǎn)生氣孔;角度過小還有可能使液鋁達(dá)到電弧前端,使電弧不能直接作用于焊縫而產(chǎn)生未熔合。

鋁合金本身的導(dǎo)熱系數(shù)大(約為鋼的4倍),散熱快。因此,在一致焊接速度下,焊接鋁合金時(shí)的熱輸入量要比焊接鋼材時(shí)的熱輸入量大2～4倍。假使熱輸入量不夠,簡(jiǎn)單出現(xiàn)熔深不足甚至未熔合的問題,特別是在焊縫起頭的位置。送絲速度是與電流、電壓等規(guī)范參數(shù)密切相關(guān),并且相互匹配的。當(dāng)焊接電流提高后,送絲速度也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地提高。對(duì)于薄板焊縫,為了避免焊縫過熱,一般采用較小的焊接電流和較快的焊接速度;對(duì)于厚板焊縫,為使焊縫熔合充分和焊縫氣體充分逸出,采用較大的焊接電流和較慢的焊接速度。

焊接壁厚在3mm以上時(shí),開V形坡口,夾角為60°～70°,間隙不得大于1mm,以多層焊完成。壁厚在1.5mm以下時(shí),不開坡口,不留間隙,不加填充絲。焊固定管子對(duì)接接頭時(shí),當(dāng)管徑為200mm,壁厚為6mm時(shí),應(yīng)采用直徑為3～4mm的鎢極,以220～240A的焊接電流,直徑為4mm的填充焊絲,以1～2層焊完。

(8)鋁合金焊接保護(hù)措施[2]

1、焊前用機(jī)械或化學(xué)方法清除工件坡口及周邊部分和焊絲表面的氧化物；○

2、焊接過程中要采用合格的保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)；○

3、在氣焊時(shí)，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。○

(9)焊后清理工作的要求

1、在熱水中用硬毛刷細(xì)心地洗刷焊接接頭?！?/p>

2、將焊件在溫度為60～80℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%的