鋁合金焊接工藝
1 鋁合金的氣焊
氧－乙炔氣焊的熱效率低，焊接熱輸入不集中，焊接鋁及鋁合金時(shí)需采用熔劑，焊后又需清除殘?jiān)宇^質(zhì)量及性能也不高。因?yàn)闅夂冈O(shè)備簡(jiǎn)單，無需電源，操作方便靈活，常用于焊接對(duì)質(zhì)量要求不高的鋁合金構(gòu)件，如厚度較薄的薄板及小零件，以及補(bǔ)焊鋁合金構(gòu)件和鋁鑄件。
（1）氣焊的接頭形式
氣焊鋁合金時(shí)，不宜采用搭接接頭和T形接頭，這種接頭難以清理流入縫隙中的殘留熔劑和焊渣，應(yīng)盡可能采用對(duì)接接頭。為保證焊件焊接時(shí)既焊透又不塌陷和燒穿，可以采用帶槽的墊板，墊板一般用不銹鋼或純銅等制成，帶墊板焊接可獲得良好的反面成形，提高焊接生產(chǎn)率。
（2）氣焊熔劑的選用
鋁合金氣焊時(shí)，為了使焊接過程順利進(jìn)行，保證焊縫質(zhì)量，氣焊時(shí)需要加熔劑來去除鋁表面的氧化膜及其他雜質(zhì)。
氣焊熔劑（又稱氣劑）是氣焊時(shí)的助熔劑，主要作用是去除氣焊過程中生成在鋁表面的氧化膜，改善母材的潤(rùn)濕性能，促使獲得致密的焊縫組織等。氣焊鋁合金必須采用熔劑，一般是在焊前熔劑直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊絲上加入熔池內(nèi)。
鋁合金熔劑是鉀、鈉、鈣、鋰等元素的氯人鹽，是粉碎后過篩并按一定比例配制的粉狀化合物。例如鋁冰晶石（Na3AlF6）在1000℃進(jìn)可以熔解氧化鋁，又如氯化鉀等可使難熔的氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹鄣穆然X。這種熔劑的熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，還能改善熔化金屬的流動(dòng)性，使焊縫成形良好。
（3）焊嘴和火焰的選擇
鋁合金有強(qiáng)烈的氧化性和吸氣性。氣焊時(shí)，為使鋁不被氧化，應(yīng)采用中性焰或微弱碳化焰（乙炔既過剩的碳化焰），使鋁熔池置于還原性氣氛的保護(hù)下而不被氧化。嚴(yán)禁采用氧化焰，因?yàn)橛醚趸暂^強(qiáng)的氧化焰會(huì)使鋁強(qiáng)烈氧化，阻礙焊接過程進(jìn)行；而乙炔過多，游離的氫可能溶入熔池，會(huì)促使縫產(chǎn)生氣孔，使焊縫疏松。
（4）定位焊縫
為防止焊件在焊接中產(chǎn)生尺寸和相對(duì)位置的變化，焊件焊前需要點(diǎn)固焊。由于鋁的線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱速度快、氣焊加熱面積大，因此，定位焊縫較鋼件應(yīng)密一些。
定位焊用的填充焊絲與產(chǎn)品焊接時(shí)相同，定位焊接前應(yīng)在焊縫間隙內(nèi)涂一層氣劑。定位焊的火焰功率比氣焊時(shí)稍大。
（5）氣焊操作
焊接鋼鐵材料時(shí)，可以從鋼材的顏色變化判斷加熱的溫度。但焊鋁時(shí)，卻沒有這個(gè)方便條件。因?yàn)殇X合金從室溫加熱到熔化的過程中沒有顏色的明顯變化，給操作者帶來控制焊接溫度困難。但可根據(jù)以下現(xiàn)象掌握施焊時(shí)機(jī)：
1）當(dāng)被加熱的工件表面由光亮白色變成暗淡的銀白色，表面氧化膜起皺，加熱處金屬有波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，表明即將達(dá)到熔化溫度，可以施焊；
2）用蘸有熔劑的焊絲端頭及被加熱處，焊絲與母材能熔合時(shí)，即達(dá)到熔化溫度，可以施焊；
3）母材邊棱有倒下現(xiàn)象時(shí)，母材達(dá)到熔化溫度，可以施焊。
氣焊薄板可采用左焊法，焊絲位于焊接火焰之前，這種焊法因火焰指向未焊的冷金屬，熱量散失一部分，有利于防止熔池過熱、熱影響區(qū)金屬晶粒長(zhǎng)大和燒穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊絲在焊炬后面，火焰指向焊縫，熱量損失小，熔深大，加熱效率高。
氣焊厚度小于3㎜的薄件時(shí)，焊炬傾角為20～40°；氣焊厚件時(shí)，焊炬傾角為40～80°，焊絲與焊炬夾角為80～100°。鋁合金氣焊應(yīng)盡量將接頭一次焊成，不堆敷第二層，因?yàn)槎逊蟮诙䦟訒r(shí)會(huì)造成焊縫夾渣等。
（6）焊后處理
氣焊焊縫表面的殘留焊劑和熔渣對(duì)鋁接頭的腐蝕，是鋁接頭日后使用中引起損壞的原因之一。在氣焊后1～6h之內(nèi)，應(yīng)將殘留的熔劑、熔渣清洗掉，以防引起焊件腐蝕。焊后清理工序如下。
1）焊后將焊件放入40～50℃的熱水槽中浸漬，用流動(dòng)的熱水，用硬毛刷刷焊縫及焊縫附近殘留熔劑、熔渣的地方，直至清除干凈。
2）將焊件浸入硝酸溶液中。當(dāng)室溫為25°以上時(shí)，溶液濃度15%～25%，浸漬時(shí)間為10～15min。室溫為10～15℃時(shí)，溶液濃度20%～25%，浸漬時(shí)間為15min。
3）將焊件置于流動(dòng)熱水（溫度為40～50℃）的槽中浸漬5～10min。
4）用冷水將焊件沖洗5min。
5）將焊件自然晾干，也可放在干燥箱中烘干或用熱空氣吹干。
2 鋁合金的鎢極氬弧焊（TIG焊）
也稱為鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊，是利用鎢極與工件之間形成電弧產(chǎn)生的大量熱量熔化待焊處，外加填充焊絲獲得牢固的焊接接頭。氬弧焊焊鋁是利用其“陰極霧化”的特點(diǎn)，自行去除氧化膜。鎢極及縫區(qū)域由噴嘴中噴出的惰性氣體屏蔽保護(hù)，防止焊縫區(qū)和周圍空氣的反應(yīng)。
TIG焊工藝最適于焊接厚度小于3㎜的薄板，工件變形明顯小于氣焊和手弧焊。交流TIG焊陰有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔劑，避免了焊后殘留熔劑、熔渣對(duì)接頭的腐蝕。接頭形式可以不受限制，焊縫成形良好、表面光亮。
氬氣流對(duì)焊接區(qū)的沖刷使接頭冷卻加快，改善了接頭的組織和性能，適于全位置焊接。由于不用熔劑，焊前清理的要求比其他焊接方法嚴(yán)格。
焊接鋁合金較適宜的工藝方法是交流TIG焊和交流脈沖TIG焊，其次是直流反接TIG焊。通常，用交流焊接鋁合金時(shí)可在載流能力、電弧可控性以及電弧清理作用等方面實(shí)現(xiàn)配合，故大多數(shù)鋁合金的TIG焊都采用交流電源。
采用直流正接（電極接負(fù)極）時(shí)，熱量產(chǎn)生于工件表面，形成深熔透，對(duì)一定尺寸的電極可采用更大的焊接電流。即使是厚截面也不需預(yù)熱，且母材幾乎不發(fā)生變形。雖然很少采用直流反接（電極接正極）TIG焊方法來焊接鋁，但這種方法在連續(xù)焊或補(bǔ)焊薄壁熱交換器、管道厚在2.4㎜以下的類似組件時(shí)有熔深淺、電弧容易控制、電弧有良好的凈化作用等優(yōu)點(diǎn)。
（1）鎢極
鎢的熔點(diǎn)是3410℃，是熔點(diǎn)最高的金屬。鎢在高溫時(shí)有強(qiáng)烈的電子發(fā)射能力，在鎢電極加入微量稀土元素釷、鈰、鋯等的氧化物后，電子逸出功顯著降低，載流能力明顯提高。鋁合金TIG焊時(shí)，鎢極作為電極主要起傳導(dǎo)電流、引燃電弧和維持電弧正常燃燒的作用。常用鎢極材料分純鎢、釷鎢及鈰鎢等。
（2）焊接工藝參數(shù)
為了獲得優(yōu)良的焊縫成形及焊接質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)焊件的技術(shù)要求，合理地選定焊接工藝參數(shù)。鋁合金手工TIG焊的主要工藝參數(shù)有電流種類、極性和電流大小、保護(hù)氣體流量、鎢極伸出長(zhǎng)度、噴嘴至工件的距離等。自動(dòng)TIG焊的工藝參數(shù)還包括電弧電壓（弧長(zhǎng)）、焊接速度及送絲速度等。
工藝參數(shù)是根據(jù)被焊材料和厚度，先確定鎢極直徑與形狀、焊絲直徑、保護(hù)氣體及流量、噴嘴孔徑、焊接電流、電弧電壓和焊接速度，再根據(jù)實(shí)際焊接效果調(diào)整有關(guān)參數(shù)，直至符合使用要求為止。
鋁合金TIG焊工藝參數(shù)的選用要點(diǎn)如下。
1）噴嘴孔徑與保護(hù)氣體流量
鋁合金TIG的噴嘴孔徑為5～22㎜；保護(hù)氣體流量一般為5～15L/min。
2）鎢極伸出長(zhǎng)度及噴嘴至工件的距離
鎢極伸出長(zhǎng)度：對(duì)接焊縫時(shí)一般為5～6㎜，角焊縫時(shí)一般為7～8㎜。噴嘴至工件的距離一般取10㎜左右為宜。
3）焊接電流與焊接電壓 與板厚、接頭形式、焊接位置及焊工技術(shù)水平有關(guān)。
手工TIG焊時(shí)，采用交流電源，焊接厚度小于6㎜鋁合金時(shí)，焊接電流可根據(jù)電極直徑d按公式I=（60～65）d確定。電弧電壓主要由弧長(zhǎng)決定，通常使弧長(zhǎng)近似等于鎢極直徑比較合理。
4）焊接速度
鋁合金TIG焊時(shí)，為了減小變形，應(yīng)采用較快的焊接速度。手工TIG焊一般是焊工根據(jù)熔池大小、熔池形狀和兩側(cè)熔合情況隨時(shí)調(diào)整焊接速度，一般的焊接速度為8～12m/h;自動(dòng)TIG焊時(shí)，工藝參數(shù)設(shè)定之后，在焊接過程中焊接速度一般不變。
5）焊絲直徑
一般由板厚和焊接電流確定，焊絲直徑與兩者之間呈正比關(guān)系。
1）氣孔產(chǎn)生原因
氬氣純度低或氬氣管路內(nèi)有水分、漏氣等；焊絲或母材坡口附近焊前未清理干凈或清理后又被污物、水分等沾污；焊接電流和焊速過大或過小；熔池保護(hù)欠佳，電弧不穩(wěn)，電弧過長(zhǎng)，鎢極伸出過長(zhǎng)等。
防止措施
保證氬氣的管路，選擇認(rèn)真清理焊絲、焊件，清理后及時(shí)焊接，并防止再次污染。更新送氣管路，選擇合適的氣體流量，調(diào)整好鎢極伸出長(zhǎng)度；正確選擇焊接工藝參數(shù)。必要時(shí)，可以采取預(yù)熱工藝，焊接現(xiàn)場(chǎng)裝擋風(fēng)裝置，防止現(xiàn)場(chǎng)有風(fēng)流動(dòng)。
2）裂紋產(chǎn)生原因
焊絲合金成分選擇不當(dāng)；當(dāng)焊縫中的鎂含量小于3%，或鐵、硅雜質(zhì)含量超出規(guī)定時(shí)，裂紋傾向增大；焊絲的熔化溫度偏高時(shí)，會(huì)引起熱影響區(qū)液化裂紋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，焊縫過于集中或受熱區(qū)溫度過高，造成接頭拘束應(yīng)力過大；高濁停留時(shí)間長(zhǎng)，組織過熱；弧坑沒填滿，出現(xiàn)弧坑裂紋等。
防止措施
所選焊絲的成分與母材要匹配；加入引弧板或采用電流衰減裝置填滿弧坑；正確設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，合理布置焊縫，使焊縫盡量避開應(yīng)力集中處，選擇合適的焊接順序；減小焊接電流或適當(dāng)增加焊接速度。
3）未焊透產(chǎn)生原因
焊接速度過快，弧長(zhǎng)過大，焊件間隙、坡口角度、焊接電流均過小，鈍邊過大；工件坡口邊緣的毛刺、底邊的污垢焊前沒有除凈；焊炬與焊絲傾角不正確。
防止措施
正確選擇間隙、鈍邊、坡口角度和焊接工藝參數(shù)；加強(qiáng)氧化膜、熔劑、熔渣和油污的清理；提高操作技能等。
4）焊縫夾鎢產(chǎn)生原因
接觸引弧所致；鎢極末端形狀與焊接電流選擇得不合理，使尖端脫落；填絲觸及到熱鎢極尖端和錯(cuò)用了氧化性氣體。
防止措施
采用高頻高壓脈沖引弧；根據(jù)選用的電流，采用合理的鎢極尖端形狀；減小焊接電流，增加鎢極直徑，縮短鎢極伸出長(zhǎng)度；更新惰性氣體；提高操作技能，勿使填絲與鎢極接觸等。
5）咬邊產(chǎn)生原因
焊接電流太大，電弧電壓太高，焊炬擺幅不均勻，填絲太少，焊接速度太快。
防止措施
減小焊接電流與電弧電壓，保持焊炬擺幅均勻，適當(dāng)增加送絲速度或降低焊接速度。
3 鑄件常規(guī)補(bǔ)焊工藝
通常的鋁合金鑄件缺陷均可以采用氬弧焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊挽救,而以交流TIG焊方法補(bǔ)焊效果為佳。
采用補(bǔ)焊工藝實(shí)施鑄件缺陷補(bǔ)焊時(shí),除了以上提到的一般做法如焊前注意清理焊絲和工件待焊部位,選用合理的焊絲材料,選擇短弧和小角度焊絲加入方式進(jìn)行施焊等要點(diǎn)之外,在實(shí)踐中針對(duì)不同缺陷類型還有許多成功的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒,如盡量選用小電流施焊;
選用補(bǔ)焊時(shí)的焊絲合金成分高于母材,以便在補(bǔ)焊過程中補(bǔ)充燒損合金,使焊縫成分與母材保持一致;對(duì)帶有裂紋缺陷的鑄件補(bǔ)焊前在兩端打止裂孔;焊接時(shí)應(yīng)首先加熱待焊部位,采用左焊法填絲,以利于觀察焊縫的熔化情況,待施焊處熔化后再行填絲以形成充分潤(rùn)濕的熔池;
當(dāng)缺陷尺寸較大時(shí)為了提高補(bǔ)焊效率,可在傳統(tǒng)TIG焊前將很薄的一層表面活性劑(簡(jiǎn)稱ATIG活性劑)涂敷在施焊位置表面,焊接時(shí)活性劑引起焊接電弧收縮或熔池內(nèi)金屬流態(tài)發(fā)生變化,使得焊縫熔深增加,在進(jìn)行鋁合金交流TIG焊時(shí),是在焊縫表面涂敷一層SiO2活性劑以改變焊縫熔深、減少預(yù)熱程序和降低焊接難度。
6結(jié)束語
鋁合金的焊接和補(bǔ)焊通常可采用方便和低成本的TIG和MIG氬弧焊方法。當(dāng)采用高能束流焊和攪拌摩擦焊等鋁合金焊接新工藝時(shí),可以有效避免合金元素?zé)龘p、接頭軟化和焊接變形等問題,尤其是攪拌摩擦焊為固相連接具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。
常規(guī)補(bǔ)焊方法用于鋁合金鑄件缺陷補(bǔ)焊時(shí),為避免焊接缺陷,應(yīng)注意焊前清理、選配合理的焊絲填料和正確的焊接工藝規(guī)范,通常宜選用交流TIG補(bǔ)焊。
在鑄件缺陷情況特殊和條件具備時(shí),可以結(jié)合實(shí)際采用特種補(bǔ)焊方法,以便提高鋁合金鑄件的補(bǔ)焊質(zhì)量。
