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。

鋁合金越來越多的用于機械制造行業(yè). 隨之而來的是對鋁合金焊接的要求也越來越高。目前國外MIG 焊鋁的技術工藝日趨成熟, 主要用于全焊接鋁合金游輪、火車及汽車箱體、摩托車架、壓力容器、軌道交通、工作平臺及飛機等。



這里僅介紹基本的鋁合金知識和MIG焊技巧 (所有材料牌號參照AWS 標準)。



1.鋁合金分類及對應焊材



1.1. 純鋁 (1xxx 系列), 可焊性很好, 對應焊材: ER1100 、 ER4043
1.2. 鋁銅合金 (2xxx 系列), 可焊性較差, 對應焊材: ER4043、ER4015、ER2319
1.3. 鋁錳合金 (3xxx 系列), 可焊性很好, 對應焊材: ER4043、ER5356
1.4. 鋁硅合金 (4xxx 系列), 一般用于制造焊絲 (4043、4047)
1.5. 鋁鎂合金 (5xxx 系列), 高強度, 可焊性很好, 對應焊絲: ER5356、ER5183 等
1.6. 鋁鎂硅合金 (6xxx 系列), 應用廣, 可焊性好, 對應焊絲: ER5xxx、ER4xxx
1.7. 鋁鋅合金 (7xxx 系列), 高強度, 用于飛機制造業(yè), 可焊性很差易裂, 對應焊絲: ER5356 (7005 和7039 母材)
1.8. 其它鋁合金 (8xxx 系列), 可焊性很差

鋁及鋁合金在現(xiàn)代工程技術所用的各種材料中占有舉足輕重的地位，它在世界年產(chǎn)量僅次于鋼鐵而居第二位，在有色金屬中則居位。如果說鋁合金初是在航空工業(yè)中嶄露頭角的話，那么近幾十年來，除航空工業(yè)外，在航天、汽車、船舶、橋梁、機械制造、電工、化學工業(yè)及低溫裝置中已大量應用鋁及鋁合金，以制造各種部件、油箱、耐蝕容器及導線等。目前鋁合金焊接結(jié)構(gòu)中應用廣的是防銹鋁合金，即鋁鎂合金和鋁錳合金。


?保護氣體的選擇?
焊接時所用的保護氣體有惰性氣體氬氣（Ar）和氦氣（He），生產(chǎn)上普遍使用氬氣。用于焊接鋁及鋁合金的氬氣滿足下列純度（體積分數(shù)）要求：氬氣大于99.99%，氦氣小于0.04%，氧氣小于0.03%，水的質(zhì)量分數(shù)小于0.07%。目前國內(nèi)生產(chǎn)的氬氣，其純度一般能達到此要求，故在使用前不需再進行提純處理。
?鎢電極的選用?


氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔點和沸點高，不容易熔化揮發(fā)，但電子發(fā)射能力比釷鎢、鈰鎢要差。在純鎢中加入質(zhì)量分數(shù)為1.0%~2.0%的氧化釷（Tho）電極稱為釷鎢極。它的電子發(fā)射能力強，允許的電流密度高，電弧燃燒穩(wěn)定。
?溶劑的選擇?
在氣焊、碳弧焊過程中，熔化的金屬表面極易氧化而形成氧化膜，為焊接質(zhì)量，用熔劑去除氧化膜及其他雜質(zhì)。氣焊、碳弧焊用的熔劑是各種鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物粉末的混合物。
?焊絲的選用?
在鋁合金材料的焊接過程中，鋁合金用焊絲的選用至關重要，選取前應該了解以下內(nèi)容：
?是否所有的鋁合金材料都可用作焊接填充合金？
?是否所有的鋁合金都可以焊接？
?應避免發(fā)生的缺陷有哪些？
?如何選擇焊接填充合金？
?選擇時應當考慮的標準是什么？
?鋁合金系列需要了解?
選擇什么樣的焊絲？
一種母材可以用多種鋁合金焊材完成焊接 ，如5083-5083的焊接：可用 5356，5183，5556 等焊絲。但是每一種焊絲得到的焊接接頭可能只能在某一個性能方面是佳的。選擇佳的焊絲時，主要應考慮焊接件的終使用性能。整體來說，主要考察以下幾個性能指標：


總之，選擇鋁合金焊絲過程中，只有在對鋁件焊接及其應用中的許多相關變量進行了充分分析后，才能選擇出合適的合金填料。

氣孔產(chǎn)生原因：鋁焊接氣孔主要是氫進入焊接熔池而形成的。氫來源有：材料、焊絲、保護氣體、送絲機構(gòu)、焊工的手套和環(huán)境濕度太高等，如焊絲被污染、材料及焊絲本身的氧化膜、送絲機構(gòu)上有油污或汗?jié)n等。預防措施：
6.1.1材料及焊絲內(nèi)的含氫量≤0.4mL /100g；
6.1.2 被焊件表面應去除油污及氧化膜，存放時間不超過4h。表面清理后應用干燥、潔凈、不起毛的物件覆蓋坡口及兩側(cè)；
6.1.3 焊絲盡量使用拋光焊絲，不然處理方法同上；
6.1.4 保護氣體內(nèi)雜質(zhì)含量：H2≤0.001%；O2≤0.02%；N2≤0.1%；H2O≤0.02%；
6.1.5保護氣體管路：一般采用不銹鋼管或銅管，軟管采用塑料管而不能用橡膠等易吸水的軟管；焊前應檢查冷卻水管道，確保不會漏水；當環(huán)境濕度很大時，應對保護氣體進行加熱對管路進行吹掃；
6.1.6 送絲機構(gòu)：不得有油污，送絲管采用聚四氟乙烯管或尼龍，并焊前清理管內(nèi)污染和冷凝水；
6.1.7現(xiàn)場環(huán)境：溫度不宜超過25℃，相對濕度不超過50%，保持環(huán)境清潔；
6.1.8焊工：工作服裝盡量是白色的，以便能及時發(fā)現(xiàn)和清理污染。焊時注意汗水和油漬不要再次污染焊件；
6.1.9 在焊前都應在試板上試焊，以便檢查保護氣體和管路是否合格。
6.1.10 焊接工藝上預防措施：用雙面焊代替單面焊；每道焊縫薄時比厚時有利于氣孔逸出；大直徑焊絲有利于減少氣孔；焊前預熱、焊后緩冷；降低電弧電壓、電流、降低焊接速度，有利于減少氣孔。
6.2 裂紋產(chǎn)生原因：材料焊接性較差；選擇焊絲時沒考慮抗裂性；結(jié)構(gòu)的拘束度過大。預防措施：
6.2.1 對焊接性較差的鋁材在焊接前應考慮其抗裂性而不能只考慮強度；必要時可考慮對焊件進行退火后焊接，焊后再淬火時效。
6.2.2 選擇抗裂紋性好的焊絲，如含Si等低熔點元素的焊絲。
6.2.3 盡量減少焊接接頭的拘束度，合理安排焊接順序，讓焊縫能夠有橫向收縮余量，以減小焊接應力。沒有必要定位焊的就不要焊定位焊，能雙面定位焊的就不要單面定位焊。
6.2.4 盡量面焊為雙面焊。
探傷要求：
1.封頭拼縫焊后應進行RT，成形后再按規(guī)定RT或PT。
2.A、B類焊縫一般進行RT。
3.容器上的C、D類焊接接頭進行PT。
4.鋁材表面補焊焊縫進行PT。
5.鋁卡具和拉筋的臨時固定連接焊縫拆除后的焊痕等進行PT。
6.其他圖樣要求探傷的部位。

鋁及鋁合金焊接規(guī)程詳解
本規(guī)程規(guī)定了鋁及鋁合金焊接的基本要求，適用于鋁及的手工鎢極氬弧焊或氣焊或熔化極氬弧焊等焊接的鋁及鋁合金制單層容器、襯鋁容器的鋁焊接工藝。
一、焊接用材料：
1.焊接用氬氣純度≥99.99%，≤-55℃，并應符合GB/T4842或GB10624的規(guī)定。當瓶裝氬氣的壓力≤0.5Mpa時不宜使用。（氬氣內(nèi)含氮量≥0.04%，否則焊縫表面上會產(chǎn)生淡或草綠色的氮化鎂及氣孔；含氧量≥0.03%，否則熔池表面上可發(fā)現(xiàn)密集的黑點、電弧不穩(wěn)和飛濺較大；含水量≥0.07%，熔池將沸騰并焊縫內(nèi)產(chǎn)生氣孔）。
2.手工鎢極氬弧焊電極采用鈰鎢電極。電極直徑應根據(jù)焊接電流大小來選擇（使用時一般比焊接電流所要求的規(guī)格大一號的鎢極），電極端部應為半球形（制作半球形方法：用比焊接電流所要求的規(guī)格大一號的鎢極，將端部磨成錐形，垂直夾持電極，用比所用鎢極要求的電流大20~30A的電流在試板上起弧并維持幾秒鐘，鎢極端頭即呈半球形。如果鎢極被鋁污染，則重新打磨或更換鎢極；輕微污染時，可電流使電弧在試板燃燒一會，即能燒掉污染物）：鈰鎢電極直徑mm
2
2.5
3.2
4.0
5.0
（正接時）焊接電流A
100~200
170~250
200~300
350~480
500~675

（反接時）焊接電流A
15~25
17~30
20~35
35~50
50~70

（交流時）焊接電流A
85~160
120~210
150~250
240~350
330~460
3.用MIG焊鋁合金時，由于鋁焊絲比較軟，為避免咬傷焊絲，送絲輪不允許用帶齒輪的送絲輪，不宜用推絲式；送絲軟管不準用彈簧管而是用聚四氟乙烯或尼龍制品，不然由于磨削而污染或堵塞軟管。MIG通常用直流反極性。
4.焊劑主要作用是去除氧化膜和其它一些雜質(zhì)，使用時可用無水酒精調(diào)成糊狀或直接將焊劑粉放在坡口和兩側(cè)。當焊接角焊縫時應選用那些焊后容易清除熔渣的焊劑；鋁鎂合金用焊劑不宜含有鈉的組成物。
5.不同牌號的鋁材相焊時，當圖紙和工藝都沒有規(guī)定時，按耐腐蝕性能較好和強度級別較低的母材去選擇焊絲材料。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時，宜采用含鎂量或含錳時與母材相近或比母材稍高的焊絲。焊絲可從GB/T10585《鋁及鋁合金焊絲》選取，也可從GB/T3190《變形鋁及鋁合金化學成分》和GB/T3197《焊條用鋁及鋁合金線材》中選取。焊絲選用時可參考下面幾個表（表3和表4摘自《焊接手冊》）：