焊接材料
(1)焊絲 鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊接工藝性能外,按容器要求應使對接接頭的抗拉強度、塑性(通過彎曲試驗)達到規(guī)定要求,對含鎂量超過3%的鋁鎂合金應滿足沖擊韌性的要求,對有耐蝕要求的容器,焊接接頭的耐蝕性還應達到或接近母材的水平。因而焊絲的選用主要按照下列原則:
1)純鋁焊絲的純度一般不低于母材;
2)鋁合金焊絲的化學成分一般與母材相應或相近;
3)鋁合金焊絲中的耐蝕元素(鎂、錳、硅等)的含量一般不低于母材;
4)異種鋁材焊接時應按耐蝕較高、強度高的母材選擇焊絲;
5)不要求耐蝕性的高強度鋁合金(熱處理強化鋁合金)可采用異種成分的焊絲,如抗裂性好的鋁硅合金焊絲SAlSi一1等(留意強度可能低于母材)。
(2)保護氣體 保護氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。交流加高頻TIG焊時,采用大于99.9%純氬氣,直流正極性焊接宜用氦氣。MIG焊時,板厚<25 mm時宜用氬氣;板厚25 mm~50 mm時氬氣中宜添加10%~35%的氦氣;板厚50mm-75mm時氬氣中宜添加l0%~35%或50%的氦氣;當板厚>75 mm時推薦采用添加50%~75%氦氣的氬氣。氬氣應符合GB/T 4842?995《純氬》的要求。氬氣瓶壓低于0.5 MPa后壓力不足,不能使用。
(3)鎢極 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,不易熔化揮發(fā),電極燒損及尖真?zhèn)€污染較少,但電子發(fā)射能力較差。在純鎢中加進1%~2%氧化釷的電極為釷鎢極,電子發(fā)射能力強,答應的電流密度高,電弧燃燒較穩(wěn)定,但釷元素具有一定的,使用時應采取適當?shù)姆雷o措施。在純鎢中加進1.8%~2.2%的氧化鈰(雜質(zhì)≤0.1%)的電極為鈰鎢極。鈰鎢極電子逸出功低,化學穩(wěn)定性高,答應電流密度大,無,是目前普遍采用的電極。鋯鎢極可防止電極污染基體金屬,易保持半球形,適用于交流焊接。
(4)焊劑 氣焊用焊劑為鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物,可往除氧化膜。
1070純鋁焊絲,鋁含量≥99.5%,有的抗腐蝕性能,很高的導熱與導電性能,以及的可加工性能。對經(jīng)陽極化處理 的材料,需要配色時十分理想,推薦用于焊接1000系列鋁合金。 典型化學成份:Si≤0.03、Cu≤0.002、Zn≤0.013、Fe≤0.18 、Mn≤0.003,AL余量用途廣泛用于鐵路機車、電力、化學、食 品等行業(yè)。 執(zhí)行GB10858-89標準鋁及鋁合金焊絲廣泛應用于鋁及鋁合金氬弧焊及氧 -乙炔氣焊時作填充材料。 焊絲的選擇,主要根據(jù)母材的種類,對接頭的抗裂性能、力學性能及抗腐蝕性能等方面的要求綜合考慮
鋁材具有的物理特性和力學性能,其密度低、強度高、熱導率高、電導率高,耐蝕能力強。鋁材廣泛用于容器、機械、電力、化工、航空、航天等焊接結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上。
(一)鋁材的分類及牌號表示方法
1. 鋁材的分類
(1)按有無合金成分,鋁材分為純鋁及鋁合金。鋁合金按合金系列又分為Al-Mn合金、Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-Mg合金等。
(2)按壓力加工能力,可分為變形鋁和非變形鋁(例如:鑄鋁)。
(3)按能否熱處理強化,鋁合金又分為非熱處理強化鋁和熱處理強化鋁。鋁沒有同素異構(gòu)體,純鋁、鋁錳合金、鋁鎂合金等不可能通過熱處理相變來進步強度。但是,鋁銅和鋁鎂硅等合金可通過固溶時效析出強化相進步強度,稱為可熱處理強化鋁。不能通過固溶時效析出強化相進步強度的稱為不可熱處理強化鋁。
2. 牌號表示方法和狀態(tài)代號
(1)四位數(shù)字體系牌號命名方法 1997年1月1號,我國開始實施GB/T16474?996《變形鋁和鋁合號表示方法》標準。新的牌號表示方法采用變形鋁和鋁合金國際牌號注冊組織推薦的國際四位數(shù)字體系牌號命名方法,例如產(chǎn)業(yè)純鋁有1070、1060等,Al-Mn合金有3003等,Al-Mg合金有5052、5086等。
(2)四位字符體系牌號命名方法 1997年1月1號前,我國采用前蘇聯(lián)的牌號表示方法。一些老牌號的鋁及鋁合金化學成分與國際四位數(shù)字體系牌號不完全吻合,不能采用國際四位數(shù)字體系牌號代替,為保存國內(nèi)現(xiàn)有的非國際四位數(shù)字體系牌號,不得不采用四位字符體系牌號命名方法,以便逐步與國際接軌。例如:老牌號LF21的化學成分與國際四位數(shù)字體系牌號3003不完全吻合,于是,四位字符體系表示的牌號為3A21。
四位數(shù)字體系和四位字符體系牌號個數(shù)字表示鋁及鋁合金的種別,其含義如下:
1)1XXX系列棗產(chǎn)業(yè)純鋁;
2)2XXX系列棗Al-Cu、Al-Cu-Mn合金,;
3)3XXX系列棗Al-Mn合金;
4)4XXX系列棗Al-Si合金;
5)5XXX系列棗Al-Mg合金;
6)6XXX系列棗Al-Mg-Si合金;
7)7XXX系列棗Al-Mg-Si-Cu合金;
8)8XXX系列棗其它。
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?;≈鶜夥罩械乃帧⒑附硬牧霞澳覆谋砻嫜趸の降乃?,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。
鋁及鋁合金在現(xiàn)代工程技術(shù)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(guān)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(guān)變量進行了充分分析后,才能選擇出合適的合金填料。
表1 同牌號鋁焊接用焊絲
同牌號母材牌號
焊 絲
同牌號母材牌號
焊 絲
1060
SAL-3
5052
SAlMg-1
1050A
SAL-3
5A02
SAlMg-1
5A03
SAlMg-2
1200
SAL-1
5083
SAlMg-3
3003
SAlMn
5A05
SAlMg-5
3004
SAlMn
6061
SAlMg-1
SAlMg-5
SAlSi-1
表2 異種鋁焊絲焊接用焊絲
異種母材
焊 絲
純鋁+鋁錳合金
SAlMn
純鋁、鋁錳合金+5052、5A02
SAlMg-1、SAlMg-5
純鋁、鋁錳合金+5A03
SAlMg-2
純鋁、鋁錳合金+5083、5086
SAlMg-3
純鋁、鋁錳合金+5A06、5A05
SAlMg-5
表3 針對不同的材料和性能要求選擇焊絲
材 料
按不同性能要求推薦的焊絲
要求高強度
要求高延性
要求焊后陽極化后顏色匹配
要求高強度
要求焊接時裂紋傾向低
1100
SAlSi-1
SAl-1
SAl-1
SAl-1
SAlSi-1
2A16
SAlCu
SAlCu
SAlCu
SAlCu
SAlCu
3A21
SAlMn
SAl-1
SAl-1
SAl-1
SAlSi-1
5A02
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
5A05
LF14
LF14
SAlMg-5
SAlMg-5
LF14
5083
ER5183
ER5356
ER5356
ER5356
ER5183
5086
ER5356
ER5356
ER5356
ER5356
ER5356
6A02
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlSi-1
SAlSi-1
6063
ER5356
ER5356
ER5356
SAlSi-1
SAlSi-1
7005
ER5356
ER5356
ER5356
ER5356
X5180
7039
ER5356
ER5356
ER5356
ER5356
X5180
注:ER鋁焊絲為美國標準ANSI/AWS A5.10。
表4 一般用途焊接時焊絲選用
母材之一
母材之二
7005
6A02
6061
6063
5083
5086
5A05
5A06
5A03
5A02
3A21
3003
2A16
2B16
2A12
2A
與母材配用的焊絲
SAlMg-5
SAlSi-1
ER5356
SAlMg-5
LF14
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMn
-
-
SAl-1
SAl-2
SAl-3
2A12
2A14
-
-
-
-
-
-
-
-
SAlSi-1
BJ-380A
2A16
2B16
-
-
-
-
-
-
-
SAlCu
3A21
3003
SAlMg-5
SAlSi-1
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlSi-1
SAlMn
SAlMg-3
5A02
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
LF14
SAlMg-5
SAlMg-5
5A03
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
LF14
SAlMg-5
5A05
5A06
SAlMg-5
LF14
SAlMg-5
SAlMg-5
LF14
SAlMg-5
LF14
5083
5086
SAlMg-5
SAlMg-5
SAlMg-5
6A02
6061
6063
SAlMg-5
SAlSi-1
SAlSi-1
7005
X5180
鋁及鋁合金焊絲廣泛應用于鋁合金氬弧焊及氣焊。焊絲選用主要根據(jù)母材的種類、接頭的抗裂性能、機械性能、抗腐蝕性能及經(jīng)陽極化處理后焊縫與母材的色彩協(xié)調(diào)等方面的要求綜合考慮。一般來說,焊接鋁及鋁合金都采用與母材相同或相近牌號的焊絲,這樣可以獲得較好的耐蝕性;但焊接熱裂傾向大的熱處理強化合金時,選擇焊絲時則主要考慮抗裂性。鋁鎂合金焊接時,為彌補焊接過程中鎂的燒損,應避開焊縫易出現(xiàn)裂紋的鎂含量臨界點(2%),一般采用含鎂量比基材高1%~2%的焊絲。另外,采用含Mg量高的鋁合金焊絲焊接高Zn鋁合金時可提高焊縫的抗裂性。以6005A型材為例,其鎂含量為0.65%、硅含量為0.70%,采用ER5356鋁合金焊絲可以滿足上述要求。依據(jù)美國ALCOTEC鋁焊接研究所提供的技術(shù)資料,并參照德國、日本等國文獻報道,焊接7005鋁合金型材時可選用的焊絲牌號有ER5356、ER5183,接頭綜合性能均較高;二者比較,ER5356接頭強度稍差,但延伸率較大。綜合國外鋁合金車輛的成功制造經(jīng)驗,選擇ER5356焊絲焊接7005基材較好
目前國內(nèi)研制的用鋁合金焊絲線坯的生產(chǎn)主要采用立式半連續(xù)鑄造-擠壓法,其特點是產(chǎn)品質(zhì)量好、性能穩(wěn)定,所用設(shè)備也可用于生產(chǎn)其它鋁合金線材(如鉚釘線等),但設(shè)備投資較大,工序多,占地面積大,工模具消耗和能耗較高,生產(chǎn)過程中的幾何廢料也高,產(chǎn)品成品率相對較低;國外鋁合金焊絲線坯的生產(chǎn)多采用連鑄連軋法,設(shè)備投資適中,產(chǎn)品單重大、成材率高(90%以上)、質(zhì)量相對穩(wěn)定;水平連鑄連拉法的特點是設(shè)備投資少,線材的成品率高(90%以上),在純鋁焊絲線坯的生產(chǎn)中優(yōu)勢明顯,有取代其它工藝的趨勢,但這種方法目前還有一些工藝問題有待解決。
鋁及鋁合金焊絲可用于線軸或縱向切口的 MIG或 TIG的焊接加工,按其成分可分為純
鋁、鋁硅和鋁鎂焊絲,通過一定方法加工成盤狀(卷狀)或棒狀(直條狀)供貨,廣泛應用于建筑、裝飾和設(shè)備、冶金、管道、紡紗器具、船舶、鉆井裝備、火車、汽車、儲存罐和壓力容器等行業(yè)的焊接加工等行業(yè)。
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