铝合金焊接技术

铝合金焊接技术

纯铝的密度小(ρ=2.7g/cm3),大约是铁的 1/3,熔点低(660℃),铝是面心立方结构,故具有很高的塑性(δ:32~40%,ψ:70~90%),易于加工,可制成各种型材、板材,抗腐蚀性能好;但是纯铝的强度很低,退火状态 σb 值约为8kgf/mm2,故不宜作结构材料。通过长 期的生产实践和科学实验,人们逐 渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝,这就得 到了一系列的铝合金。 添加一 定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度,σb 值分别可达 24~60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值 σb/ρ)胜过很多合金钢,成为理想的结构材料,广泛用于机械制造、运输机械、动力机 械及航空工业等方面,飞机的机身、蒙皮、压气机 等常以铝合金制造,以减轻自重。采用铝 合金代替钢板材料的焊接,结构重量可减轻50%以上。

1.铝合金的焊接性特点

1)铝的强氧化能力,导致在 其表面能形成致密的AlO保护膜,因而在 空气或其他介质中具有良好的耐腐蚀性。但这同 样也给铝合金的焊接带来了不便利的因素,焊接过程中AlO保护膜 会阻碍熔化金属之间的结合,形成夹渣,并且还会吸附水分,在焊缝中产生气孔。

2)较大的 热导率和比热容(约为钢的2倍),焊接过 程中大量热量被迅速传导到金属基体内部,因此消耗更多的热量。

3)热裂倾向大。其线性 膨胀系数是钢的2倍,凝固时体积收缩率达6.5%。

4)容易形成气孔。氮不溶于液态铝,铝也不含碳。因此,焊接铝 及其铝合金时在焊缝中不会产生氮气孔和CO气孔,只可能产生氢气孔。氢在液 态铝中的溶解度为0.7ml/100g,而在660℃凝固温度时,氢的溶解度突然降至0.04ml/100g,使原来 溶于液态铝中的氢大量析出,形成气泡。同时,铝合金的密度小,气泡在 熔池中上升速度慢,加上铝的导热性强,熔池冷凝快。因此,上升的 气泡来不及退出而留在了焊缝中形成气孔。

5)接头不等强度。铝及铝 合金的热影响区由于受焊接热循环作用而发生软化,强度降低,使接头 和母材金属无法达到等强度。

6)焊穿。铝及其 铝合金从固态转变为液态时,无明显颜色变化,所以不 易判断母材的金属温度,施焊时 容易因温度过高无法察觉而导致烧穿。

7)铝为面心立方晶格,没有同素异构体,加热与 冷却过程中没有相变,焊缝晶粒易粗大,不能通 过相变来细化晶粒。

针对铝 合金的焊接性特点,在实际生产中,焊接铝、镁及其 合金时一般采用交流电源,这样在 交流负极性的半波里(铝工件为阴极),阴极有 去除氧化膜的作用,它可以 清除熔池表面的氧化膜;在交流正极的半波里(钨极为阴极),钨极可以得到冷却,同时发射足够的电子,有利于电弧稳定,焊接过 程能够顺利进行,使焊缝质量得到保证。

2. 焊接方法:

几乎各 种焊接方法都可以用于焊接铝,但是铝 对各种焊接方法的适应性不同,各种焊 接方法有其各自的应用场合。气焊和 焊条电弧焊方法,设备简单、操作方便。气焊可 用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电 弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊(TIG或MIG)方法是 应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝 合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝 合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混 合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔 化极气体保护焊。当然,人们也 在不断探索能够更有效地提高电弧的热效率的焊接方法——变极性等离子焊接。

2.1熔化极 惰性气体保护焊——MIG

熔化极氩弧焊(MIG)用焊丝作为电极,采用氩 气作为保护气体,金属焊 丝既可以作为电弧的一个电极,又作为 焊缝的填充金属,焊接电流可大大增加,热利用率高,使母材熔深加大,焊丝熔敷速率快,可较大地提高生产率。广泛用 于焊接中等和厚大板材的铝和铝合金、铜及铜 合金以及不锈钢等材料。


以射流 过渡方式焊接铝和铝合金时,因弧长 较长而降低了保护效果,焊缝表 面容易起皱且对防止气孔不利;若选择 的焊接电流大于临界电流,弧长控 制在射流过渡和短路过渡之间,便形成亚射流过渡。此时,可以使电弧最稳,阴极破碎区大,熔池保护效果好,熔池形状为碗型,避免了 熔透不足等缺陷。

焊接厚 大铝及铝合金时,采用Ar+He混合气 体可改善焊缝熔深,减少气 孔和提高生产率。

2.2非熔化极 惰性气体保护焊——VPTIG

铝合金交流TIG焊的发 展先后经历了正弦波交流TIG、方波交流TIG和变极性TIG几个阶段。变极性 因其独有的特点成为当前TIG焊中用 于铝及其合金材料焊接的最佳方法。

与传统TIG工艺对比:

焊接时 若采用传统的交流TIG焊,焊接热 输入控制手段弱,焊接时热输入较大,工件变形严重;同时容易出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷,从而大 大影响了产品的质量。变极性 技术是一种新型的电源输出控制技术,它允许 对电源的输出电流的波形进行编程控制,可以分 别对电流的正负半波时间、正负半波幅值、电流频率、占空比进行单独控制,为实现电弧形态控制、电弧挺度控制、电弧热 输入控制提供有效的手段。

AMET变极性TIG的能力:

2-10mm的材料不用开坡口,10mm以上的需要开小坡口;

可以实 现纵缝和环缝焊接;

主要应用领域铝合金,镁合金 等有色金属焊接,焊缝内部洁净,焊接效率高;

可以被 变极性等离子焊接系统兼容。

2.3变极性等离子——VPPAW

铝合金 变极性等离子焊接技术,是在变极性TIG焊接的 基础上发展起来的、可以一 次焊透中厚铝合金的一种先进焊接工艺。众所周知,铝合金 作为一种特殊材料,多道焊 对其接头强度减弱几乎很难避免。尤其是高强度铝合金,焊后强度损失严重,对近代 航空航天的发展带来了限制。开始于1968年的变 极性等离子焊接工艺的设想,到变极 性焊接工艺成熟地应用于美国的航空航天工业,焊接工 作者们持续了近30年的研究和实践历程。

哈伯特 兄弟公司是这一领域的佼佼者,他们先后开发了VP 300和VP 500可控硅焊接电源,以及HAWCS II 控制器。并最早 应用于美国的航空航天工业,使变极 性等离子工艺发展到了一个稳定的台阶。作为哈 伯特技术的继承者,艾美特 为变极性等离子焊接技术的发展做出了不断的努力。并于1998年,会同美国洛克希德-马丁公 司联合研制了采用DSP技术控 制的双逆变变极性等离子焊接设备。VPC-450的研制成功,不但标 志着大功率变极性等离子焊接时代的到来,也创建了一个稳定、精密输 出的变极性等离子焊接新标准。

变极性 等离子焊接的优点:等离子弧柱挺度好,热量集中,因而可 以得到很好的熔深;等离子焊缝窄,热影响区小,铝合金接头强度高;正面焊 接和阴极雾化的时间可以以0.1ms设置,加大清 理和焊接的密度,容易保 证焊接的质量和效率;可以采 用混合气体作为保护气,并可以 加大等离子电弧的穿透能力;小孔效 应变极性等离子可以同时清除焊缝正面、坡口钝 边和焊缝背面的氧化膜,保证更好的焊接效果;小孔效 应变极性等离子能最大程度地将焊缝杂质排除到焊缝外表面;更好地 延长钨极的使用寿命,降低焊缝夹钨风险。