鋁合金的焊接特性及焊材選擇
2021-04-01
鋁及鋁合金密度低、質(zhì)輕、強(qiáng)度高，低溫韌性好、熱導(dǎo)率高，耐蝕性強(qiáng)，具有杰出的物理特性和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，鋁及鋁合金越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各重要領(lǐng)域，如熱交換器、汽車(chē)、高鐵、輪船、飛機(jī)等甚至是航空航天等領(lǐng)域。
大多數(shù)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)主要是由鋁合金制造，盡管鋁合金在這些方面應(yīng)用廣泛，但由于其焊接性的限制，零件通常是通過(guò)鉚接在一起。與鋼的焊接不同，出于與焊縫完整性和強(qiáng)度相關(guān)的原因，在電弧焊焊接鋁時(shí)，常使用與母材化學(xué)成分差異很大的填充金屬。
一、鋁合金的主要特性
1、輕質(zhì)、高強(qiáng)度
與鋼材同等強(qiáng)度，質(zhì)量?jī)H為鋼材的1/3，廣泛應(yīng)用于車(chē)輛和航空航天等領(lǐng)域；
2、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好
導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性幾乎與銅相當(dāng)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，熱交換器等；
3、超低溫韌性好
隨著溫度的降低韌性更強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于低至-269℃的超低溫設(shè)備；
4、耐蝕性好
廣泛應(yīng)用于海洋和化學(xué)環(huán)境。
二、鋁合金與鋼的焊接性簡(jiǎn)析
三、鋁合金分類(lèi)
1、按照能否進(jìn)行熱處理可將鋁合金分為兩類(lèi)：可熱處理的和非熱處理的。
① 熱處理合金就是經(jīng)過(guò)熱處理可以增加力學(xué)性能的合金。
② 非熱處理的合金只能通過(guò)冷加工或應(yīng)變強(qiáng)化來(lái)增加強(qiáng)度，特點(diǎn)強(qiáng)度中等，塑性及耐蝕性好，又稱防銹鋁（合金變形越大，強(qiáng)化就越大；合金含量越高，通過(guò)變形提升的強(qiáng)度越明顯，詳見(jiàn)下圖）。
圖1 冷作加工、合金含量的數(shù)量與屈服強(qiáng)度的關(guān)系
2、按照鋁合金牌號(hào)系統(tǒng)可將鋁合金分為兩類(lèi)：變形鋁合金和鑄造鋁合金。
變形鋁合金按照主要合金元素又可以分為8大族系，鋁合金族系以及它們的可熱處理性如下表所示：
*說(shuō)明：
①變形鋁合金第一個(gè)數(shù)字表示合金系列，第二個(gè)指該合金是否是第一次注冊(cè)，是則用0表示，否則用0以外的數(shù)字；最后兩個(gè)數(shù)字是由鋁業(yè)協(xié)會(huì)指定的；
鑄造鋁合金的分類(lèi)、族系以及它們的可熱處理性如下表所示：
*說(shuō)明：
① 第一個(gè)數(shù)字表示合金系列，接下來(lái)的兩個(gè)數(shù)字是由鋁業(yè)協(xié)會(huì)指定的。
② 合金的改變是通過(guò)一個(gè)字母前綴(最前面字母)來(lái)顯示，所以356是原版本的合金， A356是第一次的改變，B356是第二次的改變等。
③ 小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字表示合金的制造最終形式為鑄造或者是再熔化的鑄錠。
四、鋁合金的焊接方法及技術(shù)
4.1 焊接方法
鋁需要使用高能量的熔滴過(guò)渡模式，較低能量的熔滴過(guò)渡模式通常會(huì)導(dǎo)致未熔合的缺陷，軸向射流（厚板＞3.2mm）和脈沖射流（GMAW-P薄板首選）是鋁首選的熔滴過(guò)渡形式；
GMAW-P具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、較低的熱輸入量-較少的變形；
2、能夠處理調(diào)整不良的接頭；
3、能夠焊接較薄的材料；
4、較低熱輸入可以減小熱影響區(qū)的范圍；
5、全位置的焊接極大地增強(qiáng)。
4.2 焊接技術(shù)
(1) 當(dāng)焊接鋁時(shí)，要求較短的干伸 (12.7—15.8mm)，干伸過(guò)長(zhǎng)，焊縫易發(fā)灰甚至擊穿；
(2) 當(dāng)焊接時(shí)，焊槍必須保持5°~10°的推角(也稱作前進(jìn)角)，否則會(huì)因保護(hù)不良出現(xiàn)氧化色；
(3) 在收弧時(shí)必須要小心，否則會(huì)產(chǎn)生弧坑裂紋，以下措施可有效避免弧坑裂紋的產(chǎn)生：
1) 使用焊接引弧板，在引弧板上焊接起弧和收弧；
2) 使用具有電弧衰減控制的電源機(jī)，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)預(yù)調(diào)的送絲速度使焊絲電流減小，填滿弧坑；
3) 在臨近焊接結(jié)束時(shí)，逐漸地增加焊接速度。目的是減小焊道的尺寸，從而減少弧坑的整體尺寸。這就是所謂的“羽化”或“回步(前進(jìn)后退法)”技術(shù)；
4) 在焊接結(jié)束時(shí)，變換焊槍的方向并置弧坑于焊縫主體之上(即返回在焊縫上斷弧)。
五、鋁合金焊材的選擇
大多數(shù)常用的鋁填充合金歸為4XXX和5XXX系，還有一些歸為1XXX，2XXX和鑄造合金系。
對(duì)于給定的母材，如何正確選擇合適的填充金屬，需考慮以下因素：
(1) 熱裂紋的避免；
(2) 焊縫金屬的延展性；
(3) 焊縫金屬的耐腐蝕性；
(4) 角焊和搭接接頭中焊縫的剪切強(qiáng)度；
(5) 焊接的難易程度（即焊接性）；
(6) 填充焊絲的送線性；
(7) 對(duì)于要求焊后陽(yáng)極氧化處理的應(yīng)用，焊縫的色彩要與母材匹配。
對(duì)于填充金屬的選擇，詳見(jiàn)下表。
用于各種鋁合金結(jié)構(gòu)焊接的鋁合金填充金屬
*說(shuō)明：
① 給出了大多數(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的填充合金的最佳選擇。當(dāng)顯示兩個(gè)填充合金時(shí)，任一個(gè)都是可以接受的。
② 當(dāng)顯示是4043填充合金時(shí)，4047是一個(gè)可以接受的替代品。
③ 當(dāng)顯示是5356填充合金時(shí)，5556或5183是可以接受的替代品。
④ 含有超過(guò)3％Mg的Al-Mg合金，不應(yīng)長(zhǎng)期暴露在高于150°F(65℃)的環(huán)境中使用。
⑤ 在一些有特殊要求的應(yīng)用中，可選擇上述顯示需要以外的其他填充合金。
六、京群鋁合金用MIG和TIG焊絲
京群鋁合金用MIG焊絲
京群鋁合金用TIG焊絲
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