鋁及鋁合金在焊接過程中的困難解析

鋁及鋁合金由于具有獨特的物理化學(xué)性能，因此在焊接過程中會產(chǎn)生一系列的困難，具體來說，主要有以下幾點：

一、強的氧化能力

鋁與氧的親和力很強，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密而結(jié)實的AL2O3薄膜，厚度約為0.1μm，熔點高達2050℃，遠遠超過鋁及鋁合金的熔點，而且密度很大，約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜會阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易造成夾渣。氧化膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫生成氣孔。這些缺陷，都會降低焊接接頭的性能。為了保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再氧化，對熔化金屬和處于高溫下的金屬進行有效的保護，這是鋁及鋁合金焊接的一個重要特點。具體的保護措施是：1、焊前用機械或化學(xué)方法清除工件坡口及周圍部分和焊絲表面的氧化物;

2、焊接過程中要采用合格的保護氣體進行保護;

3、在氣焊時，采用熔劑，在焊接過程中不斷用焊絲挑破熔池表面的氧化膜。

二、鋁的熱導(dǎo)率和比熱大，導(dǎo)熱快

盡管鋁及鋁合金的熔點遠比鋼低，但是鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容都很大，比鋼大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，有時需采用預(yù)熱等工藝措施，才能實現(xiàn)熔焊過程。

三、線膨脹系數(shù)大

鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時體積收縮率達6.5%-6.6%，因此易產(chǎn)生焊接變形。防止變形的有效措施是除了選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序外，采用適宜的焊接工裝也是非常重要的，焊接薄板時尤其如此。另外，某些鋁及鋁合金焊接時，在焊縫金屬中形成結(jié)晶裂紋的傾向性和在熱影響區(qū)形成液化裂紋的傾向性均較大，往往由于過大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋。這是鋁合金，尤其是高強鋁合金焊接時最常見的嚴重缺陷之一。在實際焊接現(xiàn)場中防止這類裂紋的措施主要是改進接頭設(shè)計，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，采用適應(yīng)母材特點的焊接填充材料等。

四、容易形成氣孔

焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時極易產(chǎn)生的缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁的焊接。氫是鋁及鋁合金焊接時產(chǎn)生氣孔的主要原因，這已為實踐所證明。氫的來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，以焊縫氣孔的產(chǎn)生，常常占有突出的地位。

鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣體，在高溫下溶入的大量氣體，在由液態(tài)凝固時，溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。為了防止氣孔的產(chǎn)生，以獲得良好的焊接接頭，對氫的來源要加以嚴格控制，焊前必須嚴格限制所使用焊接材料(包括焊絲、焊條、熔劑、保護氣體)的含水量，使用前要進行干燥處理。清理后的母材及焊絲最好在2-3小時內(nèi)焊接完畢，最多不超過24小時。TIG焊時，選用大的焊接電流配合較高的焊接速度。MIG焊時，選用大的焊接電流慢的焊接速度，以提高熔池的存在時間。Al-Li合金焊接時，加強正、背面保護，配合坡口刮削，清除概況氧化膜，可有效地防止氣孔。

五、焊接接頭容易軟化

焊接可熱處理強化的鋁合金時，由于焊接熱的影響，焊接接頭中熱影響區(qū)會出現(xiàn)軟化，即強度降低，使基體金屬近縫區(qū)部位的一些力學(xué)性能變壞。對于冷作硬化的合金也是如此，使接頭性能弱化，并且焊接線能量越大，性能降低的程序也愈嚴重。針對此類問題，采取的措施主要是制定符合特定材料焊接的工藝，如限制焊接條件，采取適當(dāng)?shù)暮附禹樞�，控制預(yù)熱溫度和層間溫度，焊后熱處理等。對于焊后軟化不能恢復(fù)的鋁合金，最好采用退火或在固溶狀態(tài)下焊接，焊后再進行熱處理，若不允許進行焊后熱處理，則應(yīng)采用能量集中的焊接方法和小線能量焊接，以減小接頭強度降低。

六、合金元素蒸發(fā)和燒損

某些鋁合金含有低沸點的合金元素，這些元素在高溫下容易蒸發(fā)燒損，從而改變了焊縫金屬的化學(xué)成分，降低了焊接接頭的性能。為了彌補這些燒損，在調(diào)整工藝的同時，常常采用含有這些沸點元素含量比母材高的焊絲或其他焊接材料。

七、鋁在高溫時的強度和塑性低

鋁在370℃時強度僅為10Mpa，焊接時會因為不能支撐住液體金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷或燒穿，為了解決這個問題，焊接鋁及鋁合金時常常要采用墊板。

八、焊接接頭的耐腐蝕性能低于母材

熱處理強化鋁合金(如硬鋁)接頭的耐腐蝕性的降低很明顯，接頭組織越不均勻，耐蝕性越易降低。焊縫金屬的純度或致密性也影響接頭耐蝕性能。雜質(zhì)較多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蝕性就會明顯下降，不僅產(chǎn)生局部表面腐蝕而且經(jīng)常出現(xiàn)晶間腐蝕，此外對于鋁合金，焊接應(yīng)力的存在也是影響耐蝕性的一個重要因素。

為了提高焊接接頭的耐蝕性，主要采取以下幾個措施：

1、改善接頭組織成分的不均勻性。主要是通過焊接材料使焊縫合金化，細化晶粒并防止缺陷;同時調(diào)整焊接工藝以減小熱影響區(qū)，并防止過熱，焊后熱處理。

2、消除焊接應(yīng)力，如局部表面拉應(yīng)力可以采用局部錘擊辦法來消除。

3、采取保護措施，如采取陽極氧化處理或涂層等。

九、無色澤變化，給焊接操作帶來困難

鋁及鋁合金焊接時由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，沒有明顯的顏色變化，因此在焊接過程中給操作者帶來不少困難。因此，要求焊工掌握好焊接時的加熱溫度，盡量采用平焊，在引(熄)弧板上引(熄)弧等。