铝合金焊接技术要点及注意事项

铝及铝合金焊接特点及焊接工艺

铝合金由于重量轻、强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。因此，铝及铝合金除广泛的应用于航空、航天和电工等领域外，同时还越来越多的应用于石油化学工业。但是铝及铝合金在焊接过程中，易出现氧化、气孔、热裂纹、烧穿和塌陷等问题。此类材质是被公认为焊接难度较大的被焊接材料，特别是小径薄壁管的焊接更难掌握。因此，解决铝及铝合金的这些焊接缺陷是施工过程中必须解决的问题。

1铝及铝合金的焊接特点

铝材及铝合金焊接时由固态转变为液态时，没有明显的颜色变化，因此在焊接过程中给操作者带来不少困难。因此，要求焊工掌握好焊接时的加热温度，尽量采用平焊，在引（熄）弧板上引（熄）弧等。特别注意以下几点：

1.1强的氧化能力

铝与氧的亲和力很强，在空气中极易与氧结合生成致密而结实的AL2O3薄膜，厚度约为0．1μm，熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点，而且密度很大，约为铝的1．4倍。在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。这些缺陷，都会降低焊接接头的性能。为了保证焊接质量，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护，这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。具体的保护措施是：

a焊前用机械或化学方法清除工件坡口及周围部分和焊丝表面的氧化物；

b焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护；

c在气焊时，采用熔剂，在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜。

1.2铝的热导率和比热大，导热快

尽管铝及铝合金的熔点远比钢低，但是铝及铝合金的导热系数、比热容都很大，比钢大一倍多，在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部，为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，有时需采用预热等工艺措施，才能实现熔焊过程。

1.3线膨胀系数大

铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时体积收缩率达6．5%－6．6%，因此易产生焊接变形。防止变形的有效措施是除了选择合理的工艺参数和焊接顺序外，采用适宜的焊接工装也是非常重要的，焊接薄板时尤其如此。另外，某些铝及铝合金焊接时，在焊缝金属中形成结晶裂纹的倾向性和在热影响区形成液化裂纹的倾向性均较大，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。这是铝合金，尤其是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。在实际焊接现场中防止这类裂纹的措施主要是改进接头设计，选择合理的焊接工艺参数和焊接顺序，采用适应母材特点的焊接填充材料等。

1.4容易形成气孔

焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷，尤其是纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及铝合金焊接时产生气孔的主要原因，这已为实践所证明。氢的来源，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分，以焊缝气孔的产生，常常占有突出的地位。

铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体，在高温下溶入的大量气体，在由液态凝固时，溶解度急剧下降，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。为了防止气孔的产生，以获得良好的焊接接头，对氢的来源要加以严格控制，焊前必须严格限制所使用焊接材料（包括焊丝、焊条、熔剂、保护气体）的含水量，使用前要进行干燥处理。清理后的母材及焊丝最好在2－3小时内焊接完毕，最多不超过24小时。TIG焊时，选用大的焊

接电流配合较高的焊接速度。MIG焊时，选用大的焊接电流慢的焊接速度，以提高熔池的存在时间。Al－Li合金焊接时，加强正、背面保护，配合坡口刮削，清除概况氧化膜，可有效地防止气孔。

1.5焊接接头容易软化

焊接可热处理强化的铝合金时，由于焊接热的影响，焊接接头中热影响区会出现软化，即强度降低，使基体金属近缝区部位的一些力学性能变坏。对于冷作硬化的合金也是如此，使接头性能弱化，并且焊接线能量越大，性能降低的程序也愈严重。针对此类问题，采取的措施主要是制定符合特定材料焊接的工艺，如限制焊接条件，采取适当的焊接顺序，控制预热温度和层间温度，焊后热处理等。对于焊后软化不能恢复的铝合金，最好采用退火或在固溶状态下焊接，焊后再进行热处理，若不允许进行焊后热处理，则应采用能量集中的焊接方法和小线能量焊接，以减小接头强度降低。

1.6合金元素蒸发和烧损

某些铝合金含有低沸点的合金元素，这些元素在高温下容易蒸发烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，降低了焊接接头的性能。为了弥补这些烧损，在调整工艺的同时，常常采用含有这些沸点元素含量比母材高的焊丝或其他焊接材料。

1.7铝在高温时的强度和塑性低

铝在370℃时强度仅为10Mpa，焊接时会因为不能支撑住液体金属而使焊缝成形不良，甚至形成塌陷或烧穿，为了解决这个问题，焊接铝及铝合金时常常要采用垫板。

1.8焊接接头的耐腐蚀性能低于母材

热处理强化铝合金（如硬铝）接头的耐腐蚀性的降低很明显，接头组织越不均匀，耐蚀性越易降低。焊缝金属的纯度或致密性也影响接头耐蚀性能。杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蚀性就会明显下降，不仅产生局部表面腐蚀而且经常出现晶间腐蚀，此外对于铝合金，焊接应力的存在也是影响耐蚀性的一个重要因素。

为了提高焊接接头的耐蚀性，主要采取以下几个措施：

a改善接头组织成分的不均匀性。主要是通过焊接材料使焊缝合金化，细化晶粒并防止缺陷；同时调整焊接工艺以减小热影响区，并防止过热，焊后热处理。

b消除焊接应力，如局部表面拉应力可以采用局部锤击办法来消除。

c采取保护措施，如采取阳极氧化处理或涂层等。

1.9无色泽变化，给焊接操作带来困难

2焊接工艺

2.1焊接材料的选择

焊丝原则上选择与母材成分相同的铝及铝合金焊丝或板条。氩气纯度＞99．95％，尽量选用大直径焊丝。在Al-Mg 系铝合金的弧焊中，通常都是推荐使用CB-AMr2、CB-AMr3、CB-AMr6、CB- AMr61、CB-AMr63、1557、1577 焊条，对Al-Cu 系铝合金则推荐用01201 和01217。2.2 焊前准备

2.2.1焊前清理铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。

a化学清洗化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液碱洗3 min～7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min)，流动清水冲洗，接着用室温至 60℃的30％HNO3溶液酸洗1 min～3 min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。

b机械清理在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为0.15 mm～0.2 mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂

粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4 h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24 h)应当重新处理。

2.2.2垫板铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。

2.2.3焊前预热薄、小铝件一般不用预热，厚度10 mm～15 mm时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。

2.3 焊接工艺参数

铝及铝合金手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊的焊接工艺参数，见下表。

2.4组对与点固焊

由于铝及铝合金管导热快、熔池结晶快，所以．组对时不留间隙、钝边，应避免强制进行，以减少焊接后产生较大的残余应力，定位焊缝长度10-15mm为易。定位焊位置在管的7点、9点、12点处。定位焊焊缝常做为正式焊缝保留，因此发现问题应及时处理。

焊前对定位焊表面黑粉、氧化膜进行清除，并将两端修成缓坡型。

焊件不需要预热．焊前在试板上试焊，当确认无气孔后再进行正式焊接。

采用高频引弧，起弧点应越过中心线20mm左右，并停留不动约2-3秒。然后在保证焊透的情况下，采用大电流、快速焊。焊丝不摆动，焊丝端部不应离开氩气保护区。如离开氩气保护区．焊丝端部应剪掉。焊丝与焊缝表面的夹角宜在15°右。

焊枪与焊缝表面的夹角宜保持在80°～90°之间。为增大氩气保护区和增强保护效果，可采用大直径焊枪瓷嘴，加大焊枪氩气流量。当喷嘴上有明显阻碍氩气气流流通的飞溅物附着时。必须将飞溅物清除或更换喷嘴。当钨极端部出现污染，形状不规则等现象时．必须修整或更换。钨极不宜伸出喷嘴外。

焊接温度的控制主要是焊接速度和焊接电流大小的控制。试验结果表明，大电流、快速焊能有效防止气孔的产生。这主要是由于在焊接过程中以较快速度焊透焊缝，熔化金属受热时间短，吸收气体的机会少。

收弧时，注意填满弧坑,缩小溶池,避免产生缩孔,终点的结合处应焊过20~30mm。停弧后，要延迟停气6秒。可旋转的铝及铝合金管对接平焊时．焊炬应处于稍带上坡焊位置。这样有利于焊透。

厚壁管子底层焊时。可不填加焊丝。但以后的焊层需加焊丝。

2.5 焊后热处理

a焊后清理焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝表面的钝化膜，有时还会腐蚀铝件，应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件，在热水中用硬毛刷刷洗后，再在60℃～80℃左右、浓度为2％～3％的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5 min～10 min，并用硬毛刷洗刷，然后在热水中冲刷洗涤，用烘箱烘干，或用热空气吹干，也可自然干燥。

b焊后热处理铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力，来使容器上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下，这时应由容器设计文件提出特别要求，才进行焊后消除应力热处理。如需焊后退火热处理，对于纯铝、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等，推荐温度为345℃；对于2014、2024、3003、 3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等，推荐温度为415℃；对于2017、2A11、6A02 等，推荐温度为

360℃，根据工件大小与要求，退火温度可正向或负向各调20℃～30℃，保温时间可在0.5 h～2 h之间。

4.6 焊接检验按

HGJ222--92《铝及铝合金焊接技术规范》对所有焊缝进行表面和射

线探伤检查。 5、小结

采用上述焊接工艺，实际的焊接施工中气孔和烧穿问题得到了有效的解决。焊接探伤合格率达到了97％。当然还存在背面成型问题，这主要依靠操作者的感觉，对操作者的技术要求较高。三、经济效益和社会效益

因为铝及铝合金管道比普通碳素钢不管从施工工艺还是施工时所使用的工机具要求都更高，也更复杂，因此通过本次科技立项的实施,使我公司的管道施工综合能力得到很大的提高,填补了我公司在铝及铝合金管道安装技术方面的空白，优化了生产工艺，提高了劳动生产率，保证了焊接质量，为公司创造良好的社会效益。更为今后公司在施工同类管道奠定了坚实的基础，提高了市场竞争能力。四、结论与建议

参与本次试验的班组1个共10人，技术管理人员2人，共使用各种工机具4台。该课题历时2个月，完成了氧气厂液氧液氮冷量互换液化回收放散氧气装置改造—铝镁合金管道焊接工艺研究。本科技项目的贯彻实施后，使我公司能熟练掌握铝及铝合金管道预热、焊接、层间温度、焊后缓冷、焊缝及管道的热处理等工序及每个工序的具体要求及相关参数。为今后机电公司施工同类合金管道奠定了坚实的基础，也为今后的发展将起到一定的指导作用。

根据在氧气厂液氧液氮冷量互换液化回收放散氧气装置改造—铝镁合金管道施工过程中的经验，总结出铝及铝合金焊接的工艺要点： 1、焊接方法：手工钨极氩弧焊； 2、焊接设备：TIG交流电流弧焊机。如NSA-400型交流氩弧焊机或NSAz-300-1（2）交直流两用氩弧焊机。 3、焊接材料

3.1氩气：纯度99.9%以上，含水量≤0.02%，否则会使焊缝发黑、出现气孔、电弧不稳。含氧量≤0.05%含氮量≤0.03%否则会出现电流不稳、爆裂、飞溅严重等现象，而降低焊接质量。

3.2电极：采用铈钨极，铈钨极除了无放射性危害外，它的电子发射能力、工艺性能、电极烧损等均比钍钨极好。

电极在使用前，将其端头磨成圆锥形，尖端磨成圆形。伸出长度3~5mm。 4、坡口的准备、焊前清理级预热

4.1厚度小于3mm的焊件，可不开坡口；厚度大于3mm的焊件，一般采用V形坡口。焊接时采用正面焊，背面清根的焊接工艺。由于第一层焊道氧化严重，所以，一定要将焊根、未焊透清除干净。厚度超过20mm时，适当采用X形坡口，以便减少填充金属，提高生产效率。坡口的角度和间隙不宜过小，否则，电弧伸不到根部，容易造成未焊透。即使根部能被熔化，根部金属表面未受到电弧直接加热，氧化膜不能受到阴极的破碎作用，往往以“夹渣”存在焊缝根部。

由于液态铝的流动性好，薄板对接接头的间隙可小些，钝边可大些，坡口角度可小些。

使我公司能熟练掌握铝及铝合金管道预热、焊接、层间温度、焊后缓冷、焊缝及管道的热处理等工序及每个工序的具体要求及相关参数。为今后机电公司施工同类合金管道奠定了坚实的基础，也为今后的发展将起到一定的指导作用。

根据在氧气厂液氧液氮冷量互换液化回收放散氧气装置改造—铝镁合金管道施工过程中的经验，总结出铝及铝合金焊接的工艺要点： 1、焊接方法：手工钨极氩弧焊； 2、焊接设备：TIG交流电流弧焊机。如NSA-400型交流氩弧焊机或NSAz-300-1（2）交直流两用氩弧焊机。 3、焊接材料

3.1氩气：纯度99.9%以上，含水量≤0.02%，否则会使焊缝发黑、出现气孔、电弧不稳。含氧量≤0.05%含氮量≤0.03%否则会出现电流不稳、爆裂、飞溅严重等现象，而降低焊接质量。

3.2电极：采用铈钨极，铈钨极除了无放射性危害外，它的电子发射能力、工艺性能、电极烧损等均比钍钨极好。