6061铝合金材料焊接特性及焊接工艺研究

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中国工程物理研究院核物理与化学研究所　（四川绵阳６２１９００）　刘斌　在低、中温的水冷堆中，６０６ｔ铝合金具有较低的热中　子俘获截面，在较低的温度下有一定强度，并具有较好的耐　辐照性；有一定的抗水腐蚀的能力，加工性能良好，易成　形，可焊接。在反应堆中子试验科研中，广泛利用６０６１铝　合金作为中子探测器孔道及支架。以下就６０６１铝合金管材　（４，５０ｍｍ￣２ｍｍ）焊接特眭及工艺进行探讨研究。　

、６０６１铝合金的焊接特性　６０６１铝合金具有独特的物理化学性能，在焊接过程　中会产生同其他铝合金一样冶金上的困难，具体表现以　下几点：　（１）强的氧化能力　铝和氧的亲和力很大，在空气　中铝容易同氧结合生成紧密而结实的Ａ１　Ｏ，薄膜（厚度　约０．１　ｐｕｍ）。薄膜的熔点高达２０５０ｏＣ，远远超过铝及铝　合金的熔点，而且密度３．９５—４．１０ｇ／ｃｍ　，约为铝的１．４　倍。氧化膜表面吸附的水分在焊接过程中会形成气孔、　夹渣等缺陷，从而破坏金属的均匀性，降低了接头的力　学性能。　（２）高的导热、导电性铝合金的导热系数、比热、　熔化潜热很大，导热系数为０．５３８ｅａｌ／（ｅｍ·ｓ·℃），约　比钢大一倍。在焊接过程中大量的热能被迅速传到基体　

金属内部，因此焊接铝及铝合金时比钢要消耗更多的热　量。为了达到高质量的焊接接头，必须采用能量集中、　功率大的热源，并采取预热等措施。　（３）容易形成裂纹倾向　铝的线膨胀系数２３．５×　１０～，约比钢大两倍左右，凝固时的体积膨胀率达　６．５％～６．６％，所以在某些铝合金焊接时，往往由于过　大的收缩内应力而导致裂缝。　（４）容易形成气孔的倾向　铝合金的液体熔池很容　易吸收气体，在高温下熔人的大量氢气，在焊后的冷却　凝固过程中来不及析出而聚集在焊缝中形成气孑Ｌ。　（５）高温下的强度和塑性低在高温下铝的强度和　塑性很低，以致支撑住液体金属而引起焊缝成形的恶化，　甚至形成塌陷（或烧穿）缺陷。因此在某些场合下需要　用夹具和垫板。　（６）合金元素的蒸发和烧损　铝合金中含有低沸点　的合金元素如镁、锌、锰等，这些元素在高温火焰或电　弧的作用下极易蒸发、烧损，从而改变了焊缝金属的化　学成分，同时也降低了焊接接头的性能。　（７）无色泽变化铝及铝合金从固态变成液态时，　无明显的颜色变化，给焊接操作带来困难。　

度为６８ｍｍ，大大降低了加工难度。即使在后序的热加　工中出现４，３ｍｍ内冷孔以及４，２ｍｍ出水孔被盐堵死的情　况，也比较容易用工具进行疏通。图４为刀体２，总长　１９６ｍｍ，车序加工时可以两端钻通内冷孔４，６ｍｍ后，再　６一　２　ｚ－驴Ｚ　ｌ　——、　ｃ』　一　：　ｒ－＝　１　－－，．１　士　ｌ　『　一　图４刀体２　对顶精车外圆，大大降低了加工难度。配合用的内孑Ｌ　４，１　１Ｈ８可用铰刀直接铰成，待热处理后再进行研磨，以　降低表面粗糙度值，保证焊接强度。　３．结语　经过以上对复合铰刀工艺结构的改进，达到了图样　要求，并且大大降低了机加工难度。第一批产品经用户　使用后，效果很满意，现已重复生产。这种加工工艺的　改进方法，希望能够为同行提供参考和借鉴，更好地完　成工作。ＭＷ　

参磊　工￣ＪＪｎ，　（２０１００３１０）　

焊接与切裁２０１０年第８期　ＷＷＷ．ｍｅｔａ｜ｗｏｒｋｉｎｇ　１９５０．ｃｏｍ　二、焊接接头中常见的冶金缺陷分析及预　防措施　１．裂缝缺陷　铝合金焊缝中的裂缝是在焊缝金属结晶过程中出现　的，称热裂缝，又称结晶裂缝。　（１）形成原因铝合金液态熔池冷却、凝固结晶到　完全形成固态是在某一温度范围内进行的。在这温度范　围内同时存在着液态和固态金属，强度和塑性很低，所　以这个温度范围叫脆性温度区间，就是在金相平衡图的　固相线和液相线之间的温度范围。另一方面，由于铝合　金的线膨胀系数大，在焊缝金属冷却收缩过程中产生很　大的拉伸变形。当熔池金属经过脆性温度区间的时刻与　产生最大拉伸变形的时刻一致时，立即引起裂缝。　纯铝、铝锰、铝镁合金的热裂纹倾向很小，但在结　构刚度较大、杂质含量较多或工艺规范选择不当时，也　会引起裂缝。纯铝、铝锰合金焊缝中硅含量多于铁时，　即Ｆｅ／Ｓｉ＜１时，焊缝塑性显著降低，容易形成裂缝。反　之，当Ｆｅ／Ｓｉ＞１时，裂缝的倾向减小。　铝镁合金的含镁量低于２％～３％时，容易引起裂　缝。但在铝镁合金焊丝中加入０．２％以下的钛作变质剂　时，可细化晶粒、提高焊缝金属的抗裂性和力学性能。　随着坡口角度、间隙、工件厚度和工件刚性的增大，　裂缝的倾向性愈显著。　（２）预防措施采取以下措施来预防裂缝缺陷：　第一，控制基体金属及焊丝的成分。纯铝、铝锰合　金及焊丝中的铁、硅含量之比应大于１，以减少焊缝中　低熔点硅共晶的数量，提高接头的抗裂性。　第二，通过填充焊丝向焊缝金属加入少量细化晶粒　的变质剂，焊缝金属可变成细小的等轴晶组织。　第三，尽量采用加热集中的焊接方法（如熔化极自　动氩弧焊）及选择大电流、高焊速的规范。熔化极脉冲　氩弧焊与一般的熔化极氩弧焊法相比具有较优的抗裂性。　第四，在结构装配、施焊时使焊缝不产生很大的刚　性，在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度　等措施。　第五，尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避　免十字形接头及采用不适当的点固、焊接顺序。　第六，焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后　再移去热源，否则容易形成弧坑裂缝。　

参磊　工热加工　

２．气孔缺陷　（１）形成原因铝焊缝中形成气孔的主要气体是氢　气。氢气的来源有铝丝、铝板中的水分，铝丝、铝板表　面上氧化膜所吸附的水分，电弧焊焊条涂料中的湿气，　氩气中过多的含水量（＞０．２％）以及从喷嘴、保护气体　中｝昆入的空气等。水分或湿气在电弧的作用下形成蒸汽，　并和铝液起反应，生成三氧化二铝，析出氢气。由反应形　成的氢气集中在弧柱中间，并溶解于焊接熔池。过饱和的　气体形成气泡向外逸出。气泡的上浮速度小于熔池的结晶　速度时，气泡来不及析出，就形成大量的散布气孔。如进　入焊接熔池内的氧化膜厚度增加，氧化膜微粒中的水分同　熔池液体金属作用的时间就可能延续到结晶完成阶段，因　此析出的氢气增多，焊缝中的气孔量也相应增加。　（２）预防措施主要从减少氢气的来源及制定合理　的焊接工艺来考虑。　第一，减少氢气的来源。正确选择焊丝、焊粉、焊　条等焊接材料。焊粉、焊条涂料配方中的各组成物应经　烘培，去除结晶水。　对焊丝、焊件坡ｕ及坡口根部两侧进行仔细的清洗，　并加以烘干。焊丝表面应呈洁白光亮色，不得有局部腐　蚀斑点。　氩弧焊时，必须采用高纯度的氩气，氩气中的含水量　限制在０．０７％以下。氩气管路系统要保持干燥，不得有泄　漏现象，以免混入潮湿空气。采用合理的焊炬、喷嘴，以　改善气体的保护性能，并彻底清除喷嘴上粘附的飞溅物。　焊条电弧焊用的焊条应在１５０～１６０℃烘培２ｈ。　第二，制定合理的焊接工艺。熔化极自动、半自动　氩弧焊时，一般采用粗直径的焊丝，这有利于减少气孔　的数量，因小直径焊丝的比表面积（单位长度上的焊丝　表面积）大，也就是说，单位时间内熔融并进入熔池的　焊丝数量多。因此，熔池中势必带入相当数量的氧化膜　和氢气（同粗焊丝相比）。在焊接工艺上尽量采用高的　输入热量（取决于焊接电流、电弧电压及焊接速度）　延长熔池在高温液态下的时间，为氢气泡的浮出提供条　件。输入热量相同，但电流、电压值不同时，气孔数也　有很大的差别。气孔数量一般随着焊接电流的增大而减　少。增大焊接电流还能改善根部的焊透程度以及增强熔　池的搅动，因而使根部的气泡容易逸出。对工件进行预　热，不但可减少接头坡口表面上的水分，同时还可降低　熔池的冷却速度，相应地改善了气体的逸出条件。　三、焊接工艺　１．焊接方法选用　为保证获得良好的焊接接头，在焊前及焊接过程中去　除三氧化二铝薄膜，并防止熔池继续受到氧化是非常重要　的。钨极气体保护电弧焊（简称ＴＩＧ焊）是应用最为广　泛的铝及铝合金熔焊方法之一。这种焊法在氩气的良好保　护下施焊，氩气的机械隔离作用可保护熔池免受氧化，热　量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，接头的强度　和塑性高，因而在工业中获得越来越广的应用。　２．焊接接头设计　ＴＩＣ焊的接头形式有对接、搭接、角接和Ｔ形接头　等，常用接头的坡口尺寸由工件厚度确定。根据管料　￣ｂ５０ｍｍ×２ｍｍ壁厚尺寸，采用了Ｖ形对接坡口形式和角　焊坡１３形式两种，分别见图１、图２。　７ｎ。　

图１　Ｖ形对接坡口　３．焊接材料的选择　

焊接材料主要指填充焊丝。焊丝是影响焊缝金属成　分、组织、液相线温度、固相线温度、焊缝金属及近缝　勘触　巡　圜　图２角焊坡口　区母材的抗热裂性、耐腐蚀性及常温或高温低温下的力　学性能的重要因素。　在钨极氩弧焊时，需添加填充焊丝。填充焊丝的　成分与接头力学性能及腐蚀性能有很大关系。因此，　在选择填充焊丝时，必须首先考虑母材的牌号、成　分、产品的具体要求及施工条件，除了应满足接头的　力学性能、耐腐蚀性能外，还应考虑结构的刚性及抗　裂性等问题。　根据６０６１铝合金材料成分及焊缝要求，选用了ＳＡ１－　Ｓｉ一１焊丝。　４．焊接参数的选择　焊前必须对焊丝、铝板表面上的油污、氧化膜等进　行清洗。清洗方法见表１。　正确选择氩弧焊规范是保证焊接接头质量的主要因素。　针对６０６１铝合金管材直径及壁厚（管６５０ｍｍ×２ｍｍ）特　点，通过工艺试验，确定以下焊接参数，见表２。　表１　６０６１铝合金化学清理方法　碱洗　中和光化　工序　除油　冲洗　冲洗　干燥　溶液　温度／℃　时间／ｍｉｎ　溶液　时间／ｒａｉｎ　温度／℃　

汽油、丙酮、　６％１０％　３０％　室温或　流动　风干或　４０６Ｏ　≤７　流动清水　ｌ～３　要求　四氯化碳、　ＮａＯＨ　ＨＮＯ３　４０～６Ｏ　清水　低温干燥　磷酸三钠　

表２焊接参数　板材　焊丝　钨极　预热　焊接　氩气　喷嘴　厚度　直径　直径　温度　电流　流量　孔径　／ｍｍ　／℃　／Ａ　／Ｌ·ｒａｉｎ一　

２　２～２．５　２～３　８０～１００　８～ｌ２　８～１２　５．焊缝检漏　根据探测器孔道要在水中使用的实际需求，制造完　成的孔道必须对焊缝接头进行检漏试验，目的是检查焊　缝的致密性及焊缝中存在的微小缺陷是否会影响到焊缝　

防水密封能。　利用工装对孔道充气，冲入０．２—０．３ＭＰａ压力，将　焊缝接头沉入水中保压１０～１５ｒａｉｎ，检查焊缝接头处有　无气泡溢出。　四、结语　在对６０６１铝合金材料焊接特性分析的基础上，合理　制定焊接工艺，保证了焊接接头的质量，满足探测器孔　道使用要求，也为类似铝合金材料焊接提供了较好的借　鉴作用。ＭＷ　

参磊　工．￣，Ｊｊｎ－ｒ　（２０１００１１１）