一文了解铝合金的焊接方法和材料选用

铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。

铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表1。应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。

（1）气焊

氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。这种方法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。

（2）钨极氩弧焊

这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。

（3）熔化极氩弧焊

自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍。可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。例如，焊接厚度30㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。

（4）脉冲氩弧焊

1）钨极脉冲氩弧焊

用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。

2）熔化极脉冲氩弧焊

可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。

（5）电阻点焊、缝焊

可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。

（6）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。

铝用焊接材料

（1）焊丝

采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。为了得到良好的焊接接头，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材料。

选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能，结构的刚性、颜色及抗裂性等。选择熔化温度低于母材的填充金属，可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向。对于非热处理合金的焊接接头强度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。

含镁3%以上的5000系的焊丝，应避免在使用温度65℃以上的结构中采用，因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感，在上述温度和腐蚀环境中会发生应力腐蚀龟裂。用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可防止焊缝金属的裂纹倾向。

目前，铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的标准牌号焊丝。在缺乏标准牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。较为通用的焊丝是HS311，这种焊丝的液态金属流动性好，凝固时的收缩率小，具体优良的抗裂性能。为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作为变质剂。

选用铝合金焊丝应注意的问题如下：

1）焊接接头的裂纹敏感性 

影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配。选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，

但用硅含量5%的ER4043焊丝，由于其熔化温度比6061合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为Al－Mg－Cu有很高的裂纹敏感性。

2）焊接接头的力学性能  

工业纯铝的强度最低，4000系列铝合金居中，5000系列铝合金强度最高。铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。

3）焊接接头的使用性能  

填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。在这种情况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。

（2）焊条

铝合金焊条型号、规格与用途见表2。铝合金焊条的化学成分和力学性能见表3。

（3）保护气体

焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气。氩气的技术要求为Ar＞99.9%,氧＜0.005%，氢＜0.005%，水分＜0.02mg/L，氮＜0.015%。氧、氮增多，均恶化阴极雾化作用。氧＞0.3%，则使钨极烧损加剧，超过0.1%使焊缝表面无光泽或发黑。

钨极氩弧焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚度板；直流正极性焊接选用Ar He或纯Ar。

熔化极氩弧焊时，当板厚＜25㎜时，采用纯Ar。当板厚为25～50㎜时，采用添加10%～35%Ar的Ar He混合气体。当板厚为50～75㎜时，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar He混合气体。当板厚＞75㎜时，推荐添加50%～75%He的Ar He混合气体。

铝合金焊接工艺

1  铝合金的气焊

氧－乙炔气焊的热效率低，焊接热输入不集中，焊接铝及铝合金时需采用熔剂，焊后又需清除残渣，接头质量及性能也不高。因为气焊设备简单，无需电源，操作方便灵活，常用于焊接对质量要求不高的铝合金构件，如厚度较薄的薄板及小零件，以及补焊铝合金构件和铝铸件。

（1）气焊的接头形式

气焊铝合金时，不宜采用搭接接头和T形接头，这种接头难以清理流入缝隙中的残留熔剂和焊渣，应尽可能采用对接接头。为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿，可以采用带槽的垫板，垫板一般用不锈钢或纯铜等制成，带垫板焊接可获得良好的反面成形，提高焊接生产率。

（2）气焊熔剂的选用

铝合金气焊时，为了使焊接过程顺利进行，保证焊缝质量，气焊时需要加熔剂来去除铝表面的氧化膜及其他杂质。

气焊熔剂（又称气剂）是气焊时的助熔剂，主要作用是去除气焊过程中生成在铝表面的氧化膜，改善母材的润湿性能，促使获得致密的焊缝组织等。气焊铝合金必须采用熔剂，一般是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊丝上加入熔池内。

铝合金熔剂是钾、钠、钙、锂等元素的氯人盐，是粉碎后过筛并按一定比例配制的粉状化合物。例如铝冰晶石（Na3AlF6）在1000℃进可以熔解氧化铝，又如氯化钾等可使难熔的氧化铝转变为易熔的氯化铝。这种熔剂的熔点低，流动性好，还能改善熔化金属的流动性，使焊缝成形良好。

（3）焊嘴和火焰的选择

铝合金有强烈的氧化性和吸气性。气焊时，为使铝不被氧化，应采用中性焰或微弱碳化焰（乙炔既过剩的碳化焰），使铝熔池置于还原性气氛的保护下而不被氧化。严禁采用氧化焰，因为用氧化性较强的氧化焰会使铝强烈氧化，阻碍焊接过程进行；而乙炔过多，游离的氢可能溶入熔池，会促使缝产生气孔，使焊缝疏松。

（4）定位焊缝

为防止焊件在焊接中产生尺寸和相对位置的变化，焊件焊前需要点固焊。由于铝的线膨胀系数大、导热速度快、气焊加热面积大，因此，定位焊缝较钢件应密一些。

定位焊用的填充焊丝与产品焊接时相同，定位焊接前应在焊缝间隙内涂一层气剂。定位焊的火焰功率比气焊时稍大。

（5）气焊操作

焊接钢铁材料时，可以从钢材的颜色变化判断加热的温度。但焊铝时，却没有这个方便条件。因为铝合金从室温加热到熔化的过程中没有颜色的明显变化，给操作者带来控制焊接温度困难。但可根据以下现象掌握施焊时机：

1）当被加热的工件表面由光亮白色变成暗淡的银白色，表面氧化膜起皱，加热处金属有波动现象时，表明即将达到熔化温度，可以施焊；

2）用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处，焊丝与母材能熔合时，即达到熔化温度，可以施焊；

3）母材边棱有倒下现象时，母材达到熔化温度，可以施焊。

气焊薄板可采用左焊法，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因火焰指向未焊的冷金属，热量散失一部分，有利于防止熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，热量损失小，熔深大，加热效率高。

气焊厚度小于3㎜的薄件时，焊炬倾角为20～40°；气焊厚件时，焊炬倾角为40～80°，焊丝与焊炬夹角为80～100°。铝合金气焊应尽量将接头一次焊成，不堆敷第二层，因为堆敷第二层时会造成焊缝夹渣等。

（6）焊后处理

气焊焊缝表面的残留焊剂和熔渣对铝接头的腐蚀，是铝接头日后使用中引起损坏的原因之一。在气焊后1～6h之内，应将残留的熔剂、熔渣清洗掉，以防引起焊件腐蚀。焊后清理工序如下。

1）焊后将焊件放入40～50℃的热水槽中浸渍，最好用流动的热水，用硬毛刷刷焊缝及焊缝附近残留熔剂、熔渣的地方，直至清除干净。

2）将焊件浸入硝酸溶液中。当室温为25°以上时，溶液浓度15%～25%，浸渍时间为10～15min。室温为10～15℃时，溶液浓度20%～25%，浸渍时间为15min。

3）将焊件置于流动热水（温度为40～50℃）的槽中浸渍5～10min。

4）用冷水将焊件冲洗5min。

5）将焊件自然晾干，也可放在干燥箱中烘干或用热空气吹干。

2  铝合金的钨极氩弧焊（TIG焊）

也称为钨极惰性气体保护电弧焊，是利用钨极与工件之间形成电弧产生的大量热量熔化待焊处，外加填充焊丝获得牢固的焊接接头。氩弧焊焊铝是利用其“阴极雾化”的特点，自行去除氧化膜。钨极及缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽保护，防止焊缝区和周围空气的反应。

TIG焊工艺最适于焊接厚度小于3㎜的薄板，工件变形明显小于气焊和手弧焊。交流TIG焊阴极具有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔剂，避免了焊后残留熔剂、熔渣对接头的腐蚀。接头形式可以不受限制，焊缝成形良好、表面光亮。

氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织和性能，适于全位置焊接。由于不用熔剂，焊前清理的要求比其他焊接方法严格。

焊接铝合金较适宜的工艺方法是交流TIG焊和交流脉冲TIG焊，其次是直流反接TIG焊。通常，用交流焊接铝合金时可在载流能力、电弧可控性以及电弧清理作用等方面实现最佳配合，故大多数铝合金的TIG焊都采用交流电源。

采用直流正接（电极接负极）时，热量产生于工件表面，形成深熔透，对一定尺寸的电极可采用更大的焊接电流。即使是厚截面也不需预热，且母材几乎不发生变形。虽然很少采用直流反接（电极接正极）TIG焊方法来焊接铝，但这种方法在连续焊或补焊薄壁热交换器、管道厚在2.4㎜以下的类似组件时有熔深浅、电弧容易控制、电弧有良好的净化作用等优点。

（1）钨极

钨的熔点是3410℃，是熔点最高的金属。钨在高温时有强烈的电子发射能力，在钨电极加入微量稀土元素钍、铈、锆等的氧化物后，电子逸出功显著降低，载流能力明显提高。铝合金TIG焊时，钨极作为电极主要起传导电流、引燃电弧和维持电弧正常燃烧的作用。常用钨极材料分纯钨、钍钨及铈钨等。

（2）焊接工艺参数

为了获得优良的焊缝成形及焊接质量，应根据焊件的技术要求，合理地选定焊接工艺参数。铝合金手工TIG焊的主要工艺参数有电流种类、极性和电流大小、保护气体流量、钨极伸出长度、喷嘴至工件的距离等。自动TIG焊的工艺参数还包括电弧电压（弧长）、焊接速度及送丝速度等。

工艺参数是根据被焊材料和厚度，先确定钨极直径与形状、焊丝直径、保护气体及流量、喷嘴孔径、焊接电流、电弧电压和焊接速度，再根据实际焊接效果调整有关参数，直至符合使用要求为止。

铝合金TIG焊工艺参数的选用要点如下。

1）喷嘴孔径与保护气体流量

铝合金TIG的喷嘴孔径为5～22㎜；保护气体流量一般为5～15L/min。

2）钨极伸出长度及喷嘴至工件的距离

钨极伸出长度：对接焊缝时一般为5～6㎜，角焊缝时一般为7～8㎜。喷嘴至工件的距离一般取10㎜左右为宜。

3）焊接电流与焊接电压 与板厚、接头形式、焊接位置及焊工技术水平有关。

手工TIG焊时，采用交流电源，焊接厚度小于6㎜铝合金时，最大焊接电流可根据电极直径d按公式I=（60～65）d确定。电弧电压主要由弧长决定，通常使弧长近似等于钨极直径比较合理。

4）焊接速度

铝合金TIG焊时，为了减小变形，应采用较快的焊接速度。手工TIG焊一般是焊工根据熔池大小、熔池形状和两侧熔合情况随时调整焊接速度，一般的焊接速度为8～12m/h;自动TIG焊时，工艺参数设定之后，在焊接过程中焊接速度一般不变。

5）焊丝直径

一般由板厚和焊接电流确定，焊丝直径与两者之间呈正比关系。

1）气孔产生原因

氩气纯度低或氩气管路内有水分、漏气等；焊丝或母材坡口附近焊前未清理干净或清理后又被污物、水分等沾污；焊接电流和焊速过大或过小；熔池保护欠佳，电弧不稳，电弧过长，钨极伸出过长等。

防止措施

保证氩气的管路，选择认真清理焊丝、焊件，清理后及时焊接，并防止再次污染。更新送气管路，选择合适的气体流量，调整好钨极伸出长度；正确选择焊接工艺参数。必要时，可以采取预热工艺，焊接现场装挡风装置，防止现场有风流动。

2）裂纹产生原因

焊丝合金成分选择不当；当焊缝中的镁含量小于3%，或铁、硅杂质含量超出规定时，裂纹倾向增大；焊丝的熔化温度偏高时，会引起热影响区液化裂纹；结构设计不合理，焊缝过于集中或受热区温度过高，造成接头拘束应力过大；高浊停留时间长，组织过热；弧坑没填满，出现弧坑裂纹等。

防止措施

所选焊丝的成分与母材要匹配；加入引弧板或采用电流衰减装置填满弧坑；正确设计焊接结构，合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处，选择合适的焊接顺序；减小焊接电流或适当增加焊接速度。

3）未焊透产生原因

焊接速度过快，弧长过大，焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过小，钝边过大；工件坡口边缘的毛刺、底边的污垢焊前没有除净；焊炬与焊丝倾角不正确。

防止措施

正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接工艺参数；加强氧化膜、熔剂、熔渣和油污的清理；提高操作技能等。

4）焊缝夹钨产生原因

接触引弧所致；钨极末端形状与焊接电流选择得不合理，使尖端脱落；填丝触及到热钨极尖端和错用了氧化性气体。

防止措施

采用高频高压脉冲引弧；根据选用的电流，采用合理的钨极尖端形状；减小焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极伸出长度；更新惰性气体；提高操作技能，勿使填丝与钨极接触等。

5）咬边产生原因

焊接电流太大，电弧电压太高，焊炬摆幅不均匀，填丝太少，焊接速度太快。

防止措施

减小焊接电流与电弧电压，保持焊炬摆幅均匀，适当增加送丝速度或降低焊接速度。

3 铸件常规补焊工艺

通常的铝合金铸件缺陷均可以采用氩弧焊接工艺进行补焊挽救,而以交流TIG焊方法补焊效果为佳。

采用补焊工艺实施铸件缺陷补焊时,除了以上提到的一般做法如焊前注意清理焊丝和工件待焊部位,选用合理的焊丝材料,选择短弧和小角度焊丝加入方式进行施焊等要点之外,在实践中针对不同缺陷类型还有许多成功的经验值得借鉴,如尽量选用小电流施焊;

选用补焊时的焊丝合金成分高于母材,以便在补焊过程中补充烧损合金,使焊缝成分与母材保持一致;对带有裂纹缺陷的铸件补焊前在两端打止裂孔;焊接时应首先加热待焊部位,采用左焊法填丝,以利于观察焊缝的熔化情况,待施焊处熔化后再行填丝以形成充分润湿的熔池;

当缺陷尺寸较大时为了提高补焊效率,可在传统TIG焊前将很薄的一层表面活性剂(简称ATIG活性剂)涂敷在施焊位置表面,焊接时活性剂引起焊接电弧收缩或熔池内金属流态发生变化,使得焊缝熔深增加,在进行铝合金交流TIG焊时,是在焊缝表面涂敷一层SiO2活性剂以改变焊缝熔深、减少预热程序和降低焊接难度。

6结束语

铝合金的焊接和补焊通常可采用方便和低成本的TIG和MIG氩弧焊方法。当采用高能束流焊和搅拌摩擦焊等铝合金焊接新工艺时,可以有效避免合金元素烧损、接头软化和焊接变形等问题,尤其是搅拌摩擦焊为固相连接具有绿色环保的特点。

常规补焊方法用于铝合金铸件缺陷补焊时,为避免焊接缺陷,应注意焊前清理、选配合理的焊丝填料和正确的焊接工艺规范,通常宜选用交流TIG补焊。

在铸件缺陷情况特殊和条件具备时,可以结合实际采用特种补焊方法,以便提高铝合金铸件的补焊质量。

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