铝及铝合金焊接工艺研究

铝及铝合金焊接工艺研究

苏振龙、姜剑、郝涛涛

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛，266111

摘要：本研究深入探讨了铝及铝合金的焊接工艺，并得出了一系列有价值的结论。未来，铝及铝合金焊接将朝着自动化、智能化方向发展，同时新型高效、环保的焊接方法及材料将不断涌现。通过优化焊接工艺，可以降低焊接应力和变形，提高焊接质量和效率，为相关行业的创新发展提供有力支持。

关键词：铝合金；材料焊接；焊接工艺

铝及铝合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀、易加工、无低温脆性和无磁性等优点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中。但由于铝合金为有色金属，与黑色金属相比有其独特的物理和化学性质，在焊接过程中会产生一系列的困难，如表面易产生熔点较高的氧化膜，焊接时容易造成焊缝夹渣；焊接过程中容易产生气孔；铝合金的导热率高，焊接时容易造成焊缝下榻；焊接接头容易软化等。因此，在焊接铝合金时必须采取适当的工艺措施，才能保证焊接质量。

1铝及铝合金的焊接性分析

1.1铝合金的氧化和吸附性

铝合金的焊接性首先受到其表面氧化膜的影响。铝是一种化学性质非常活泼的金属，当它与空气中的氧气接触时，会迅速在其表面形成一层致密的氧化铝薄膜。这层氧化膜的熔点高达2050℃，远高于纯铝的熔点660℃和铝合金的一般熔点范围（约450℃至640℃）。因此，在焊接过程中，如果未能有效去除氧化膜，它将阻碍焊缝金属与母材的熔合，导致焊接接头强度降低，甚至产生夹渣、未熔合等焊接缺陷。

此外，铝合金表面还容易吸附大气中的水分、油污和其他杂质。这些吸附物在焊接时可能分解产生气体，如果气体无法及时逸出焊缝，就会形成气孔，严重影响焊缝的致密性和力学性能。例如，当铝合金表面吸附的水分含量超过0.02%时，焊接时产生气孔的概率将显著增加。

1.2铝合金的导热性和热膨胀性

铝合金的导热性能非常优异，其导热系数约为钢的4倍，比热容也相对较高。这意味着在焊接过程中，铝合金能够迅速传导并分散焊接热量，导致焊接接头的温度梯度增大，热影响区变宽。为了获得良好的焊缝成形和熔深，焊接时需要提供更高的热输入，这增加了焊接操作的难度和能源消耗。

同时，由于铝合金具有较高的热膨胀系数，约为钢的2倍，焊接过程中会产生较大的热应力和变形。如果焊接工艺不当或焊接顺序不合理，很容易导致焊接结构产生翘曲、扭曲等变形缺陷，甚至引起焊接裂纹的产生。

1.3铝合金的焊接接头软化

铝合金在焊接过程中经历升温、降温等热循环过程，其焊缝及热影响区组织与性能均会发生改变。尤其对6系铝合金进行热处理强化时，热影响区强化相固溶或粗化，造成接头硬度和强度下降，即“软化”现象。以6061铝合金为例，其焊缝硬度可降至母材硬度的50%~70%。

这一软化现象将显著降低接头的力学性能与耐蚀性，进而影响其服役性能与安全。为缓解这一软化现象，可采取预热、控制线能量和焊接后热处理等焊接工艺措施。同时，选用适当的焊接方法及焊补材料对提高铝合金焊接头的综合性能具有重要意义。

2铝及铝合金的焊接工艺要点

2.1焊前准备

焊前准备是确保铝合金焊接质量的关键步骤。在这一阶段，主要目的是彻底清除铝合金表面的油污、氧化膜和其他杂质，为后续的焊接过程提供一个清洁、无污染的表面。

对于油污的清理，可以使用有机溶剂（如丙酮、酒精）进行擦拭，确保表面油脂含量低于0.01%。对于氧化膜的去除，常用的方法是化学清洗，使用酸或碱溶液对铝合金表面进行处理。例如，使用10%-15%的硝酸溶液在室温下浸泡5-10分钟，可以有效去除铝合金表面的氧化膜。此外，机械清理也是一种有效的方法，可以使用砂纸、钢丝刷等工具对铝合金表面进行打磨，直至露出金属光泽。打磨后的表面粗糙度应控制在Ra0.8-1.6μm范围内。

2.2焊接方法的选择

选择合适的焊接方法对铝合金焊接具有重要意义。熔化气体保护焊（MIG）是一种广泛使用的焊接方法，适用于厚度大于3mm的铝合金板。在MIG焊接过程中，焊丝被送入焊接区域，并通过氩气和氦气等保护气体保护其免受大气污染。为确保焊接过程稳定，焊缝成形良好，应根据板厚和焊丝直径适当选择焊接电流和电压。例如，当6061铝合金板的厚度为6毫米时，焊接电流可以设置为180-220安培，电压可以设置为20-24V。钨极惰性气体（TIG）焊接是另一种常用的焊接方法，特别适用于焊接薄板和重要部件。这种方法使用钨电极作为电极来产生电弧并将基材与焊丝熔接。同时，使用氩气作为保护气体来保护焊缝。焊接薄板时，为了避免烧穿和变形，应适当降低焊接电流和速度。例如，当5052铝合金板的厚度为2毫米时，可以将焊接电流设置为80-120安培，并且可以将焊接速度控制为每分钟15-25厘米。电阻点焊技术在铝合金板的焊接中具有很高的效率和效率。在点焊过程中，电极用于向板施加压力和电，电阻用于加热和熔化接触点，形成焊点。为了保证焊点的质量和强度，应根据板材的厚度和材料选择合适的点焊工艺参数（焊接电流、焊接时间、电极压力）。

2.3焊接参数的控制

在铝合金的焊接过程中，严格控制焊接参数是确保焊缝质量和焊接效率的关键。除了上述提到的焊接电流、电压和焊接速度外，送丝速度也是一个重要的参数。送丝速度应与焊接速度相匹配，以保持稳定的焊接过程和良好的焊缝成形。例如，在MIG焊接过程中，当焊接速度增加时，应适当提高送丝速度以保持焊缝的填充量。此外，对于铝合金的焊接还应特别注意保护气体的选择和流量控制。保护气体应选用纯度高的氩气或氦气，以防止焊缝受到空气污染。保护气体的流量应适中，既要确保焊缝得到充分保护，又要避免气体流量过大导致焊缝冷却过快而产生裂纹。

2.4焊后处理

焊后处理是确保铝合金焊接接头质量和性能的最后一道工序。在焊接完成后，应对焊缝进行清理和检查。清理工作包括去除焊缝表面的残渣和飞溅物，可以使用钢丝刷或砂纸进行打磨。检查工作包括对焊缝进行无损检测（如X射线检测、超声波检测）或破坏性检测（如拉伸试验、弯曲试验），以确保焊缝质量符合要求。对于需要改善焊接接头性能的情况（如消除残余应力、提高接头强度），可以采取焊后热处理措施。常用的焊后热处理方法包括退火、固溶处理和时效处理等。退火处理可以消除焊接过程中产生的残余应力；固溶处理可以使焊缝中的强化相重新溶解到基体中，提高接头的强度和硬度；时效处理则可以使焊缝中的强化相析出并弥散分布，进一步提高接头的力学性能。具体的热处理工艺参数（如温度、时间和冷却速度）应根据铝合金的材质和焊接要求进行确定。

3铝及铝合金焊接的未来发展

展望今后，铝及铝合金的焊接工艺将继续向自动化和智能化方向发展。随着科技的发展，新型焊接工艺将不断涌现，既具有效率高、环境友好、成本低廉等特点，又能适应铝合金材料与结构的多元化要求。通过本项目的实施，有望在焊接材料研究上有所突破，为改善焊接接头的综合性能、抗腐蚀能力提供新思路。在此基础上，持续优化焊接工艺，降低焊缝应力与变形，实现焊缝整体性能的整体提升。上述三个方面的研究成果将促进铝及铝合金焊接技术的进一步发展，并为相关产业的创新发展注入强劲的推动力。

4结语

本研究深入探讨了铝及铝合金的焊接工艺，得出以下重要结论：焊前彻底清理铝合金表面油污和氧化膜对提升焊接质量至关重要；熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊和电阻点焊等方法在不同应用场景下各有优势；优化焊接参数和保护气体流量可显著提升焊缝质量和力学性能。这些结论为铝合金焊接工艺的改进和相关领域的技术创新提供了有力支撑和有益参考。

参考文献：

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