鋁及鋁鎂合金管道焊接工藝

1、目錄一、緒 論21.1鋁合金的分類(lèi)、成分和性能21.2鋁合金的焊接性特點(diǎn)4三、純鋁及鋁鎂合金管道的焊接特點(diǎn)5四、鋁及鋁鎂合金的焊接方法和材料選用54.1鋁合金的焊接方法54.2鋁用焊接材料8五、鋁鎂合金管道的施工工藝10六、鋁鎂合金管道常見(jiàn)的焊接缺陷及防止措施11七、參考文獻(xiàn)12一、緒 論鋁合金具有良好的耐蝕性、較高的比強(qiáng)度和導(dǎo)熱性以及在低溫下能保持良好力學(xué)性能等特點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、電工、化工、交通運(yùn)輸、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)被廣泛地應(yīng)用。掌握鋁合金的焊接性特點(diǎn)、焊接操作技術(shù)、接頭質(zhì)量和性能、缺陷的形成及防止措施等，對(duì)正確制定鋁合金的焊接工藝，獲得良好的接頭性能和擴(kuò)大鋁合金的應(yīng)用范圍具有十分重要的

2、意義。1.1鋁合金的分類(lèi)、成分和性能（1）鋁合金的分類(lèi)鋁合金可分為變形鋁合金、鑄造鋁合金。變形鋁合金是指經(jīng)不同的壓力加工方法制成的板、帶、管、型、條等半成品材料；鑄造鋁合金以合金鑄錠供應(yīng)。鋁合金分類(lèi)狀態(tài)示意見(jiàn)圖1-1。鋁合金的分類(lèi)及性能特點(diǎn)見(jiàn)表1-1。表1.1 鋁合金的分類(lèi)及性能特點(diǎn)分類(lèi)合金名稱(chēng)合金系性能特點(diǎn)示例變形鋁合金非熱處理強(qiáng)化鋁合金防銹鋁Al-Mn抗蝕性、壓力加工性與焊接性能好，但強(qiáng)度較低3A21Al-Mg5A05熱處理強(qiáng)化鋁合金硬鋁Al-Cu-Mg力學(xué)性能高2A11,2A12超硬鋁Al-Cu-Mg-Zn硬度強(qiáng)度最高7A04,7A09鍛鋁Al-Mg-Si-Cu鍛造性能好耐熱性能好2A1

3、4,2A50Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A70,2A80鑄造鋁合金簡(jiǎn)單鋁硅合金Al-Si鑄造性能好，不能熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能較低ZL102特殊鋁硅合金Al-Si-Mg鑄造性能良好，可熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能較高ZL101Al-Si-CuZL107Al-Si-Mg-CuZL105,ZL110Al-Si-Mg-Cu-NiZL109鋁銅鑄造合金Al-Cu耐熱性好，鑄造性能與抗蝕性差ZL201鋁鎂鑄造合金Al-Mg力學(xué)性能高，抗蝕性好ZL301鋁鋅鑄造合金Al-Zn能自動(dòng)淬火，宜于壓鑄ZL401鋁 稀 土 鑄 造合金Al-Re耐 熱 性 能 好（2）鋁合金的性能鋁合金的物理性能見(jiàn)表1.2。表1.2 鋁合

4、金的物理性能合 金密 度/g·cm-1比 熱 容（100）/J·kg-1·K-1熱 導(dǎo)率（25）/W·m-1·K-1線(xiàn) 脹 系 數(shù)（20100）/10-6K-1電 阻 率（20）/10-6·m備 注（原 牌 號(hào)）3A215A035A062A122A166A022A107A042.732.672.642.782.842.702.802.851009880921921880795836180.0146.5117.2117.2138.2175.8159.1159.123.223.523.722.722.623.522.523.13.454.

5、966.735.796.103.704.304.20防 銹 鋁LF21防 銹 鋁LF3防 銹 鋁LF6硬 鋁LY12硬 鋁LY16鍛 鋁LD2鍛 鋁LD10超 硬 鋁LC41.2鋁合金的焊接性特點(diǎn)鋁合金熔化焊時(shí)有如下困難和特點(diǎn)：（1）鋁和氧的親和力很大，因此在鋁及鋁合金表面總有一層難熔的氧化鋁膜遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋁的熔點(diǎn)，這層氧化膜不溶于金屬并且妨礙被熔融填充金屬潤(rùn)濕。在焊接或釬焊過(guò)程中應(yīng)將氧化膜清除或破壞掉。（2）熔焊時(shí)，鋁合金的焊接性首先體現(xiàn)在抗裂性上。在鋁中加入銅、錳、硅、鎂、鋅等合金元素可獲得不同性能的合金，各種合金元素對(duì)鋁合金焊接裂紋的影響不同。（3）鋁合金的固態(tài)和液態(tài)色澤不易區(qū)別，焊接操作時(shí)

6、難以控制熔池溫度。（4）焊后焊縫易產(chǎn)生氣孔，焊接接頭區(qū)易發(fā)生軟化。對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接，可以用多種不同的焊接方法，表1.3所列的為部分鋁合金的相對(duì)焊接性。表1.3 部分鋁合金的相對(duì)焊接性焊接方法焊 接 性 與 適 用 范 圍說(shuō) 明鋁 錳 合 金鋁 鎂 合 金鋁 銅 合 金適 用 厚 度30033004508350565052545420142024推 薦可 用TIG焊（手工、自動(dòng)）很 好很 好很 好很 差1100.925填 絲 或 不填 絲，厚 板 需 預(yù)熱，交 流 電 源MIG焊（手工、自動(dòng)）很 好很 好很 好較 差84焊 絲為電極，厚 板 需 預(yù) 熱 和保 溫，直 流 反 接脈 沖MIG焊（手

7、工、自動(dòng)）很 好很 好很 好較 差21.68適 用 于 薄 板 焊 接氣 焊很 好很 差較 差很 差0.5100.325適 用 于 薄 板 焊 接焊 條 電 弧 焊較 好很 差較 差很 差38直 流 反 接，需 預(yù) 熱，操 作 性差電 阻 焊（點(diǎn)焊、縫焊）較 好很 好 很 好較 好0.730.14需 要 電 流 大等 離 子 弧 焊很 好很 好很 好較 差110焊 縫 晶 粒 小，抗 氣 孔 性能好電 子 束 焊很 好很 好很 好較 好3753焊 接 質(zhì) 量 好，適 用于 厚 件三、純鋁及鋁鎂合金管道的焊接特點(diǎn)鋁鎂合金熔點(diǎn)低，約為500左右，但鋁鎂合金在高溫下很容易在空氣中被氧化生成氧化鎂氧化

8、膜，覆蓋熔池，影響基本金屬與填充物金屬良好的熔合，從而在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氧化物夾渣、未熔合、氣孔等缺陷。純鋁的比重較輕，為2.7g/cm3,鋁鎂合金的比重稍微大于純鋁的比重。但氧化鎂的比重為3.2g/cm3,在焊接過(guò)程中形成的氧化鎂混雜在比重較輕的熔化的金屬液中不易排出，容易使焊縫夾渣，存在夾渣的焊縫又容易產(chǎn)電化腐蝕，同時(shí)薄壁管道焊接時(shí)由于高熔點(diǎn)氧化膜覆蓋熔池，溫度不易控制，焊縫易產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象。鋁鎂合金熔點(diǎn)低，易熔化，但其比熱和熔化熱量較大，導(dǎo)熱率大，局部加熱比較困難。焊接時(shí)，必須采用能量集中，功率大的焊接設(shè)備。當(dāng)保護(hù)氣體氬氣不純和存在水份時(shí)，鎂在焊接過(guò)程中與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化鎂和氫氣

9、。鋁鎂合金的熔池容易吸收氣體，高溫下溶入大量氣體，在焊后冷卻凝固過(guò)程中來(lái)不及排出，聚集在焊縫中形成氣孔。鋁鎂合金膨脹系數(shù)較大，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。同時(shí)在高溫下，鋁鎂合金的塑性和強(qiáng)度較低，易產(chǎn)生塌陷，給焊工掌握溫度帶來(lái)較大困難。因此在焊接過(guò)程中，施工人員一定要正確選擇焊接規(guī)范，嚴(yán)格控制施焊電流，確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。四、鋁及鋁鎂合金的焊接方法和材料選用4.1鋁合金的焊接方法鋁鎂合金的焊接方法很多，各種方法有其不同的應(yīng)用場(chǎng)合。除了傳統(tǒng)的熔焊、電阻焊、氣焊方法外，其他一些焊接方法（如等離子弧焊、電子束焊、真空擴(kuò)散焊等）也可以容易地將鋁鎂合金焊接在一起。鋁鎂合金常用焊接方法的特點(diǎn)及適用范圍見(jiàn)

10、表4.1。應(yīng)根據(jù)鋁及鋁合金的牌號(hào)、焊件厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及對(duì)焊接性的要求等選擇。表4.1 鋁合金常用焊接方法的特點(diǎn)及適用范圍焊接方法特點(diǎn)適用范圍氣焊熱功率低，焊件變形大，生產(chǎn)率低，易產(chǎn)生夾渣、裂紋等缺陷用于非重要場(chǎng)合的薄板對(duì)接焊及補(bǔ)焊等手工電弧焊接頭質(zhì)量差用于鑄鋁件補(bǔ)焊及一般修理鎢極氬弧焊焊縫金屬致密，接頭強(qiáng)度高、塑性好，可獲得優(yōu)質(zhì)接頭應(yīng)用廣泛，可焊接板厚120鎢極脈沖氬弧焊焊接過(guò)程穩(wěn)定，熱輸入精確可調(diào)，焊件變形量小，接頭質(zhì)量高用于薄板、全位置焊接、裝配焊接及對(duì)熱敏感性強(qiáng)的鍛鋁、硬鋁等高強(qiáng)度鋁合金熔化極氬弧焊電弧功率大，焊接速度快用于厚件的焊接，可焊厚度為50以下熔化極脈沖氬弧焊焊接變形小，抗氣

11、孔和抗裂性好，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)廣泛用于薄板或全位置焊，常用于厚度212的工件等離子弧焊熱量集中，焊接速度快，焊接變形和應(yīng)力小，工藝較復(fù)雜用于對(duì)接焊要求比氬弧焊更高的場(chǎng)合真空電子束焊熔深大熱影響區(qū)小，焊接變形量小接頭力學(xué)性能好用于焊接尺寸較小的焊件激光焊焊接變形小，生產(chǎn)率高用于需進(jìn)行精密焊接的焊件（1）氣焊氧乙炔氣焊火焰的熱功率低，熱量較分散，因此焊件變形大、生產(chǎn)率低。用氣焊焊接較厚的鋁焊件時(shí)需預(yù)熱，焊后的焊縫金屬不但晶粒粗大、組織疏松，而且容易產(chǎn)生氧化鋁夾雜、氣孔及裂縫等缺陷。這種方法只用于厚度范圍在0.510的不重要鋁結(jié)構(gòu)件和鑄件的焊補(bǔ)上。（2）鎢極氬弧焊這種方法是在氬氣保護(hù)下施焊，熱量比較集中

12、，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫金屬致密，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性高，在工業(yè)中獲得起來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鎢極氬弧焊用于鋁合金是一種較完善的焊接方法，但鎢極氬弧焊設(shè)備較復(fù)雜，不宜在室外露天條件下操作。（3）熔化極氬弧焊自動(dòng)、半自動(dòng)熔化極氬弧焊的電弧功率大，熱量集中，熱量影響區(qū)小，生產(chǎn)效率比手工鎢極氬弧焊可提高23倍?？梢院附雍穸仍?0以下的純鋁及鋁合金板。例如，焊接厚度30的鋁板不必預(yù)熱，只焊接正、反兩層就可獲得表面光滑、質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊縫。半自動(dòng)熔化極氬弧焊適用于定位焊縫、斷續(xù)的短焊縫及結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的焊件，用半自動(dòng)氬弧焊焊炬可方便靈活地進(jìn)行焊接，但半自動(dòng)焊的焊絲直徑較細(xì)，焊縫的氣孔敏感性較大。（4）脈沖氬弧焊1）鎢

13、極脈沖氬弧焊用這種方法可明顯改善小電流焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，便于通過(guò)調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)來(lái)控制電弧功率和焊縫成形。焊件變形小、熱影響區(qū)小，特別適用于薄板、全位置焊接等場(chǎng)合以及對(duì)熱敏感性強(qiáng)的鍛鋁、硬鋁、超硬鋁等的焊接。2）熔化極脈沖氬弧焊可采用的平均焊接電流小，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，焊件的變形及熱影響區(qū)小，生產(chǎn)率高，抗氣孔及抗裂性好，適用于厚度在210鋁合金薄板的全位置焊接。（5）電阻點(diǎn)焊、縫焊可用來(lái)焊接厚度在4以下的鋁合金薄板。對(duì)于質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品可采用直流沖擊波點(diǎn)焊、縫焊機(jī)焊接。焊接時(shí)需要用較復(fù)雜的設(shè)備，焊接電流大、生產(chǎn)率較高，特別適用于大批量生產(chǎn)的零、部件。（6）攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊是一種可用于各種合

14、金板焊接的固態(tài)連接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔焊方法相比，攪拌摩擦焊無(wú)飛濺、無(wú)煙塵，不需要添加焊絲和保護(hù)氣體，接頭無(wú)氣孔、裂紋。與普通摩擦相比，它不受軸類(lèi)零件的限制，可焊接直焊縫。這種焊接方法還有一系列其它優(yōu)點(diǎn)，如接頭的力學(xué)性能好、節(jié)能、無(wú)污染、焊前準(zhǔn)備要求低等。由于鋁及鋁合金熔點(diǎn)低，更適于采用攪拌摩擦焊。4.2鋁用焊接材料（1）焊絲采用氣焊、鎢極氬弧焊等焊接鋁合金時(shí)，需要加填充焊絲。鋁及鋁合金焊絲分為同質(zhì)焊絲和異質(zhì)焊絲兩大類(lèi)。為了得到良好的焊接接頭，應(yīng)從焊接構(gòu)件使用要求考慮，選擇適合于母材的焊絲作為填充材料。選擇焊絲首先要考慮焊縫成分要求，還要考慮產(chǎn)品的力學(xué)性能、耐蝕性能，結(jié)構(gòu)的剛性、顏色及抗裂性等。選擇

15、熔化溫度低于母材的填充金屬，可大大減小熱影響區(qū)的晶間裂紋傾向。對(duì)于非熱處理合金的焊接接頭強(qiáng)度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。含鎂3%以上的5000系的焊絲，應(yīng)避免在使用溫度65以上的結(jié)構(gòu)中采用，因?yàn)檫@些合金對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋很敏感，在上述溫度和腐蝕環(huán)境中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕龜裂。用合金含量高于母材的焊絲作為填充金屬，通常可防止焊縫金屬的裂紋傾向。目前，鋁合金常用的焊絲大多是與基體金屬成分相近的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)焊絲。在缺乏標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)焊絲時(shí)，可從基體金屬上切下狹條代用。較為通用的焊絲是HS311，這種焊絲的液態(tài)金屬流動(dòng)性好，凝固時(shí)的收縮率小，具體優(yōu)良的抗裂性能。為了細(xì)化縫晶粒、提高焊縫的抗裂性及力學(xué)

16、性能，通常在絲中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作為變質(zhì)劑。選用鋁合金焊絲應(yīng)注意的問(wèn)題如下。1）焊接接頭的裂紋敏感性 影響裂紋敏感性的直接因素是母材與焊絲的匹配。選用熔化溫度低于母材的焊縫金屬，可以減小焊縫金屬和熱影響區(qū)的裂紋敏感性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金時(shí)，選用同一合金作焊縫，裂紋敏感性很大，但用硅含量5%的ER4043焊絲，由于其熔化溫度比6061合金低，在冷卻過(guò)程中有較高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊縫金屬避免鎂與銅的組合，因?yàn)锳lMgCu有很高的裂紋敏感性。2）焊接接頭的力學(xué)性能 工業(yè)純鋁的強(qiáng)度最低，4000系列鋁合金居中，5000系列鋁合金強(qiáng)度最高。鋁硅焊絲雖然

17、有較高的抗裂性能，但含硅焊絲的塑性較差，所以對(duì)焊后需要塑性變形加工的接頭來(lái)說(shuō)，應(yīng)避免選用含硅焊絲。3）焊接接頭的使用性能 填充金屬的選擇除取決于母材成分外，還與接頭的幾何形狀、運(yùn)行中的抗腐蝕性要求以及對(duì)焊接件的外觀要求有關(guān)。例如，為了使容器具有良好的抗腐蝕能力或防止所儲(chǔ)存產(chǎn)品對(duì)其的污染，儲(chǔ)存過(guò)氧化氫的焊接容器要求高純度的鋁合金。在這種情況下，填充金屬的純度至少要相當(dāng)于母材。（2）焊條鋁合金焊條型號(hào)、規(guī)格與用途見(jiàn)表4.2。鋁合金焊條的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表4.3。表4.2 鋁及鋁合金焊條的型號(hào)（牌號(hào)）、規(guī)格與用途型號(hào)牌號(hào)藥皮類(lèi)型焊芯材質(zhì)焊條規(guī)格/用途E1100L109鹽基型純鋁3.2，4.534

18、5355焊接純鋁板、純鋁容器E3003L309鹽基型鋁錳合金3.2，4.5345355焊接鋁錳合金、純鋁、鋁鎂合金及其它合金表2.3 鋁及鋁合金焊條的化學(xué)成分和力學(xué)性能型號(hào)牌號(hào)藥皮類(lèi)型電源種類(lèi)焊芯化學(xué)成分/%熔敷金屬抗拉強(qiáng)度/MPa焊接接頭抗拉強(qiáng)度/MPaE1100L109鹽基型直流反接Si+Fe0.95,Co0.050.20Mn0.05,Be0.0008Zn0.10,其他總量0.15Al99.06480E3003L309鹽基型直流反接Si0.6,Fe0.7Cu0.050.20,Mn1.01.5Zn0.10,其他總量0.15Al余量11895（3）保護(hù)氣體焊接鋁合金的惰性氣體有氬所和氦氣。氬氣

19、的技術(shù)要求為Ar99.9%,氧0.005%，氫0.005%，水分0.02mg/L，氮0.015%。氧、氮增多，均惡化陰極霧化作用。氧0.3%，則使鎢極燒損加劇，超過(guò)0.1%使焊縫表面無(wú)光澤或發(fā)黑。鎢極氬弧焊時(shí)，交流加高頻焊接選用純氬氣，適用大厚度板；直流正極性焊接選用Ar+He或純Ar。熔化極氬弧焊時(shí)，當(dāng)板厚25時(shí)，采用純Ar。當(dāng)板厚為2550時(shí)，采用添加10%35%Ar的Ar+He混合氣體。當(dāng)板厚為5075時(shí)，宜采用添加10%35%或50%He的Ar+He混合氣體。當(dāng)板厚75時(shí)，推薦添加50%75%He的Ar+He混合氣體。五、鋁鎂合金管道的施工工藝（一）鋁鎂合金管道的施工流程施工準(zhǔn)備（焊工

20、培訓(xùn)、焊機(jī)選擇、焊材選擇等）ð管道除油ð管道下料ð坡口加工ð焊件組對(duì)ð焊接ð焊縫檢驗(yàn)ð管道系統(tǒng)試壓ð管道系統(tǒng)吹掃ð管道復(fù)位ð管道氣密性試驗(yàn)。（二）焊接工藝評(píng)定及焊工考試施工前根據(jù)焊接工藝評(píng)定編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，并對(duì)焊工進(jìn)行培訓(xùn)和考試，合格者方能施工，且不能超項(xiàng)施焊。（三）鋁鎂合金管道的坡口加工、清理和組對(duì)坡口可用銑刀、銼刀進(jìn)行加工。清理焊件的坡口及其內(nèi)外兩側(cè)的寬度不少于20mm。多層焊時(shí)，層間要用不銹鋼絲刷清理表面氧化膜，對(duì)影響下層焊接質(zhì)量的過(guò)高焊肉，弧坑和其他缺陷用銼刀除去。焊接操作過(guò)程中應(yīng)注

21、意保持焊槍、焊絲和焊件待焊部分三者之者的空間位置。焊絲與焊件之間的夾角為1020°，焊槍與焊件之間應(yīng)盡量保持垂直。輸送焊絲和焊槍的運(yùn)行速度要配合好，一般采用快送、少加焊絲的填絲方法，焊絲端部要始終處理氬氣的保護(hù)范圍之內(nèi)，防止氧化膜形成。焊接施工環(huán)境條件：環(huán)境溫度不低于5。相對(duì)濕度在80%以?xún)?nèi)焊接區(qū)域應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，使其不受風(fēng)、雨、雪的侵襲。施工時(shí)注意事項(xiàng)：施工現(xiàn)場(chǎng)要保持清潔。焊前要仔細(xì)檢查焊件，焊絲表面的清理情況及焊機(jī)的控制線(xiàn)路、水路、電路系統(tǒng)的工作情況。嚴(yán)禁在管道表面任意引弧，焊接前在引弧板上試焊，測(cè)定提前送氬氣。六、鋁鎂合金管道常見(jiàn)的焊接缺陷及防止措施（1）氣孔形成原因: 焊接前, 焊絲或母材坡口附近沒(méi)有清理干凈；焊接時(shí), 氬氣流量小, 噴咀內(nèi)不干凈或有水汽; 焊速過(guò)快, 氬氣不純, 鎢極伸出過(guò)長(zhǎng)。防止措施: 焊絲, 坡口要清理干凈, 妥善保管,噴咀在焊前吹干凈。保證氬氣純度, 正確選擇焊接規(guī)范, 焊前應(yīng)將氬氣管內(nèi)的空氣排盡, 填充焊絲要穩(wěn)準(zhǔn),避免攪亂氣流, 帶入空氣。正確調(diào)整