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1、铝合金焊接知识铝合金焊接知识铝合金焊接知识 2007-07-21 17:09 在实际生产中 ,为了进一步改善铝合金的表面性能 ,通常采用阳极氧化的方法使其表面能生成膜质坚硬、耐磨性和耐蚀性好的 Al2 O3 氧化膜。然而 ,这种表面致密的氧化膜将给其焊接加工带来很大困难 ,如未能及时将其清除 ,焊接时不仅易产生电弧不稳定、焊不透等现象 ,还将会严重影响基体金属的熔化质量 ,使焊缝表面成形不好 ,易在焊缝金属中形成夹杂、气孔等缺陷 ,严重降低接头性能。此外 ,铝合金焊接时通常还存在接头强度降低等问题。基于此 ,本文对表面阳极化铝型材的焊接工艺进行研究 ,以期解决焊接过程中出现的问题。1 试验材料
2、及方法试验中所用母材为表面经过阳极氧化处理的铝型材 ,氧化膜厚约为 30m,基体为纯 Al。具体的试验方法及步骤为 :焊前分别采用机械清理 1) 和化学清理 2 ) 两种方法清除母材表面阳极化所形成的氧化膜 ,随即进行施焊 ;分别选用 Al- Si 焊丝和纯 Al 焊丝 (其成分和性能见表 1)作为填充材料 ,在 NSA- 40 0 型手工交流钨 1 )机械清理 :利用锉刀及砂纸对试样表面进行机械清理。2 )化学清理 :先用浓度为 30 40 g/ L 的 Na OH 溶液去除氧化膜 (温度 60 70 ,时间约 30 min) ;然后用清水冲洗 ,再用浓度为 1 0 ml/ L 的 HNO3
3、 溶液进行出光处理 (室温 ,时间 3 5 min) ,最后用热清水冲洗干净。极氩弧焊机上进行接头试样的焊接。用 HXS- 10 0 0 A 型显微硬度计测定接头部位显微硬度 ,加载砝码为 10 0 g,时间 15 s。用线切割法把焊接试样加工成标准板状拉伸试样 (接头有效承载截面为 10 mm 4 mm) ,在 WDW- 10 0 型微机控制万能电子试验机上进行接头拉伸实验 ;采用 XJG- 0 4 A 型光学显微镜观察接头显微组织 ,拍摄有关组织和形貌照片。表 1 焊丝成分及性能焊丝牌号抗拉强度 / MPa 化学成分 (质量分数 ,% )纯 Al 焊丝 HS30 1 63 Si 0 .3,
4、Fe 0 .3,Al 99.5Al- Si 焊丝 HS31 1 1 1 7Si4.5 5.0 ,Fe 0 .6,Al 余量 试样尺寸为 5 0 mm 5 0 mm 4 mm。采用对接接头 (预留间隙 1.5 2 mm) ,双面施焊。焊接时先在引弧板上引弧 ,然后再将电弧移向试样进行焊接 ,最后在收弧板上收弧。接头焊接工艺参数见表 2。表 2 接头焊接工艺参数焊接电流/ A 焊接速度/ mm s- 1 钨极直径/ mm 氩气流量/ L min- 1 喷嘴孔径/ mm 焊丝直径/ mm1 50 3.2 3 1 0 1 4 32 试验结果及分析 2 .1 接头宏观形貌接头的表面宏观形貌如图 1 所示
5、。可以看出 ,在两种预处理条件下 ,采用 Al- Si 焊丝焊接获得的接头焊缝表面都成形良好 ,未见有微裂纹、气孔和夹杂等缺陷 ,如图 1(a)、(b)所示 ;而采用纯 Al 焊丝获得的焊缝表面成形都相对较差 ,特别是采用化学清理得到的接头试样还存在纵向结晶裂纹 (在靠近收弧处 )及弧坑裂纹 ,如图 1(c)、(d)所示。2 .2 接头性能图 2 所示为用 Al- Si 焊丝焊接所得接头的显微硬度曲线 (测量点之间的间隔约为 0 .2 5 mm,每个测量点均测量三次 ,取其平均值 )。可看出 ,在两种表面预处理工艺条件下 ,得到的接头显微硬度值比较接近。说明两种预处理工艺都可行 ,在实际生产中
6、可根据零件结构具体情况灵活掌握。如果是长规则焊缝 ,为提高生产率可采用化学清理 ,对于短的或局部的以及形状不规则的焊缝则可采用机械清理。图 1 接头表面宏观形貌 4 图 2 用 Al- Si 焊丝焊接接头的显微硬度曲线表 3 为母材及用 Al- Si 焊丝焊接所得接头的拉伸实验结果。可看出 ,在两种表面预处理条件下接头的抗表 3 母材及用 Al- Si 焊丝焊接接头的抗拉强度 (MPa)试样编号 1 2 3 平均值母材 89.6 93.2 91 .991 .6 机械清理 91 .7 92 .3 92 .8(断在母材上 ) 92 .3 化学清理 90 .0 89.5 91 .4 90 .3拉强度
7、值都与母材的基本接近 ,采用机械清理的接头的抗拉强度值甚至比母材的还略高。分析其原因可能是由于所加的填充材料 (Al- Si 焊丝 )本身的抗拉强度值比母材的要高一些以及焊接过程中接头金属经过高温热循环产生了局部热处理效应所致。2 .3 金相组织 图 3 是各接头过渡区的显微组织 (图中下部为母材 ,上部为焊缝金属区 )。可看出 ,采用 Al- Si 焊丝施焊获得的接头焊缝组织致密 ,过渡区结合良好 ,焊缝金属及熔合线部位未发现有气孔、夹杂和微裂纹等缺陷 ;而采用纯 Al 焊丝施焊得到的接头在熔合线及焊缝金属部位发现有微量的小气孔及未熔夹杂物 ,分析其原因可能是采用纯 Al 焊丝焊接时 ,熔池
8、金属在冷却结晶过程中 ,由于纯铝的导热性及热膨胀系数较大 ,因而收缩较大 ,而且焊接过程中吸附的气体来不及逸出 ,从而在焊缝金属等部位残留形成气孔。缺陷的存在将会严重降低接头性能 ,故实际生产中应选用抗裂性高的 Al- Si 焊丝作为填充材料。3 问题讨论 3.1 关于铝合金材料表面氧化膜清理在通常情况下 ,铝合金表面都有一层致密难熔的 Al2 O3 氧化膜 ;本文中试验研究的母材为提高其表面图 3 接头过渡区金相组织 2 0 0 性能而进行了阳极氧化 ,氧化膜层厚而且坚固致密。由于铝的熔点为 6 6 0 ,Al2 O3 的熔点为 2 0 5 0 ,两者相差较大 ,而且 Al2 O3 为陶瓷
9、,不导电 ,这就给铝合金的电弧焊接带来很大困难 ,容易造成焊接过程中电弧不稳定 ,不利于填充金属与熔池的熔合 ,焊缝中易产生夹杂、未熔合等缺陷 ,影响接头质量。此外 ,氧化膜具有很强的吸附水分能力 ,在高温下水分分解出的氢气是造成焊缝气孔的主要来源 。因此 ,为了使焊接过程能顺利进行 ,焊接前工件与焊丝表面的氧化膜必须彻底清除 ,并保证在焊接过程中不再或尽量少生成。根据铝合金的物理及化学特性 ,本文中焊前对母材表面的清理分别采用了机械清理和化学清理。从对焊接过程的现象观察及获得接头的性能测试、显微组织观察分析可知 ,两种表面预处理方法都可行。对两种清理方法进行比较 ,机械清理操作较为简单 ,一
10、般为手工操作 ,但存在劳动强度大、生产率低和清理后表面不光滑以及母材厚度减小等缺点 ,对于焊缝长度较短或只须对接头局部进行清理的结构较为合适 ,而对于大批量生产及焊接工作量大的规则焊缝等场合就不太合适 ;化学清理具有生产率高和清理后的母材表面状况好等特点 ,但存在处理时间不好控制 ,需反复试验才能确定 ,否则表面的氧化膜可能清理不彻底而影响随后的焊接。另外 ,化学清理还存在设备复杂、占用场地多、工作环境差等缺点 ,实际生产中应根据需要合理选用预处理工艺。本文中采用交流钨极氩弧焊方法对接头试样进行焊接 ,由于 Al2 O3 的逸出功 (3.9e V)比铝的逸出功(4 .2 5 e V)小 ,在工
11、件为负极性的半波里 ,高能量密度的阴极斑点具有自动寻找氧化膜的特性 ,在电弧中质量很大的正离子撞击下 ,氧化膜破碎分解而得以清除 ;而在钨极为负极性的半波里 ,由于钨极的熔点高 ,在高温时电子发射能力强 ,工件接受电子轰击放出的全部动能和位能 (逸出功 ) ,产生大量的热 ,使熔池深而窄 ,有利于获得质量良好的焊缝成形。故本文中对母材表面氧化膜的清理既有焊前清理又包括焊接过程中的清理 ,氧化膜的清除较为彻底 ,获得的接头质量高。3.2 关于填充材料的选择由于本文试验中所用母材为纯铝表面阳极化型材 ,表面存在的厚氧化膜层在使材料性能改善和提高的前提下 ,也给其焊接加工带来很大困难。按照一般填充材
12、料选择原则 ,在保证接头性能的前提下 ,同时考虑施焊时的工艺性能 ,应尽量使所选材料与母材相匹配。基于此 ,文中选用了 Al- Si 焊丝和纯 Al 焊丝两种填充材料。按常理应首选后者 ,但实验中发现 ,采用纯 Al 焊丝焊接时 ,电弧稳定性稍差 ,接头表面成形不好 ,焊缝金属及熔合线区域存在微量的小气孔及非金属夹杂物等缺陷 ,甚至在收弧处还发现有结晶裂纹 ,所得接头的质量不高 ;而采用抗裂性能好、本身抗拉强度值比母材稍高的 Al- Si焊丝施焊时 ,电弧稳定 ,焊缝表面成形好 ,接头组织中未发现有气孔、夹杂和微裂纹存在 ,这是由于焊丝中适量的 Si 可提高焊缝金属的流动性 ,Si 在 Al
13、中的溶解度不大 ,绝大部分在 5 6 4形成 Al- Si 共晶 ,从而大大缩小了脆性温度区间 ,大量生成的低熔点共晶对结晶初始形成的裂纹具有“愈合”作用 ,降低了焊接裂纹的倾向性。对接头的性能测试表明 ,接头的抗拉强度与显微硬度均达到要求。故在实际生产中应采用 Al- Si 焊丝并配合焊前表面预处理的交流钨极氩弧焊方法进行焊接。4 结论(1)表面阳极化铝型材经过焊前预处理 (机械清理或化学清理 ) ,采用 Al- Si 焊丝进行交流钨极氩弧焊完全可行。(2 )对接头的拉伸实验和显微硬度测试表明 ,两种焊前清理方法所得接头的性能相差不大 ,故在实际生产中可根据接头型式及所具备的条件选择使用。(3)对接头的金相组织观察显示 ,采用 Al- Si 焊丝焊接所得到的接头组织致密 ,未见有夹杂、气孔和微裂纹等缺陷 ,说明接头质量良好。(4 )采用纯 Al 焊丝焊接时 ,焊缝金属尤其是在弧坑部位易出现结晶裂纹 ,故实际生产中应选用 Al- Si 焊丝施焊为好 ,以提高接头的抗裂性表面阳极化铝型材焊接工艺研
