铝及其合金的焊接工艺性

9.6.2　铝及其合金的焊接工艺性

9.6.2.1　铝及铝合金

纯铝是指含99%以上的铝，其中主要杂质是铁和硅，所以，也称纯铝为铝－铁－硅三元合金。纯铝的熔点只有600℃，有良好的耐蚀性，导热性为低碳钢的5倍，线胀系数为低碳钢的2倍。此外，杂质铁和硅的含量对塑性、导电性、耐蚀性及焊接裂纹的产生都有影响。

铝合金的主要合金元素是铜、镁、锰、硅、锌等。有时，为了获得所希望的性能和细化晶粒的目的，还会添加少量的铬、镍、钛等元素。

铝合金的物理性能基本与纯铝一样，导热系数，线胀系数以及电阻率都十分大，但密度很小。

铝合金主要靠合金元素的固溶强化和沉淀硬化提高其机械性能。铝合金按其制造工艺分为变形铝合金和铸造铝合金，按其性能和使用要求分为纯铝、防锈铝、硬铝、锻铝和特殊铝等。船舶焊接结构主要应用变形铝合金，铸造铝合金只在船舶部件缺陷焊补时遇到。

由于纯铝具有面心立方点阵结构，没有同素异构转变，塑性好，无低温脆性转变，但强度低。因此，在船体结构中常常选用铝－锰及铝－镁合金。

铝－镁合金的强度随含镁量增加而增大。在铝中，镁比锰的固溶强化作用大。但镁多时，会出现脆性的电极电位低的β相（镁2铝3），既降低塑性，又不利于耐蚀性尤其是应力腐蚀。所以，铝－镁合金中镁量一般不超过7%。铝－镁合金中加入少量锰，能降低晶粒粗化倾向并改善耐蚀性，也有一些强化作用。加入少量Ti有细化晶粒作用。含硅量多时，容易形成脆性的镁2硅相，对塑性和耐蚀性不利。所以，用含硅的焊丝焊接铝－镁合金是不太合适的。

9.6.2.2　铝及其合金焊接工艺性

由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多属于难熔性质（如Al₂O₃的熔点约为2 050℃，MgO熔点约为2 500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易产生翘曲变形。这些都是铝及铝合金焊接生产中颇感困难的问题。

根据母材合金成分、焊件厚度、接头形式、使用要求及经济性等综合考虑。铝及铝合金的各种焊接方法的选择和适用的焊件厚度见表9.6－6。各种焊接方法适用的焊接接头形式见表9.6－7。

表9.6－6　常用铝合金焊接方法

表9.6－7　常用铝合金焊接方法适用的接头形式

注：○表示适用。

铝合金焊接工艺性：

1）超强的氧化能力

铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的三氧化二铝薄膜，厚度约为0.1μm。Al₂O₃的熔点高达2 050℃，远远超过铝及铝合金的熔点（约660℃），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，焊前必须严格清理焊接表面的氧化物，并加强对焊接区域的保护。清洗步骤可参照表9.6－8。清理后的焊件一般应在24h内焊完。

表9.6－8　铝及铝合金化学清洗溶液配方及处理方法示例

2）较大的热导率和比热容

铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。因此，焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量，焊前常要采取预热等工艺措施。

3）热裂纹倾向大

铝的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%左右，易于产生较大的焊接应力，这是铝合金具有较大热裂纹倾向的原因之一，生产中常用调整焊丝成分的方法及调整焊接规范来防止产生热裂纹。

4）容易形成气孔

形成气孔的气体是氢。氢在液态铝中的溶解度为0.7ml/100g，而在660℃凝固温度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g，使原来溶解于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝及铝合金的密度小，气泡在溶池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及逸出，易在焊缝内成为气孔。弧柱气体中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是氢的主要来源，因此，焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。

5）接头的不等强度

铝及铝合金含有低沸点元素，（如镁、锌等）焊接过程极易蒸发、烧损，从而改变了焊缝金属的合金成分，焊接热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。

6）焊穿

铝及铝合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材温度，施焊时常会因温度过高无法察觉而导致焊穿。