铝合金与碳钢焊接工艺对比研究

闻瑞利

（河北机车技师学院,河北 唐山 064000）

1 前言

铝是地壳中分布广泛的一种元素，含量丰富，而且铝合金具有良好的耐蚀性，较高的比强度等更是得到了广泛的应用。高速动车组车体、飞机壳体等完全采用的是铝合金结构。在现场生产中，更是使用了与碳钢完全不同的焊接工艺。本文通过对比铝合金与碳钢的焊接工艺，阐述了铝合金的焊接特点及其工艺性能。

2 铝合金的焊接性

（1）强的氧化能力。铝合金不但在空气中极易氧化，而且在焊接时焊接区域也极易氧化，焊接时生成的三氧化二铝（Al2O3）熔点高、不容易彻底清除。并且在焊接中阻隔熔化的母材与液态焊接材料充分融合，铝合金的表面形成致密的氧化膜，不易从焊缝表面浮出，铝合金的表面氧化膜极易吸附大气中的水分，使焊缝内部及表面形成气孔。因此，铝合金焊接过程中容易形成未熔合、夹渣、气孔、未焊透等焊接缺陷。

（2）较大的热导率和比热容。在铝合金焊接过程中，焊接产生的热量被迅速传导到金属母材，而碳钢焊接时，金属母材不能迅速传导焊接产生的热量，大部分热能用以形成熔池。因此，铝合金的比热容和热导率约比碳钢大1倍。

（3）热裂纹倾向大。铝合金在焊接过程中的母材与焊缝金属的线膨胀系数约为碳钢的两倍。铝合金在焊接过程中，焊缝金属在冷凝过程中体积收缩量较大，在焊接过程中会集中大量焊接应力，产生较大的焊接变形，所以，铝及铝合金焊接时必须采取有效的预防及控制焊接应力与变形的措施。

（4）容易形成气孔。铝合金在固态时不溶解氢，但在焊接液态熔池状态下能大量溶解的氢。在焊缝金属快速冷却以及凝固过程中，由于金属液—固转变较快，氢从焊缝金属中来不及溢出，极易在焊缝近表面及内部区间形成氢气孔。

（5）焊穿。铝及铝合金从固态为铝白色，液态金属仍为铝白色，固液转变颜色无明显的变化，不便于肉眼观察，所以不易通过观察判断熔池温度，焊接时，经常会因为察觉不利致使焊接熔池温度过高而造成焊缝焊穿。

由于铝合金具有上述的焊接性，致使在铝合金的焊接过程中要消耗比碳钢更多的热能，而且为了保证焊缝质量，焊前还应该需采取相应的预热工艺等措施。更要注意焊缝焊前的清理，以及焊缝的保护等。

3 铝合金的焊接工艺

（1）焊接方法。目前铝合金连接常用的焊接方法主要有：熔化极气体保护焊（MIG）和钨极氩弧焊（TIG—交流）。熔化极气体保护焊包括脉冲电流焊接和连续电流焊接。熔化极气体保护焊时，焊丝做为阳极，可采用比钨极氩弧焊更大的焊接电流，具有较大的电弧功率、较高的焊接效率，所以特别适用中厚板铝合金的焊接。保护气体为氩气、氦气或其混合气。

（2）焊前清理。在焊接过程中防止产生气孔、夹渣的重要措施是去除焊件表面的氧化膜和油污。目前常采用机械清理和化学清洗的方法。机械清理主要是采用不锈钢丝刷子，除掉金属氧化膜直到露出金属表面光泽为止。化学清洗方法有浸洗法和擦洗法两种，前者适用于尺寸较小的焊件。常用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油等。其特点是质量稳定，效率较高。

（3）适当采用垫板。铝合金的高温强度低，且铝在液态时流动性好，因而，焊接时铝合金易产生下塌等缺陷。为了保证焊件在焊透又不致产生塌陷，焊接时常采用放置垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。

（4）焊前预热。对薄、小的焊件一般可以不用预热。在铝合金车体的实际生产中，一般在大于8mm的板厚时必须进行预热处理，预热温度为80℃-120℃，如果在预热时容易产生变形，则不赞成预热。

（5）焊后处理。焊后留在焊缝及附近飞溅等会破坏铝表面的氧化膜，有时还会腐蚀铝件，应清理干净。相比较碳钢而言，由于铝合金极易氧化的特点，工件在存放过程中也会重新产生氧化膜，尤其在潮湿环境下氧化膜形成更为迅速。所以，工件在清洗和清理后应尽快施焊，缩短清理后的存放时间。

针对铝合金导热速度快的特点，铝合金在焊接过程中需要“高温高速”的处理。因铝合金具有较高的热导性，所以在焊接过程中需要使用比碳钢焊接温度更高的电流电压设定和更高的焊接速度。在对工件进行预热的时候应杜绝采用氧化焰进行作业。

4 焊接变形

铝合金线膨胀系数较大，凝固时的体积收缩率较大，焊件产生变形较大，所以在铝合金的组装焊接时要充分考虑焊接变形。在铝合金的实际生产中由于焊接收缩的影响，致使焊后构件尺寸不合格的现象很普遍，这就要求在组装时预留出一定的组装间隙，或对组焊件加工出一定的尺寸预留量。并且通过对组装件按照焊接的位置作出反变形，来进一步减少此类影响。通过合理的工装以及焊接支撑来达到对焊接变形的控制。

5 焊接缺陷

在铝合金的焊接缺陷中，裂纹和气孔是最容易出现的两种缺陷。

（1）焊接裂纹。包括焊缝中的纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹；热影响区的焊趾裂纹、层状裂纹；熔合线附近的显微裂纹。可采用调整焊接工艺的措施防止热裂纹的产生，例如对焊接件的合理区域进行预热可减少热裂纹的产生。

（2）焊接气孔。氢气是铝合金焊接产生气孔的主要原因。氢气的主要来源是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材吸附的水分。焊缝迅速冷却过程中，由于氢收到氧化膜阻隔等因素影响来不及溢出，极易形成气孔。因此，要对氢的来源要严格控制和清楚焊材及母材中的水分，来防止气孔的形成。

（3）其他缺陷。包括夹渣、未熔合、未焊透，咬边等。

6 焊缝的修补

（1）焊接位置。为了保证焊补的质量，铝合金焊接时应该尽可能采用平敷焊。当工件尺寸、结构复杂，平焊施焊受限时，,可先进行适应性工艺试焊，并尽量采用上坡焊。

（2）多层多道焊。补焊焊缝层数的多少取决于缺陷的类型和深度，多层补焊时应做好层间清理。

（3）铝合金的预热及层间温度的控制。预热是铝及铝合金补焊时为保证焊缝质量经常采取的工艺措施。焊前预热可以减小焊接前后温度梯度、缩短母材金属熔化的时间、减少氢气孔的形成。同时还应注意预热合适的区域。层间温度应小于等于预热温度，应控制在80℃-120℃的范围内。

（4）起弧和收弧。必要时要增加起弧板和收弧板，避免直接在工件或者焊缝上起弧。

7 结论

通过对铝合金焊接与碳钢焊接工艺的比较，结合生产实践中的发现，不断地总结铝合金的焊接性，更深的了解铝合金的焊接性，更好指导学生实习。