第一篇：几种铝合金焊接先进工艺
铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光-电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。
关键词: 铝合金 搅拌摩擦焊 激光焊 激光-电弧复合焊 电子束焊
铝合金焊接的特点
铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。
铝合金焊接有几大难点:
①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍;
②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060 ℃),这就需要采用大功率密度的焊接工艺;
③铝合金焊接容易产生气孔;
④铝合金焊接易产生热裂纹;
⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形;
⑥铝合金热导率大(约为钢的4 倍),相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4 倍。
因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。
铝合金的先进焊接工艺
针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。
2.1 铝合金的搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)是由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ]。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ]。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ]。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al-Cu)、5000 系列(AlMgZn)、8000 系列(Al-Li)等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。
铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。
搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:
①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;
②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板;
③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除;
④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;
⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。
2.2 铝合金的激光焊接
铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding)是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。
激光焊接铝合金有以下优点:
①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;
②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;
③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;
④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线;
⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;
⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。
现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。
在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5 ]。
铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10.6μm)表面初始吸收率1.7 %;对YAG激光束(波长为1.06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度。传统
Mig，用铝合金焊丝填充。Tig，氩弧焊（非熔化极）。
第二篇：5A06与6061铝合金焊接工艺实验与研究
5A06铝合金是一种铝镁系防锈铝，6061铝合金是一种铝镁硅系锻铝，两者的特点是：中等强度，良好的塑性、焊接性和抗蚀性，广泛应用于汽车、船舶、铁道车辆结构件。因生产工艺要求对5A06与6061铝合金材料进行焊接，为了保证焊接质量，提高生产效率，本实验采用手工TIG焊和半自动MIG焊，对厚度为8mm的5A06与6061铝合金材料进行焊接工艺实验和研究。
母材为8mm厚的5A06与6061铝合金板材，其力学性能见表1。分别采用手工钨极氩弧焊(TIG焊)和半自动熔化极氩弧焊(MIG焊)两种方法进行焊接，焊丝选用ER5356，其熔敷金属的屈服强度为135MPa，抗拉强度为275MP。手工交流TIG焊的焊接参数见表2。环境温度24℃，钨极伸出长度5～6mm，喷嘴距焊接试件8～12mm，焊件焊前预热至200～250℃。层间清理用不锈钢丝打磨，层间温度不低于200℃。半自动MIG焊的焊接参数见表3。采用直流反接，环境温度24℃，喷嘴距焊接试件12～22mm，焊件焊前不预热。层间清理用不锈钢丝打磨，层间温度不低于200℃。
表1 铝合金材料力学性能
合金牌号 σs/MPa σb/MPa δ(%)
6061 276 310 12
5A06 160 315 16
表2 TIG焊接参数
焊接电流 焊接速度/ 钨极直径 焊丝直径 气体流量 喷嘴直径 焊层数 /A /mm /mm(mm·min-1)/(L·mm-1)/mm5 16 250～280 100～150 5～6.4 10～14
表3 MIG焊接参数
焊接电流 焊接电压 焊接速度 焊丝直径 气体流量 焊层数 /A /V /mm /(mm·min-1)/(L·mm-1)5 220～280 21～24 20～25 12～18
试件焊前采用机械加工方法加工出60°的V形坡口；清除坡口及其附近区域的污染物后，用丙酮擦洗，再用清水冲净；用不锈钢丝或刮刀等工具清理氧化膜，清理后3～4h内施焊。由于铝合金高温状态下强度较低，焊缝容易塌陷或烧穿，为了保证焊透及防止塌陷，焊缝下底面应加装垫板。垫板朝向焊缝处开圆弧形槽，以保证焊缝背面成形良好。
采用ER5356焊丝，进行5A06与6061铝合金的手工TIG焊和半自动MIG焊均获得了性能良好的焊接接头。由于半自动MIG焊属熔滴过渡过程，不如TIG焊稳定;MIG焊接的焊缝金属中有少量气孔生成。6061属热处理强化的铝合金，由于焊接热的影响，焊接接头的热影响区会出现软化，造成焊接接头强度降低，焊接线能量越大，性能降低的程度越严重。
第三篇：铝合金激光焊接技术
一、铝合金激光焊接的发展
铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
不过，铝合金本身的特性使得其相关的焊接技术面临着一些亟待解决的问题：表面难溶的氧化膜、接头软化、易产生气孔、容易热变形以及热导率过大等。以往的生产实践中，铝合金的焊接常用钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。虽然这两种焊接方式能量密度较大，焊接铝合金时能获得良好的接头，但仍然存在熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。用这些传统的、应用于黑色金属的焊接方法焊接铝合金，并不能达到工业上高效、无缺陷、性能佳的要求，于是人们开始寻求新的焊接方法，20世纪中后期激光技术逐渐开始应用于工业。欧洲空中客车公司生产的A340飞机机身，就采用激光焊接技术取代原有的铆接工艺，使机身的重量减轻18 %左右，制造成本降低了近25 %。德国奥迪公司A2和A8全铝结构轿车也获益于铝合金激光焊接技术的开发和应用。这些成功的事例大大促使对激光焊接铝合金的研究，激光技术已经成为了未来铝合金焊接技术的主要发展方向，因为激光焊接具有其独特的优点：
(1)能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝。
(2)冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好。
(3)焊接能量可精确控制，可靠性高，针对不同的要求有较高的适应性。(4)可进行微型焊接或实现远距离传输，不需要真空装置，利于大批量自动化生产。
二、激光焊接铝合金的难点及解决措施 1.铝合金表面的高反射性和高导热性
这一特点可以用铝合金的微观结构来解释。由于铝合金中存在密度很大的自由电子，自由电子受到激光（强烈的电磁波）强迫震动而产生次级电磁波，造成强烈的反射波和较弱的透射波，因而铝合金表面对激光具有较高的反射率和很小
吸收率。同时，自由电子的布朗运动受激而变得更为剧烈，所以铝合金也具有很高的导热性。
针对铝合金对激光的高反射性，国内外学者都作了大量研究，试验结果表明，进行适当的表面预处理如喷砂处理、砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大铝合金对光束能量的吸收。另外，从焊接结构设计方面考虑，在铝合金表面人工制孔或采用光收集器形式接头，开V形坡口或采用拼焊(拼接间隙相当于人工制孔)方法，都可以增加铝合金对激光的吸收，获得较大的熔深。另外，还可以利用合理设计焊接缝隙来增加铝合金表面对激光能量的吸收(如图1)。从图上可以直观的反应出，将焊缝和激光束的位置关系由图1(a)改为图1(b)或图1(c)，使激光束与缝壁有一定角度后，激光束能够在缝隙内多次反射，形成一个人工小孔，增加了焊件对激光能量的吸收。
图1 改变焊缝几何形状
2.小孔的诱导和维持
小孔的诱导和维持是铝合金激光焊接中的特有困难，这是由铝合金材料特性和激光光学特性造成的。激光焊接的过程中，小孔可看成是铝合金的黑体，能大大提高材料对激光的吸收率，为母材获得更多的能量耦合，这有利于提高焊接接头的质量。但由于铝合金的高反射性和高导热性，要诱导小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而铝元素以及铝合金中的Mg、Zn、Li沸点低、易蒸发且蒸汽压大，虽然这有助于小孔的形成，但等离子体的冷却作用（等离子体对能量的屏蔽和吸收，减少了激光对母材的能量输入）使得等离子体本身“过热”，却阻碍了小孔维持连续存在。
由于能量密度阈值的高低本质上受其合金成分的控制，因此可以通过控制工艺参数，选择确定激光功率保证合适的热输入量，有助于获得稳定的焊接过程。另外，能量密度阈值一定程度上还受到保护气体种类的影响。研究表明，激光焊接铝合金时使用N2气时可较容易地诱导出小孔,而使用He气则不能诱导出小孔。这是因为N2和Al之间可发生放热反应，生成的Al-N-O 三元化合物提高了对激光吸收率。
三、激光焊接铝合金容易产生的缺陷及消除方法 1.气孔
铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔，焊缝气孔的形成机理比较复杂，一般认为存在两类气孔:氢气孔和由于小孔的破灭而产生的气孔。氢气孔是由于氢（主要来自表层的湿气与微量水）在熔池金属中的可溶性引起的，激光焊接冷却速度极快，导致氢的溶解度急剧下降形成氢气孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面张力大于蒸气压力，不能维持稳定而塌陷，液态金属来不及填充就造成孔洞。另外，低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔，表面氧化膜在焊接过程中溶解到熔池中也会形成气孔。
从氢气孔的形成原理可知，表层物质是氢元素的主要来源，因此选择正确的焊前表面预处理可以有效地减少氢气孔的产生。对于由小孔塌陷引发的气孔，则要求选择适当的保护气体并合理控制流量流速，在条件允许下采用高功率、高速度、大离焦量(负值)的焊接方式，可以进一步消除气孔的产生。
2.热裂纹
铝合金的焊接裂纹都是热裂纹，与冷却时间（或焊接速度）密切有关，主要有结晶裂纹和液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在晶界处形成低熔点共晶化合物导致的，焊缝金属氧化生成的Al2O3和AlN也会成为微裂纹的扩展源。液化裂纹是熔化的铝合金在凝固过程中局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果。
目前常用的消除热裂纹的方法是使用填充材料，即填丝，这能有效地防止焊接热裂纹，提高接头强度。此外，调整激光能量的输入方式，合理选择脉冲点焊时的脉冲波形，焊缝熔化凝固重复进行，以降低熔池凝固时的凝固速度，这种在凝固过程中增加热循环的控制方法同样可以减少结晶裂纹。
3.Mg、Zn等元素的烧损
使用激光焊接铝合金时，焊缝的加热和凝固速度都非常快，这使得Mg，Zn 等低熔点强化元素发生烧损，导致焊缝硬度和强度下降。Mg 的沸点为1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸发烧损。烧损现象使得焊缝成型时的晶粒大小严重不均匀，从金属学角度讲，大晶粒的存在破坏合金元素的强化作用，导致焊缝的强度明显比母材低。
防止合金元素的烧损主要从控制合金成分入手，在保证铝合金质量和接头要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。
四、铝合金激光焊接的工艺参数
铝激光焊接的工艺参数主要有: 功率密度、焊接速度、焦点位置、保护气体种类及流量等，它们直接决定着焊缝成形。
1.功率密度
激光的功率密度是决定焊缝熔深的最主要因素。当其他工艺参数保持不变时，随着功率密度的增大，焊缝深宽比增大。因为功率密度增大时，蒸汽压力能克服熔化成液态金属的表面张力和静压力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量——“小孔效应”。但是如果功率密度过大，使金属强烈汽化，严重烧损合金，焊缝成型组织的晶粒过大，焊缝的硬度和强度均下降。并且，大量的光致等离子体的冷却和屏蔽作用，使得熔深反而下降。
2.焊接速度
在其他工艺参数不变的情况下，熔深随焊速的增加而减小，焊接效率随焊速的增加而提高。但是速度过快，到达焊缝处的线能量密度较低，会使熔深达不到焊接要求；速度过慢，则线能量密度过高，母材过度熔化和烧损，降低接头性能，甚至引发热裂纹。因此，对一特定厚度的铝合金工件，选择确定激光功率密度之后，存在着既能维持合适的焊缝深宽比又不会使工件过热的最佳焊速，这可以从以往的生产实践中总结经验或者查阅相关文献获得。
3.焦点位置
研究表明，铝合金激光焊接的焦点位置与熔深的关系如图2所示。我们可以看出，熔深随焦点位置的变化有一个跳跃性变化过程：当焦点处于偏离工件表面较大(2 mm)时，工件表面光斑尺寸较大，因此光束能量密度较低，属于以热传
导为主的熔化焊，熔深较浅； 而当焦点靠近工件表面某一位置(2 mm)时，工件表面入射光束能量密度值增大到临界值，产生小孔效应，因此熔深发生跳跃性增加。经试验得到，当焦点位置在工件表面上方1 mm 处时焊缝熔深最大。
图2 焦点位置对焊缝熔深的影响
4.保护气
和电子束焊接相比，激光焊接不需要真空环境，但焊接铝合金需采用保护气体，其目的是抑制光致等离子体，并排除空气使焊缝免受污染。光致等离子体的形成不仅来自被离子化的金属母材蒸汽，而且和保护气体本身性质也有很大的关系。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，保护气体本身的电离能应该高，不致因气体本身的电离而增加电子密度。铝合金激光焊接传统上采用的保护气体主要有三种：Ar、N2、He。理论上He最轻且电离能最高，但是在较低功率、较高焊速下，由于等离子体很弱，不同保护气体差别很小。研究表明，在相同条件下，使用N2容易诱导小孔，主要是N2和Al 之间可发生放热反应，生成的Al－N－O 三元化合物对激光的吸收率要高一些，纯N2 会在焊缝中产生AlN 脆性相，同时易形成气孔。而采用惰性气体保护时，由于质轻而逸出，气孔形成机率小，因此采用混合气体保护效果较好。现在也有采用Ar－O2，N2－O2等气体进行铝合金激光焊接的研究越来越多。
五、先进的铝合金激光焊接技术 1.铝合金的激光-电弧复合焊
现在激光焊接铝合金还处于发展阶段，设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等制约了纯激光焊接铝合金的应用。目前，激光-电弧复合焊在德国和日本等发达国家研究比较多，激光-电弧复合主要是激光与TIG电弧、MIG电弧及等离子体复合，分别如图3、4所示。这种工艺在汽车制造业中已有一定的应用，如德国大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-M IG焊道，而且还可以用来焊接车体及轮轴。铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值等问题。这是因为焊接铝合金时，激光与电弧的相互影响，可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应——两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应——高的能量密度导致了高的焊接速度，显著提高焊接效率。
图3 激光-TIG复合焊接铝合金原理图
图4 激光-MIG复合焊接铝合金原理图
2.铝合金的双光束激光焊接
单束激光焊接铝合金时，由于小孔的塌陷而容易产生气孔。李俐群[10]等学者研究表明，采用如图5所示的双光束焊接铝合金，焊缝成形美观、无飞溅或凹坑等缺陷，对焊接参数适应性更好；等离子体稳定性提高；气孔大大减少。这是因为采用双光束激光焊接时，第一束激光产生熔池，并对焊接区域附近进行预热积累热量。当第二束激光照射该处时，更多的母材能够熔化，从而使得形成焊缝更宽。同时，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁气化，防止其塌陷，大大减小了形成气孔的几率。双光束激光焊接铝合金的技术已经在德国军用飞机EADS进气管的焊接上得到了应用。
图5 双光束激光焊接铝合金的原理图
3.铝合金激光填丝焊技术
在新兴的铝合金焊接技术中，搅拌摩擦焊需要针对被焊母材的形状和接口要求设计专用夹具，铝合金激光填丝技术则解决了对工件装夹、拼装要求严的问题，而且用较小功率激光器就能实现厚板窄焊道的多层焊。另外通过调节焊丝成分，改善焊缝区组织性能，对裂纹等缺陷更易控制，显著提高铝合金焊接稳定性与适应性。铝合金激光填丝焊示意图如图6所示。
图6 铝合金激光填丝焊示意图
六、铝合金激光焊接的前景展望
前面已经提到，日本和德国等发达国家已经开始将激光焊接铝合金应用于汽车制造业。由于铝合金具有高比强度、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、再生性好和简化结构等一系列优点，在汽车业中倍受青睐。大量的对比研究和反复实践证明，选用铝合金材料是实现汽车轻量化的有效途径。减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率，这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施。而激光焊接技术效率高、热影响区小、能获得良好的接头质量。在铝合金颇受汽车业青睐的大环境下，激光焊接铝合金将会成为越来越成熟的工艺，并被推广至船舶制造行业和航空航天产业。其实，上文也已经提到过，欧洲的空中客车已经在使用激光焊接铝合金的技术部分取代传统的铆接技术。这种自动化程度极高、质量稳定的焊接方式甚至能够满足载人航天和可重复使用航天器对焊接结构的可靠性提出了更高的要求。我们可以预见，铝合金激光焊接技术在近几年将成为航天焊接研究领域工作者热点之一。
第四篇：铝及铝合金先进焊接技术探索论文
摘要：铝及铝合金广泛应用于工业生产，近些年来，铝及铝合金焊接技术发展迅速，克服了传统的铝及合金焊接的众多弊端。基于此，本文在概述铝及合金焊接过程中出现问题的基础上，对铝及铝合金先进焊接技术进行了概述，为铝及铝合金工艺的积极开发及高性能铝合金产品的发展提供理论依据。
关键词：铝及铝合金；先进焊接；技术研究
一、前言
铝及铝合金不仅具有良好的耐腐蚀性，而且导热性和导电性俱佳，为此广泛应用于工业生产，包括汽车制造、航空航天等制造业。近些年来，我国的铝及铝合金焊接技术发展迅速，出现了新型焊接技术，包括调制脉冲焊接、穿孔离子焊接、激光焊接及摩擦搅拌焊等，这些新兴的焊接技术，显示出极大的技术优势，为自动化焊接提供了理论基础，基于此，本文在概述铝及合金焊接过程中出现问题的基础上，对铝及铝合金先进焊接技术进行了概述，为铝及铝合金工艺的积极开发及高性能铝合金产品的发展提供理论依据。
二、铝及铝合金焊接概述
铝及铝合金不仅材质轻，而且强度好，具有良好的耐腐蚀性，因此，在各类焊接结构产品中得到了广泛的应用。而在工业焊接的过程中，经常会产生气孔、出现裂纹、接头“等强性”等现象，极大了影响到工业生产制造的质量。首先，焊接过程中产生气孔主要是由氢气导致的，而氢气来源主要来自于各种原因产生的水，避免气孔的主要途径是通过消除熔池吸水来解决的，具体方法包括，焊前的处理，需要焊接材质的干燥，做好焊接前的工件表明杂志的清除工作，确保氩气中含水量低于0.08%；焊接过程中，做好焊接工艺，通过控制熔池高温时间，促进氢的析出，也就是说可采用高温情况下快速焊接，以提高氢的析出。其次，导致焊接裂纹的原因包括以下两方面，第一，熔池存在脆性温度区间，从液态到冷却凝固的时间内，存在某一稳定范围，强度和脆性低，容易出现焊接裂缝；第二，较大的焊接膨胀系数，使得熔池冷却的过程中存在较大的拉伸变形，尤其是在脆性温度区间，增强了冷却凝固过程中裂缝出现的几率，为此，可以通过缩短脆性温度区间，提高焊接工艺及填充其他金属元素等方式，防止焊接过程中出现过多的裂纹。最后，针对非时效强化铝合金焊接过程中，出现等强性问题，退火焊接，接头之间等强，冷却状态下，接头之间非等强；而时效强化铝合金，无论是在退火还是冷却情况下，接头彼此之间都会出现非等强现象。可以通过焊后热处理，加垫板及强调焊接顺序等方式，避免接头非等强的出现。
三、铝及铝合金新兴焊接技术
传统的焊接技术包括TIG焊、MIG焊等，相对来说所需的设备、设施简单，应用时间长，技术纯熟，能够很好的节约成本。但是在实际焊接过程中，经常会出现焊接问题，无法满足高质量、高性能的焊接需求，极大的限制了工业制造的水平。针对传统焊接过程中出现的问题，现代新兴焊接技术将朝着以下方向发展。
（一）焊接技术革新
将微处理、数字化技术等应用于传统的焊接技术，由此产生现代新兴焊接技术，包括双焊枪TIG、调制脉冲焊等，这些新兴的焊接技术，不仅大大提高了焊接效率，而且减少了焊接缝隙。TIG焊，不仅焊接工艺简洁，而且提高了焊缝强度及伸展性，调制脉冲焊，极大的减少焊接过程中气孔的出现，能够有效降低焊纹的敏感性，极大的提高了焊接工艺的内外质量。
（二）高能密度焊
高能密度焊包括激光焊、离子焊、电子束焊等。其中激光焊最早起于1960年左右，主要通过二氧化碳和YAG激光进行焊接，不仅焊接过程中的能量高，穿透力强，焊接速度快，能够实现自动化、精密化控制，而在实际焊接过程中，也会出现多种缺陷，为了克服激光焊接过程中的不足，有研究提出通过复合焊接方式，如结合TIG焊、MIG焊等途径，消除焊接缺陷，扩大了激光焊的应用范围，提高了激光焊的焊接质量；电子束焊起于1950年左右，其中真空电子焊，具有精准度高、效率高、穿透性强等优势，尤其是高能量密度特点，能够极大的缩短热影响区，提高接头处焊接质量，防止接头处焊接裂纹的出现，适用于铝合板较厚情况下的焊接，如航空航天、汽车制造等多领域。等离子焊接起于1980年左右，不仅能量密度极高，而且射流速度快，使得焊接过程中能量集中，焊接过程中的变形小，接头之间等强。焊接的厚度可到2.5cm，极大的提高了焊接的质量。现阶段，等离子焊接主要应用于航天产品项目中，相比于欧美国家，我国的等离子焊起步较晚，技术发展尚处于摸索阶段，未来还有很长一段时间的路需要走。
（三）搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊接最早起于1991年的英国，历经20多年的发展，搅拌摩擦焊技术发展相对成熟，已被广泛应用于工业生产。焊接搅拌焊技术不仅成本相对较低，而且适应性强，尤其是接头处的综合力学性能，使得焊接质量的自动化程度提高，对人的依赖性下降，其最大的不足时，焊接过程中的机械力大，对焊接工件的刚性要求极高。而作为一项固态焊接技术，尤其适应于现代焊接水平要求，具有显著的经济效率，也会逐步的取代溶焊技术，成为为了铝合金焊接的主要技术手段。
四、小结
铝及其合金焊接技术广泛应用于工业生产，而焊接技术的不断发展，焊接质量、焊接性能不断提高，极大了改善了传统焊接技术的诸多不足，促进了铝合金构建的制造水平。基于此，本文以传统铝及铝合金焊接过程中的出现的问题为出发点，对现代新兴铝及铝合金焊接技术进行了概述，为铝及铝合金工艺的积极开发及高性能铝合金产品的发展提供理论依据。
参考文献：
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第五篇：焊接工艺指导书
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湖北鄂东长江公路大桥 A、D 匝道 钢箱梁制作与安装 焊接工艺指导书
中国十五冶金建设有限公司 湖北鄂东长江大桥项目经理部 湖北鄂东长江大桥项目经理部 二 OO 九年五月
目
一、编制依据
二、焊接质保体系程序
三、焊接工艺规程 录
目前进场焊接 焊接设备技术参数及操作细
四、目前进场 焊接 设备技术参数及操作细 则 附件： 附件：
1、焊接人员证件复印件、2、焊接工艺评定报告、编制依据
本质保资料按《公路桥涵施工技术规范》 本质保资料按《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000、施工技术规范、《铁路钢桥制造规范》TB10212-98、低合金高强度结构钢》 铁路钢桥制造规范》、低合金高强度结构钢》 《 GB/T1591-94、《 金 属 材 料 室温拉伸试验方法》
GB/T228-2002、金 属 材 料 夏 比 摆 锤 冲 击 试 验 方 法 》 《 GB/T229-2006、金属材料 弯曲试验方法》、《 弯曲试验方法》 GB232-1999、承、《 压设备无损检测第二部分:射线检测》 《钢 压设备无损检测第二部分 射线检测》JB/T4763.2-2005、钢 射线检测、《 焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》 焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89 等 编制。编制。焊接质保体系程序
1、优化生产管理体系和质量保证体系的人员组成，建立健全责任制。建立了以项目经理为组长、项目总工程师为副组长、项目经理部各部 门负责人、各施工主任、技术负责人为主要成员的质量管理领导小组，建立健全岗位责任制，完善质量监督控制网络，实行全面质量管理，使焊接的每个环节都得到控制。
2、宣传教育，改变人们对质量的陈旧观念，提高质量意识。加强了 宣传教育力度，严格执行质量管理制度，实行科学管理，召开多种形 式的评比会、现场会、分析会、宣传会。在项目施工中做到“三工教 育”（工前教育、工中指导、工后讲评）；“三不交接”（无自检记录不 交接、无施工记录不交接、无专职质检员签字不交接）；
3、增加自检与抽检频率。对每道切割切口严格把关，保证自检频率。由项目总工组织项目经理部工程部和质检部对施工队伍的原材料、机 械设备、人员数量质量、焊接工艺方法、关键工序和焊接质量进行抽 检。
4、建立健全对各岗位人员在岗及责任落实情况的检查制度，即上级 对下级检查，监理对承包人的检查等。建立健全项目经理、项目副经理、总工程师、项目经理部各部门 及负责人、施工技术负责人、检测员的岗位责任制，加强岗位责任制 的落实工作的检查，项目经理部检查各部、各施工队的质量保证体系，施工队检查各施工组乃至各序操作人的质量保证体系。
6、加强工地检测的管理，确保仪器设备符合规定、检测操作符合标
准、检测结果数据可信。配备齐全的检测、测量仪器设备。仪器设备均经过国家计量部门 标定。操作人员熟悉检测规程、操作步骤和注意事项，并对所使用的 仪器设备性能完全了解，操作过程中检测人员应在规定范围操作，保 证检测数据真实可信，严禁伪造修改数据。
7、完善科技文件的管理制度，所有科技文件、科技材料及时归档，确保所提交的科技文件、材料（质量保证资料）全面、真实、完整。建立健全完善的资料管理体系和资料流程，按照流程和分类对质量保 证资料进行上报、收集、整理、归档，上述过程，由工程部、质检部 组织人员对质量保证资料的全面性、真实性、完整性、及时性进行检 查。焊 接 工 艺 规 程
1、基本要求： 1.1 钢箱梁结构件的所有焊缝必须严格按照焊接工艺评定报告所制定 的焊接工艺执行。1.2 焊工应经过考试并取得合格证后方能从事焊接工作。焊工停焊时 间超过六个月，应重新考核。1.3 焊缝金属表面焊波均匀，无裂纹。不允许有沿边缘或角顶的未熔 合溢流、烧穿、未填满的火口和超出允许限度的气孔、夹渣咬肉等缺 陷。焊接后应等焊缝稍冷却后再敲去熔渣。1.4、所有对接焊缝均为I级焊缝，必须焊透，咬合部分不小于0.2 mm。腹板与面板及底板之间贴角焊缝，并开坡口焊透，焊缝标准为I级，支座处横隔板与面底板及腹板为贴角焊缝，必须焊透，焊缝标准为I 级焊缝。其它横隔板与腹板必须焊透，焊缝均为II级焊缝。1.5、所有 I、II 级焊缝都应进行外观检查，内部质量检验以超声波和
射线探伤为主。
2、焊接用材料： 2.1、所有水平对接焊缝用埋弧自动焊，焊丝用 H08MnA,规格： φ4。焊剂 HJ350。《熔化焊用钢丝》GB/T14957-94。2.2、腹板与顶板、底板，隔板与顶板、底板及加劲肋与各板的焊接 均采用 C02 气保焊，焊丝为 ER50-6,焊丝直径为φ1.2。执行标准《焊 丝选用指南》 《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》。GB/T8110-1995。2.3 CO2 气体保护焊的气体纯度应大于 99.5%。
3、焊缝质量要求： 3.1 试板焊接后对焊缝进行外观检查，不得有裂纹、未熔合、夹渣、焊瘤等缺陷，外观质量符合 TB10212-98 中表 4.7.11-1 的规定。3.2 焊缝无损检验 3.3 无损检验在焊接 24 小时后进行。3.4 对接焊缝及熔透角焊缝应符合 GB11345-89Ⅰ级标准； 顶板、底板、腹板的对接焊缝应符合 GB11345-89Ⅰ级标准，腹板与顶板、底 板坡口角焊缝应符合 GB11345-89Ⅰ级标准，横隔板与腹板间坡 口角焊缝应符合 JB/T6061-92Ⅱ级标准。3.5 接头力学性能试样的制取及试验 3.5.1 接头力学性能试验项目及试样数量按 TB10212-98 的规定执行，即： 试件型式 对接接头试件 验 试验项目 接头拉伸（拉板）试 1 试样数量（个）
焊缝金属拉伸试验 接头侧弯试验① 低温冲击试验② 接头硬度试验 熔透角焊缝、坡口角焊 缝、T 型接头试件 焊缝金属拉伸试验 接头硬度试验 1 1 6 1 1 1 注：①侧弯试验弯曲角度 α=180o。板厚≤16mm°时，d=2a，板厚 ＞16mm 时，d=3a。②低温冲击试验缺口开在焊缝中心及热影响区（熔合线外 1mm）处各 3 个。3.5.2 焊接接头力学性能的试样的制取和试验按照 GB2649～2655-89 执行。3.5.3 每一组试板进行一次宏观断面酸蚀试验，试验方法应符合《钢 的低倍组织及缺陷酸蚀试验方法》（GB226）的规定。另外，通 过断面检查，还应满足以下要求： 1）等厚或不等厚板对接焊缝，必须全熔透。2）熔透角焊缝必须全熔透。3）坡口角焊缝的熔深达到设计要求。
4、工艺要求 4.1、钢箱梁零部件制作的切割、焊接设备其使用性能必须满足要求。4.2、焊接时，不得使用生锈的焊丝和受潮结块的焊剂及熔烧过的渣 壳。4.3、焊丝在使用前应清除油污、铁锈，焊剂的粒度埋弧自动焊宜用 1.0～3.0mm，埋弧半自动焊宜用 0.5～1.5mm。4.4、为防止气孔和裂纹的产生，焊条使用前应按产品说明书规定的 烘焙时间和温度进行烘焙，低氢型焊条经烘焙后应放入保温桶内，随 用随取。4.5、施焊前，焊工应复查焊件接头质量和焊区处理情况，当不符合 要求时应经修整合格后方可施焊。4.6 施焊前应对焊缝边缘 30～50mm 范围内的铁锈、油污、水分等杂 质进行清除和烘烤。4.7、对接接头、T 型接头、角接接头及对接焊缝及对接和角接配合焊 缝，应在焊缝两端设置引弧板和引出板，其材质和坡口形式应与焊件 相同，引弧和引出的焊缝长度：埋弧焊应为 80mm 以上，手工焊和气 保焊为 50mm 以上，焊接完毕应采用气割切除引弧和引出板，并应磨平整，不得用锤击落。4.8、为防止起弧坑缺陷出现在应力集中的端部，角焊缝转角处宜连 续绕角施焊，起落弧点距焊缝端全部宜大于 10 mm。4.9、每层焊接宜连续施焊，每一层焊道焊完后应及时清理检查清除 缺陷后再焊。施焊时母材的非焊接部位严禁引弧。4.10、总体组装时，则先将各小构件焊接校正后再与底板和腹板焊接，对于底板、腹板之间焊接则需采用分段退焊法和合理的焊接顺序等措 施，防止焊接变形。有顶紧要求的肋板，应从顶紧端开始向另一端施 焊。4.11、定位焊缝所采用的焊接材料型号应与焊件材质相匹配，焊脚尺 寸不得大于设计焊脚尺寸的 1/
2、焊缝长度为 50～100 mm 并应在距 端部 30 mm 以上。4.12、焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，应查清原因，定出修补 工艺并经批准后方可处理。
4.13、焊接完毕，焊工应清理焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅物，检查 焊缝外观质量，检查合格后应在两端明显部位打上焊工钢印。其内部 质量的检查应在焊后 24 小时进行。4.14、埋弧自动焊焊接中不应断弧，如有断弧则必须将停弧处刨成 1： 5 斜坡后在继续搭接 50 mm 施焊。4.15、埋弧自动焊焊剂覆盖厚度不应小于 20mm，埋弧半自动焊不应 小于 10 mm，焊接后应稍冷却再敲去熔渣。
5、工艺要点： 5.1 本工程的接头形式 5.1.1 对接焊缝 a．板单元制造中对接焊缝 1）底板对接； 2）顶板对接； b．工地连接对接焊缝 1）节段间顶、底板横向对接焊缝； 2）边腹板、中腹板对接焊缝。3）边纵腹板肋板嵌补段对接焊缝； 4）底板及顶板 T 型肋嵌补段对接焊缝。5.1.2 熔透角焊缝 a．节段整体焊接中熔透角焊缝 1）顶板与腹板间熔透角焊缝； 2）底板与腹板间熔透角焊缝； 3）横隔板与腹板间熔透角焊缝； b 工地连接融透角焊缝 1)腹板与顶板及底板熔透角焊缝； 5.1.3 坡口角焊缝 a．节段整体焊接中坡口角焊缝 1）横隔板与顶板间坡口角焊缝。2）横隔板与底板间坡口角焊缝。3）挑梁与顶板、腹板及堵板角焊缝。5.1.4T 型角焊缝 a．板单元制造中 T 型角焊缝 1）T 型加劲肋角焊缝 b ．梁段整体焊接和梁段间焊接 T 型角焊缝 1）横隔板与底板间角焊缝； 2）T 型肋与底板间角焊缝； 3）T 型肋与底板角间焊缝； 4）腹板与纵向加劲板间角焊缝： 5）顶板与加劲板间间角焊缝： 6)支点处加劲板与底板间角焊缝： 7）支点处加劲板与腹板间角焊缝： 8）支点处加劲板与隔板间角焊缝 C 工地连接 T 型角焊缝 1）T 型肋嵌补段与顶板、底板角焊缝 2)腹板加劲肋嵌补段角焊缝 5.2 本工程拟采用的焊接方法 焊接方法 手工电弧焊 CO2 气体保 护焊（底）板的组合焊 埋弧自动焊平顶板、底板、适用位置平、横、立、仰 施焊部位 附属设施焊接 顶板、底板、对接缝组合焊的打底、平、横、立、仰 腹板对接、横隔板对接焊，腹板与顶 对接缝组合焊等
6、熔化焊缝缺陷返修： 6.1、焊缝表面缺陷超过相应的质量验收标准时，对气孔、夹渣、焊 瘤、余高过大等缺陷应用砂轮打磨、铲凿、钻等方法去除，必要时应 进行焊补；对焊缝尺寸不足、咬边、弧坑未填满等缺陷应进行焊补。6.2、经无损检测确定焊缝内部存在超标缺陷时，应进行返修，返修 应符合下列规定：
1、返修前应由施工企业编写返修方案；
2、应根据无损检测确定的缺陷位置、深度，用砂轮打磨或碳弧 气刨清除缺陷。
3、清除缺陷时应将刨槽加工成四侧边斜面角大于 10°的坡口，并应修整表面、磨除气刨渗碳层。
4、焊补时应在坡口内引弧，熄弧时应填满弧坑；多层焊的焊层 之间接头应错开，焊缝长度不小于 100mm。
5、返修部位应连续焊成。如中断焊接时，应采取后热、保温措 施，防止产生裂纹。再次焊接前宜用磁粉或渗透探伤方法检查，确认 无裂纹后方可继续补焊；
6、焊缝 正、反面各作为一个部位，同一部位返修不宜超过两次；
7、对两次返修后仍不合格的部位应重新制订返修方案，经工程 技负责人审批并报监理工程师认可后方可执行；
8、返修焊接应填报返修施工记录及返修前后的无损检测报告，作为工程验收及存档资料。6.3、碳弧气刨应符合下列规定：
1、碳弧气刨工必须经过培训合格后方可上岗操作；
2、如发现“夹碳”，应在夹碳边缘 5～10mm 处重新起刨，所刨 深度应比夹碳处深 2～3mm；发生“粘渣”时可用砂轮打磨。
7、钢箱梁焊接顺序： 7.1、焊缝标准和位置及焊角高度按设计焊接图纸进行焊接 7.2、根据以上质量要求，总体装配的焊接顺序为： 腹板与底板 板、顶板
8、焊接工艺 8.1、对接接头埋弧自动焊工艺参数见下表: 腹板与顶板 支点处加劲板 横隔板与腹板 装饰板 挑梁与腹 板厚
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