焊接材料及工艺对铝合金焊接性能的影响

焊接材料及工艺对铝合金焊接性能的影响
柴宝新
摘要：铝合金因其诸多优点被誉为工程领域内的“机会金属”、“希望金属”，在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大，而由于铝合金的特性，铝合金的焊接一直是工业生产的难点。本文针对常用的5083铝目前缺乏理想的国产化配套焊接材料问题，采用了两种不同的焊接填充材料进行手工TIG平板对焊实验。通过对比试验后发现，焊接材料和工艺不同，所得到的焊接接头性能也不同，采用进口ER5183焊丝所焊接焊接接头的性能最好。
关键词：焊接材料；工艺；焊接性能

1 引言
铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，如：密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易进行表面处理、良好的加工成型性以及高回收再生性等优点，铝在地球中的储量极其丰富，仅在氧和硅之后蕴藏量居第三位。随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产品所使用的材料及性能提出了更高的要求[1]。同时降低能源消耗、减少环境污染、节约地球有限资源成为产品设计师面临的十分重要与紧迫的任务，具有优良物理、化学特性的铝及铝合金受到了越来越多的关注[2]。本文讨论了焊接材料及工艺对铝合金焊接性能的影响。
2 铝合金的焊接特性分析
2.1铝合金种类和性能
在铝中加入铜、镁、锰、硅、锌、钒和铬等元素，可获得不同性能的铝合金根据其化学成分和制造工艺，可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。形变铝合金又可分为热处理强化和非热处理强化型铝合金[3]。铝合金的二元相图如图1所示，图中最大溶解度n点是分界线。n点以右的合金存在着共晶组织，流动性较好，因此适宜于铸造，是铸造铝合金。n点以左的合金称作变形合金，属于热处理强化型合金；成分在m点以左的合金，其固溶体成分不随温度而变，属于非热处理强化型合金，这种合金系统不能通过热处理来提高其力学性能，而只能用冷作变形强化。
 

图1 铝合金的二元相图
2.2 铝合金的焊接特性
铝及铝合金与黑色金属相比，具有不同的特点，因此用来作焊接结构时，就需要了解其以下不同的物理、化学特性[4]：
1、 纯铝的熔点为660℃，而铝合金的熔化温度随着合金种类的不同而不同，其范围在530~650℃之间，但都比钢和铜的熔点低，所以容易熔化。
2、 铝容易和氧化合生成致密的氧化膜，它虽然很薄，但粘着力强、耐高温，焊接时将妨碍基体和填加金属的熔合。
3、 液体铝对氢的溶解吸收大致与铁和铜相同。溶解于焊接接头中的氢气来源于焊接火焰、电弧气氛、溶剂和金属表面的污染、与氧化膜同时存在的水分以及大气中的潮气等。
4、 铝的线膨胀系数约为钢的两倍，纯铝结晶时体积收缩率达7%，铝合金的收缩率平均也达5%。
5、 焊接热会使基体金属的某些部位的机械性能变坏，并且焊接热输入量愈大，性能降低的程度也愈明显。
2.3 铝合金焊接的主要问题
焊缝金属是典型的激冷结晶组织，在许多情况下，不仅结晶速度和冷却速度极快，而且还可以看到自基体金属的外延生长、随着焊接热源的移动而产生的粒生长方向的变化和显著的搅拌等焊接所特有的结晶现象；焊接裂纹是焊接接头的最主要缺陷之一，可分为焊道金属中的纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹和焊根裂纹以及热影响区中的焊趾裂纹、层状撕裂和熔合线区附近的显微裂纹；焊接接头中的气孔是仅次于焊接裂纹的重要缺陷，与其它金属材料相比，铝合金的焊接接头容易产生气孔；夹渣是较重要的焊接缺陷，在铝焊缝中有金属的和非金属的两种形式，应尽量避免；未熔合是不允许存在的，未焊透对于双面焊接的焊缝是不允许存在的；在焊接过程还存在合金元素的蒸发。
3 实验材料及方法
3.1母材及焊接材料
本试验采用在生产中使用比较广泛的5083铝合金，具有良好的抗蚀性和低温性，同时它具有铝合金共有的特点，即强的氧化能力、较高的热导率等。一般说来，当焊接合金材料时，填充金属对焊缝金属、焊接接头的物理和化学性能均有颇大的直接影响，因此焊接填充材料的选择极为重要，原则上应该具有能够保证焊接接头的使用性能，保证焊缝金属和焊接热影响区具有良好的力学性能和综合性能；保证焊缝具有一定的致密性，即没有气孔、夹渣、或者气孔和夹渣的数量、尺寸、形状不超过允许值；能够防止在焊接接头内部产生冷裂纹和热裂纹；具有良好的工艺性。我国较为通用的焊丝为HS311，这种焊丝的液态金属流动性好，特别是凝固时的收缩率小，因此具有优良的抗裂性能，焊缝金属中粗大的柱状晶粒少，接头力学性能高。
Al-Mg合金焊接时，为弥补焊接过程中烧损的Mg，应采用含Mg量比基体金属高1%~2%的焊丝。但HS311虽然Mg量在5%左右，由于其中的Si易于基体金属中Mg形成Mg2Si脆性相，以致降低焊缝金属的塑性及耐蚀性，因此一般不采用HS311焊接铝镁合金[5]。
本课题试验采用填丝焊接方法，我们采用了三种填充材料，分别为进口美国GULF公司生产的ER5183焊丝(φ＝1.2mm,化学成分见表2.3)，5083边角料(经机械加工为截面为1.5*1.5mm2的细条)。
3.2 焊接接头的设计
焊接接头是焊接结构的重要组成部分，其性能的好坏和焊接接头设计的合理性与焊接结构的性能和安全等方面有着直接的联系。铝合金的焊接接头的形式可以采用对接、外角接、搭接、V形对接、X形对接等，铝合金焊接时的坡口制作极为重要，坡口不当，很容易导致为熔合或线性夹渣的产生。铝合金常见的坡口形式、坡口尺寸及装配间隙根据工件的厚度决定[6]。本试验接头形式采用对接接头，接头和坡口的具体尺寸如图2所示。
 

图2 焊接接头形式及坡口尺寸
3.3 焊接方法选择
本试验根据目前焊接有色金属的焊接方法和各种焊接方法在焊接过程中的可操作性和普遍使用情况，采用使用较为广泛的钨极氩弧焊。使用该焊接方法使得氩气能够有效的隔绝空气，而它本身又不溶入金属或者与金属反应生成其他化合物。钨极氩弧焊过程中电弧具有自动清除工件表面的氧化膜，可以成功地焊接易
氧化和化学活性较高的铝合金，同时钨极电弧稳定，即使在很小的电流下仍然可以稳定燃烧，可以对铝合金薄板、超薄板进行焊接[7]。
3.4 垫板和焊接前表面处理
在焊接铝合金时，由于铝合金熔点较低，焊接时操作人员很难观察焊缝的熔化过程，温度升高时，熔池的颜色无显著变化，很容易产生烧穿和塌陷的焊接缺陷，为了避免这种焊接缺陷在试验中的产生，该试验采用不锈钢垫板如图3所示。
 

图3 铝合金焊接垫板
为了防止铝合金板材、型材、锻件、铸件的腐蚀，通常在使用前都要进行氧处理本试验采用机械清理，用钢丝刷清理表面氧化物，清理范围为焊接试件正反面距离坡口中心25mm内的氧化物和污物。该试验采用的抛光织物为金丝绒。
4 试验结果
为了能够准确的研究焊接参数对焊接接头性能和组织的影响，该试验根据相关文献和试验总结对铝合金钨极氩弧焊的焊接电流、气体流量、钨极直径等参数规定如表1。
表1焊接试验分组情况及焊接工艺参数

组号 母材种类 填充材料 焊接电流(A) 氩气流量(l/m) 钨极直径(mm)
1 5083 ER5183焊丝 100~120 10 3
2 5083 5083边角料 100~120 10 3
本试验的所有焊接接头在焊接时均采用单面焊双面成形，一道焊缝焊接完成。二组试样通过对焊接试样的宏观结果分析发现，焊接时焊缝表面均未发现表面裂纹，如图3所示。
 

图3 宏观焊缝表面
当采用表1所示的三种不同填充金属对相同的母材进行施焊后，所得到焊缝金属在基体组织形貌上都比较相似，二组号试样中也存在着少量的夹杂和气孔如图4所示。


图4 试样的焊缝金属金相组织
将分组焊接试样按ASME-IX标准进行焊缝金属力学性能测试，结果见表2。
表2分组焊接试验焊缝金属的力学性能
组号 填充材料 抗拉强度
σb(MPa) 屈服强度
σ0.2(MPa) 延伸率
δ(%)
1 ER5183焊丝 315.3 158.2 14
2 5083边角料 296.3 144.9 12.2
从表中可以看出，一组号的力学性能优良，二组号的力学性能略差。
5 结论
由于铝合金具有一系列优良特性，在各个领域得到了广泛的应用。随着焊接技术的不断进步，铝合金结构件的使用也变得越来越普遍，正在成为代替钢材的理想材料。但与进口铝合金和铝合金焊接材料的性能相比，目前国产化的铝合金和铝合金焊接材料均还存在着一定的差距。本文针对常用的5083铝目前缺乏理想的国产化配套焊接材料问题，采用了两种不同的焊接填充材料进行手工TIG平板对焊实验。通过对比试验后发现，采用进口ER5183焊丝所焊接焊接接头的性能最好。
参考文献：
[1]任小灵,钟渝.浅谈汽车工业的发展与铝工业.上海有色金属.2000,21(2):80~87
[2]霍烨.奥迪公司轿车铝材应用技术.汽车工业研究.2000,(6):34~35
[3]顾宝迪,陈根宝,金心溥编著.有色金属焊接.北京:机械工业出版社,1995:2~5
[4]阿荣.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究.兰州理工大学硕士论文.2004
[5]张修智等.高强铝合金(LY12CZ)焊接性的研究.焊接,1981,(4):1~7
[6]吕德林,李砚珠，焊接金相分析，机械工业出版社.1987年10月
[7]杨道明,朱勋,李紫桐，金属力学性能与失效分析.冶金工业出版社，1991，159～1185