铝及铝合金焊丝发展.doc

铝及铝合金焊接工艺及其焊丝发展

组员（第五组）：李庆树 关子健 梁志宽 黄理宽 莫先耀 陈长阳
摘要： 铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用。掌握铝合金的焊接性特点、焊接操作技术、接头质量和性能、缺陷的形成及防止措施等，对正确制定铝合金的焊接工艺，获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义。随着焊接工艺发展，铝合金焊丝也受到人们的关注，介绍铝合金焊丝的化学成分、产品性能及选择原则,阐述其生产工艺的发展现状,指出我国焊丝生产存在的问题,展望铝合金焊丝的发展趋势。
关键词:铝及铝合金;焊丝;焊接：工艺
Aluminum and aluminum alloy welding wire technology and its development
Abstract: aluminum alloy has high corrosion resistance, good specific strength and thermal conductivity and the temperature can maintain good mechanical properties and other characteristics, are widely used in aerospace, automotive, electrical, chemical, transportation, national defense and other industrial sectors. Master of aluminum alloy welding characteristics, operation technology and joint quality and performance, welding defect formation and prevent measures of welding process, the correct formulation of the aluminum alloy, and has very important significance to obtain the good performance of the scope of application of the joint and the expansion of aluminum alloy. With the development of welding technology, welding wire of aluminum alloy is attention, introduces the chemical composition, product performance and selection principle of aluminum alloy welding wire, mainly describes the present situation of its production process, points out the existing problems of China's production of welding wire, aluminum alloy wire development trend prospect.
Keywords: aluminum and aluminum alloy; welding wire; welding process

第一章
1.1铝合金的分类、成分和性能
（1）铝合金的分类 
铝合金可分为变形铝合金（双分为非热处理强化铝合金、热处理强化铝合金两类）铸造铝合金。变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板、带、管、型、条等半成品材料；铸造铝合金以合金铸锭供应。
按GB/T3190—1996和GB/T16474—1966的规定，铝合金牌号命名的基本原则是：可直接采用国际四位数字体系牌号。四位字符牌号的第一位、第三位、第四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母。2×××为Al－Cu系，3×××为Al－Mn系，4×××为Al－Si系，5×××为Al－Mg系，6×××为Al－Mg－Si系，7×××为Al－Zn系，8×××为Al－其他元素，9×××为Al－备用系。这样，我国变形铝合金的牌号表示法与国际上的通用方法基本一致。
1）非热处理强化铝合金 
非热处理强化铝合金通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝，原先代号为LF××。Al－Mn合金和Al－Mg合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并且具有优异的抗腐蚀性和良好的焊接性，是目前焊接结构中应用最广的铝合金、超硬铝、锻铝等。 
硬铝  硬铝的牌号是按铜的增加顺序编排的。Cu是硬铝的主要成分，为了得到高的强度，Cu含量一般应控制在4.0%～4.8%。Mn也是硬铝的主要成分，主要作用是消除铁对抗蚀性的不利的影响，还能细化晶粒、加速时效硬化。在硬铝合金中，铜、硅、镁等元素能形成溶解于铝的化合物，从而促使硬铝合金在热处理时强化。 
退火状态下硬铝的抗拉强度为160～220MPa，经过淬火及时效后抗拉强度增加至312～460MPa。但硬铝的耐蚀性能差，为了提高合金的耐蚀性，常在硬铝板表面覆盖一层工业纯铝保护层。 
超硬铝  合金中锌、镁、铜的平均总含量可达9.7%～13.5%，在当前航空航天工业中仍是强度最高和应用最多的一种轻合金材料。超硬铝的塑性和焊接性差，接头强度远低于母材。由于合金中锌含量较多，形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大。 
锻铝  具有良好的热塑性，而且铜含量越少热塑性越好，适于作锻件用。具有中等强度和良好的抗蚀性，在工业中得到广泛应用。
（2）铝合金的性能 
铝合金的物理性能见表1.3。
防锈铜器（铝锰合金、铝镁合金）主要用于要求高的塑性的焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件等。铝合金被广泛应用航空航天、建筑、汽车、机械制造、电工、化学工业、商业等领域。铝合金在飞机制造中是主要的结构材料，它约占骨架质量的55%，而且大部分关键轴承部件，如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等是由铝合金制造的。

1.2 铝合金的焊接性特点 
铝合金熔化焊时有如下困难和特点： [1]
（1） 铝和氧的亲和力很大，因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝膜远远超过铝的熔点，这层氧化膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿。在焊接或钎焊过程中应将氧化膜清除或破坏掉。
（2）熔焊时，铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上。在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素可获得不同性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响不同。 
（3） 铝合金的固态和液态色泽不易区别，焊接操作时难以控制熔池温度。 
（4）焊后焊缝易产生气孔，焊接接头区易发生软化。
对铝合金进行焊接，可以用多种不同的焊接方法，表1.4所列的为部分铝合金的相对焊接性。
现代科学技术的发展促进了铝合金焊接技术的进步。可焊接的铝合金材料范围逐步扩大，现在不仅可以成功地焊接非热处理强化的铝合金，而且解决了传统的航空航天和军工等行业，逐步扩大到国民经济生产和人民生活的各个领域。
2   铝合金的焊接方法和材料选用 
2.1铝合金的焊接方法 
铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。 
铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表2.1。应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。

（1）气焊 
氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。这种方法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。 
（2）钨极氩弧焊 
这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。 
（3）熔化极氩弧焊 
自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍。可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。例如，焊接厚度30㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。 
（4）脉冲氩弧焊
1）钨极脉冲氩弧焊 
用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。 
2）熔化极脉冲氩弧焊 
可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。 
（5）电阻点焊、缝焊 
可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。 
（6）搅拌摩擦焊 
搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。

2.2 铝用焊接材料 
（1）焊丝 
采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。为了得到良好的焊接接头，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材[2]。 
选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能，结构的刚性、颜色及抗裂性等。选择熔化温度低于母材的填充金属，可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向。对于非热处理合金的焊接接头强度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。含镁3%以上的5000系的焊丝，应避免在使用温度65℃以上的结构中采用，因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感，在上述温度和腐蚀环境中会发生应力腐蚀龟裂。用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可防止焊缝金属的裂纹倾向。 
目前，铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的标准牌号焊丝。在缺乏标准牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。较为通用的焊丝是HS311，这种焊丝的液态金属流动性好，凝固时的收缩率小，具体优良的抗裂性能。为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作为变质剂。 
选用铝合金焊丝应注意的问题如下。 
1）焊接接头的裂纹敏感性  影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配。选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。例如，焊接硅含量0.6%的6061合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，但用硅含量5%的ER4043焊丝，由于其熔化温度比6061合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。此外，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为Al－Mg－Cu有很高的裂纹敏感性。 
2）焊接接头的力学性能  工业纯铝的强度最低，4000系列铝合金居中，5000系列铝合金强度最高。铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。 
3）焊接接头的使用性能  填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。在这种情况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。 

（2）焊条 
铝合金焊条型号、规格与用途见表2.2。铝合金焊条的化学成分和力学性能见表2.3。
（3）保护气体 
焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气。氩气的技术要求为Ar＞99.9%,氧＜0.005%，氢＜0.005%，水分＜0.02mg/L，氮＜0.015%。氧、氮增多，均恶化阴极雾化作用。氧＞0.3%，则使钨极烧损加剧，超过0.1%使焊缝表面无光泽或发黑。 
钨极氩弧焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚度板；直流正极性焊接选用Ar+He或纯Ar。 
熔化极氩弧焊时，当板厚＜25㎜时，采用纯Ar。当板厚为25～50㎜时，采用添加10%～35%Ar的Ar+He混合气体。当板厚为50～75㎜时，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar+He混合气体。当板厚＞75㎜时，推荐添加50%～75%He的Ar+He混合气体。

第二章
1　铝合金焊丝的化学成分
铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为热处理强化铝合金和热处理不可强化铝合金。用于焊接铝合金的铝合金焊丝分为电极丝及填充丝。铝合金焊丝化学成分,除铝基体外一般还含有各种主要合金元素、添加的微量元素及杂质元素[3]。合金元素的种类和含量决定着焊丝的使用性能,如力学性能、焊接性能、耐蚀性能等。以用途广泛的ＥＲ5356合金焊丝为例,其化学成分(质量分数)为:Ｍｇ5%、Ｃｒ0.10%、(Ｆｅ+Ｓｉ)0.3%、Ｃｕ≤0.05%、Ｚｎ0.05%、Ｍｎ0.15%、Ｔｉ0.1%、Ａｌ余量。其中,主要合金元素Ｍｇ与Ａｌ形成固溶体基体,少量形成Ａｌ8Ｍｇ5粒子;Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ等都是起微合金化、强韧化作用的微量元素。Ｃｒ和Ｍｎ能提高合金的耐应力腐蚀性能;Ｔｉ可形成ＴｉＡｌ3,起细化晶粒、提高抗裂纹能力的作用,并可改善合金的可焊性;杂质Ｆｅ和Ｓｉ会降低合金的耐蚀性和机械性能,尤其对Ｍｎ含量较高的金更为明显;杂质元素Ｎａ严重影响合金的热变形性能,Ｎａ含量超过0.001%就会出现“Ｎａ脆性”,在高Mｇ合金中尤为显著。我国铝及铝合金焊丝型号以“Ｓ”开头,后面的化学元素符号表示主要合金组成,尾部的数字表示同类焊丝的不同品种。
2　铝合金焊丝产品及性能
1904年瑞典人奥斯卡尔凯·吉尔伯格(ＯｓｃａｒＫｊｅｌｌｂｅｒｇ)建立了世界第一家焊条厂(ＯＫ焊条厂,即现在的ＥＳＡＢ公司)。其后,焊接冶金研究不断深入,20世纪50年代、70年代相继开发出了实心焊丝气保焊和气保护药芯焊丝,并得到广泛应用。在“七五”、“八五”期间,我国重点推广ＣＯ2半自动化焊接技术,带动了实心焊丝的发展[4-5]。目前,我国已有近百家实心焊丝生产厂,几十家药芯焊丝生产厂,并能够自行设计制造实心焊丝、药芯焊丝生产线。铝及铝合金的广泛应用以及铝合金焊接技术的飞速进步,使得铝及铝合金焊丝日益引起人们的关注。目前,国外只有少数几家公司掌握铝及铝合金焊丝生产技术,如德国的ＶＡＷ、美国的Ａｌｃｏａ、日本的ＫＯＫ等。日本的铝及铝合金焊丝的工业标准(ＪＩＳＺ3232)基本是参照美国标准,其产品质量在1970年以前尚落后于欧美等国,其后产品质量显著提高,目前已达到国际先进水平[6]。
3　铝及铝合金焊丝材料的选用
铝及铝合金焊丝广泛应用于铝合金氩弧焊及气焊。焊丝选用主要根据母材的种类、接头的抗裂性能、机械性能、抗腐蚀性能及经阳极化处理后焊缝与母材的色彩协调等方面的要求综合考虑。一般来说,焊接铝及铝合金都采用与母材相同或相近牌号的焊丝,这样可以获得较好的耐蚀性;但焊接热裂倾向大的热处理强化合金时,选择焊丝时则主要考虑抗裂性。铝镁合金焊接时,为弥补焊接过程中镁的烧损,应避开焊缝易出现裂纹的镁含量临界点(2%),一般采用含镁量比基材高1%～2%的焊丝。另外,采用含Ｍｇ量高的铝合金焊丝焊接高Ｚｎ铝合金时可提高焊缝的抗裂性。以6005Ａ型材为例,其镁含量为0.65%、硅含量为0.70%,采用ＥＲ5356铝合金焊丝可以满足上述要求。依据美国ＡＬＣＯＴＥＣ铝焊接研究所提供的技术资料,并参照德国、日本等国文献报道,焊接7005铝合金型材时可选用的焊丝牌号有ＥＲ5356、ＥＲ5183,接头综合性能均较高;二者比较,ＥＲ5356接头强度稍差,但延伸率较大。综合国外铝合金车辆的成功制造经验,选择ＥＲ5356焊丝焊接7005基材较好[7]。
4　铝及铝合金焊丝生产工艺
目前国内铝合金焊丝线坯的生产工艺大致有立式半连续铸造-挤压法、连铸连轧法、水平连铸连拉法三种。立式半连续铸造-挤压法的工艺流程:配料→熔化→精炼→立式半连续铸造(Υ162ｍｍ圆锭)→铸锭均匀化→铸铸锭加热→热挤压→Υ8ｍｍ线坯;连铸连轧法的工艺流程:配料→熔化→精炼→连续铸造(边长为40～50ｍｍ菱形截面坯料)→热连轧(13道次)→Υ9.8ｍｍ线坯;水平连铸连拉法的工艺流程:配料→熔化→精炼→水平连铸连拉(12个或24个结晶器并联)→Υ12ｍｍ线坯[8]。
目前国内研制的军工用铝合金焊丝线坯的生产主要采用立式半连续铸造-挤压法,其特点是产品质量好、性能稳定,所用设备也可用于生产其它铝合金线材(如铆钉线等),但设备投资较大,工序多,占地面积大,工模具消耗和能耗较高,生产过程中的几何废料也高,产品成品率相对较低;国外铝合金焊丝线坯的生产多采用连铸连轧法,设备投资适中,产品单重大、成材率高(90%以上)、质量相对稳定;水平连铸连拉法的特点是设备投资少,线材的成品率高(90%以上),在纯铝焊丝线坯的生产中优势明显,有取代其它工艺的趋势,但这种方法目前还有一些工艺问题有待解决。
5　结束语
目前我国生产的铝合金焊丝存在严重的质量不稳定问题,某些用途(特别是高速列车)的铝合金焊丝尚依靠进口。因此,控制焊丝的化学成分,提高焊丝的产品质量非常重要。此外,焊丝的表面抛光度、清洁度、丝径均匀度、焊丝翘距和螺旋度等对焊丝质量的影响也不可忽视,同样也是目前铝及铝合金焊丝研制和生产中迫切需要解决的问题。焊丝与焊材比例体现着一个国家的焊接自动化水平[9]。据报道,按照此比例计算,德国的焊接自动化水平达到80%,日本为70%,美国为56%,俄罗斯为40%,我国约为15%。我国应大力发展和推广使用各类焊丝;进一步降低实心焊丝的成本,改善焊缝成形性,减少飞溅;扩大药芯焊丝品种,提高焊丝质量,开发抗气孔性优良的焊丝;全面降低焊接材料发尘量;尽快开展环境协调型焊材的理论研究和应用开发。
参考文献
[1]李亚江——焊接冶金学：材料焊接性第5章.北京:机械工业出版社，2011 
[2] 周万盛.焊接手册一一材料的焊接(第二版)第3篇第12章[M].北京:机械工业出版社,2001.
[3]田荣璋,王祝堂,顾景诚.铝合金及其加工手册[Ｍ].长沙:中南大
学出版社,2000.
[4]周万盛,姚君山.铝及铝合金的焊接[Ｍ].北京:机械工业出版
社,2006.
[5]薛松柏,栗卓新,等.焊接材料手册[Ｍ].北京:机械工业出版
社,2006.
[6]张露菁,邓　键.日本铝及铝合金焊丝的现状与分析[Ｊ].焊接,
2001(12):35-36.
[7]王元良,屈金山,晏传鹏,等.铝合金焊接性能及焊接接头性能
[Ｊ].电焊机,1999,29(2):ｌ-7.
[8]普虎岩,蒋凯歌,李大军.铝及铝合金焊丝化学抛光工艺[Ｊ].材料
保护,2004,37(8).
[9]Ｍ.Ｇ.ＭｅｃｈａｎｉｚｅｄｐｕｌｓｅｄＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓｈｅｅｔｆｏｒｖｅｈｉｃｋｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｗｅｌｄ.ａｎｄＭｅｔ.,Ｆｅｂ.,1984.