鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點(diǎn)
1 易氧化
鋁和氧的親和力很強(qiáng)。在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續(xù)氧化，對(duì)自然防腐有利，但它給焊接帶來了困難，這是由于氧化鋁的熔點(diǎn)(2050℃)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋁的熔點(diǎn)(600℃左右)，比重約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，會(huì)阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣，而且氧化鋁薄膜還吸附了較多的水份，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。
2 較大的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容
鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的四倍，因此，焊接鋁材管時(shí)，比鋼管焊接要消耗更多的熱量，為得到的焊接接頭，必需采用能量集中，功率大的熱源。
3 易形成氫氣孔
鋁及鋁合金的焊接氣孔主要?dú)錃饪?。鋁在液態(tài)時(shí)能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g，前后相差近20倍。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的焊接工藝條件下，其冷卻速度為鋼的4～7倍，使金屬結(jié)晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時(shí)析出大量過飽和氣體，氫氣來不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此，在焊接鋁材時(shí)，焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向很大。

5A02 飛機(jī)油箱與導(dǎo)管，焊絲，鉚釘，船舶結(jié)構(gòu)件。
5A03 中等強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)，冷沖壓零件，焊接容器，焊絲，可用來代替5A02合金。
5A05 焊接結(jié)構(gòu)件，飛機(jī)蒙皮骨架。
5A06 焊接結(jié)構(gòu)，冷模鍛零件，焊拉容器受力零件，飛機(jī)蒙皮骨部件。
5A12 焊接結(jié)構(gòu)件，甲板。

焊前預(yù)備
(1)焊前清理 鋁及鋁合金焊接時(shí)，焊前應(yīng)嚴(yán)格清除工件焊口及焊絲表面的氧化膜和油污，清除質(zhì)量直接影響焊接工藝與接頭質(zhì)量，如焊縫氣孔產(chǎn)生的傾向和力學(xué)性能等。常采用化學(xué)清洗和機(jī)械清理兩種方法。
1）化學(xué)清洗 化學(xué)清洗，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及尺寸不大、成批生產(chǎn)的工件。可用浸洗法和擦洗法兩種。可用、汽油、煤油等表面往油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液堿洗3 min～7 min(純鋁時(shí)間稍長但不超過20 min)，活動(dòng)凈水沖洗，接著用室溫至60℃的30％HNO3溶液酸洗1 min～3 min，活動(dòng)凈水沖洗，風(fēng)干或低溫干燥。
2）機(jī)械清理 在工件尺寸較大、生產(chǎn)周期較長、多層焊或化學(xué)清洗后又沾污時(shí)，常采用機(jī)械清理。先用、汽油等擦試表面以除油，隨后直接用直徑為0.15 mm～0.2 mm的銅絲刷或不銹鋼絲刷子刷，刷到露出金屬光澤為止。一般不宜用砂輪或普通砂紙打磨，以免砂粒留在金屬表面，焊接時(shí)進(jìn)進(jìn)熔池產(chǎn)生夾渣等缺陷。另外也可用刮刀、銼刀等清理待焊表面。
工件和焊絲經(jīng)過清洗和清理后，在存放過程中會(huì)重新產(chǎn)生氧化膜，特別是在濕潤環(huán)境下，在被酸、堿等蒸氣污染的環(huán)境中，氧化膜成長得更快。因此，工件和焊絲清洗和清理后到焊接前的存放時(shí)間應(yīng)盡量縮短，在天氣濕潤的情況下，一般應(yīng)在清理后4 h內(nèi)施焊。清理后如存放時(shí)間過長(如超過24 h)應(yīng)當(dāng)重新處理。
(2)墊板 鋁及鋁合金在高溫時(shí)強(qiáng)度很低，液態(tài)鋁的活動(dòng)性能好，在焊接時(shí)焊縫金屬輕易產(chǎn)生下塌現(xiàn)象。為了焊透而又不致塌陷，焊接時(shí)常采用墊板來托住熔池及四周金屬。墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個(gè)圓弧形槽，以焊縫成型。也可以不加墊板單面焊雙面成型，但要求焊接操縱熟練或采取對(duì)電弧施焊能量嚴(yán)格自動(dòng)反饋控制等工藝措施。
(3)焊前預(yù)熱 薄、小鋁件一般不用預(yù)熱，厚度10 mm～15 mm時(shí)可進(jìn)行焊前預(yù)熱，根據(jù)不同類型的鋁合金預(yù)熱溫度可為100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、電爐或噴燈等加熱。預(yù)熱可使焊件減小變形、減少氣孔等缺陷。

空分冷箱內(nèi)塔容器為鋁制容器，容器運(yùn)輸尺寸超長，為運(yùn)輸方便，通常分成上下兩段運(yùn)輸，安裝時(shí)需在現(xiàn)場組對(duì)焊接,但現(xiàn)場的焊接環(huán)境、焊接設(shè)備都不如在制造廠，因此我們從各方面采取措施，焊接質(zhì)量。對(duì)焊接操作人員和檢驗(yàn)人員提出了嚴(yán)格的要求：1）擔(dān)任本設(shè)備焊接的焊工持有經(jīng)國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局考核認(rèn)證的操作證；2）焊接質(zhì)檢人員、無損探傷人員持有國家相關(guān)部門考試認(rèn)證的操作證書；3）其他組對(duì)人員應(yīng)熟知操作步驟、施工技術(shù)要求，配合焊工焊接質(zhì)量。



1、焊接材料及相關(guān)設(shè)施的要求
1）焊接材料的要求：所用的焊接材料有質(zhì)量書或合格書，質(zhì)量不得低于國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。材料使用前，應(yīng)按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢查和驗(yàn)收；
2）焊絲根據(jù)母材材質(zhì)選用牌號(hào)：鋁鎂合金焊絲ER5183；
3）采用4臺(tái)工藝、性能穩(wěn)定、靈敏度高的大功率WSME—500氬弧焊機(jī)進(jìn)行焊接；
4）選用具有能滿足安裝需要的射線無損探傷檢測設(shè)備；
5）現(xiàn)場要設(shè)有焊材室及烘干、去污設(shè)施，由專人負(fù)責(zé)焊材的保管、發(fā)放及回收工作。
2、施焊環(huán)境的要求
1）搭建密封的臨時(shí)焊接小棚可以擋風(fēng)、防雨。冬季施工時(shí)，在焊前進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訙靥幚?，環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，不應(yīng)施焊；
2）氬弧焊焊接時(shí)的風(fēng)速不應(yīng)超過2m/s；
3）鋁及鋁合金焊接時(shí)，應(yīng)選擇晴朗天氣，周圍環(huán)境濕度在80%以下；
4）焊工施焊所用的腳手架要便于焊工操作，并要堅(jiān)固、平整、無大間隙、不擺動(dòng)。
3、焊接技術(shù)
1）施工順序。塔上、下段對(duì)接坡口加工— 塔下段吊裝就位—塔上段吊裝—組對(duì)—焊縫焊接—射線探傷—不合格焊縫返修—射線探傷—驗(yàn)收；
2）塔坡口加工形式。坡口要在地面加工好，用法蘭箍調(diào)整，消除焊口的橢圓度，并焊好襯圈，清除鋁屑。起吊時(shí)，焊口要用塑料布封閉。焊口內(nèi)壁應(yīng)對(duì)齊，當(dāng)壁厚δ≤5mm時(shí)，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不應(yīng)大于0.5mm；當(dāng)壁厚δ>5mm時(shí)，內(nèi)壁錯(cuò)邊量不應(yīng)大于0.1δ，且不應(yīng)大于2mm。具體坡口形式，見圖1塔破口加工形式；


3）焊前準(zhǔn)備。（1）氣焊工具二套，作焊前預(yù)熱用；（2）氬氣純度應(yīng)大于99.99%；（3）清理工具：電動(dòng)圓盤鋸，銼刀，鋼絲刷（輪），電動(dòng)銑刀、刮刀等；（4）楔板修正焊縫錯(cuò)口用；（5）焊件組對(duì)前，用三氯乙烯等除去表面油污，兩側(cè)坡口的清理范圍不應(yīng)小于50mm；清除油污后，坡口及其附近的表面可用銼刀、刮削、銑削或用鋼絲刷清理至露出金屬光澤，注意塔體壁厚減薄不能大于0.5mm；使用的鋼絲刷應(yīng)定期進(jìn)行脫脂處理；（6）焊絲去除油污后，應(yīng)用化學(xué)方法去除氧化膜，可用5~10%的NaOH溶液，在溫度為70℃下浸泡30~60s，然后水洗，再用15%左右的HNO3在常溫下浸泡2min，然后用溫水洗凈、晾干并保持干凈清潔；（7）焊件和焊絲清理后在24h內(nèi)使用，如超過24h，要重新清洗。（8）正式焊前應(yīng)，用試板做好各項(xiàng)工藝參數(shù)的模擬試驗(yàn)，其母材材質(zhì)、工藝條件、焊工、保護(hù)氣均要和正式焊接時(shí)相同;試板長度不得小于500mm，試板焊接接頭要射線檢測，應(yīng)符合JB/T 4730.2—2005—Ⅱ級(jí)，焊接試板不合格不得正式焊接。
4）焊接工藝。（1）焊接前，坡口、焊絲及不小于坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的表面，用脫脂劑擦洗干凈，用不銹鋼絲刷清除氧化膜；清理下坡口時(shí)應(yīng)向外刷，清理上坡口時(shí)，下部容器開口應(yīng)用塑料布封好，防止鋁屑進(jìn)入容器內(nèi)；（2）焊縫采用手工鎢極氬弧焊雙人單面焊，焊接時(shí)應(yīng)注意A 、B 焊工要配合默契，同向、等速，焊接過程中隨時(shí)檢查垂直度，并利用焊接反變形方法及時(shí)調(diào)整，焊縫應(yīng)不間斷一次性焊完；（3）一周點(diǎn)固焊完畢，間隙會(huì)產(chǎn)生收縮，但起碼要保持3~5mm的間隙。定位焊長度為40mm左右，每隔500mm左右作一定位焊；（4）當(dāng)環(huán)境溫度小于5 ℃，壁厚大于8mm時(shí)焊前應(yīng)用H01-20焊炬在焊縫坡口二側(cè)均勻加溫到100~200 ℃；因焊件厚度較大，應(yīng)采用多層多道焊；（5）實(shí)際焊接時(shí)的焊接工藝參數(shù)應(yīng)與試板模擬試驗(yàn)基本保持一致，對(duì)于不同的壁厚推薦表1焊接工藝參數(shù)；（6）多層多道焊時(shí)，每焊完一遍應(yīng)用機(jī)械方法清理氧化膜，為焊接質(zhì)量，層間溫度不得超過65 ℃；（7）焊接過程中，如點(diǎn)固焊開裂，造成錯(cuò)口，應(yīng)停止焊接，經(jīng)修復(fù)后方可繼續(xù)焊接；（8）當(dāng)鎢極出現(xiàn)觸鎢現(xiàn)象時(shí)，停止焊接，將鎢極、焊絲、溶池處理干凈后，方可繼續(xù)；（9）總的施焊原則是：大電流、快速焊；（10）焊縫除未焊透，有裂紋外，應(yīng)盡量減少返修；多次返修會(huì)引起設(shè)備變形和影響焊接接頭的質(zhì)量（很容易產(chǎn)生裂紋），因此力求一次焊接成功。如有非危害性缺陷（圓形氣孔）超標(biāo)，應(yīng)由設(shè)計(jì)、和監(jiān)理單位協(xié)商處理，盡量不要返修；（11）焊接返修時(shí)，應(yīng)用機(jī)械方法，將缺陷處鏟除，并按焊接工藝評(píng)定參數(shù)進(jìn)行焊接；同一部位的返修不得超過兩次，否則要制定措施并經(jīng)技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)；（12）在焊接過程中應(yīng)隨時(shí)測量塔的垂直度、水平度，吊具待全部焊接完畢并經(jīng)探傷檢查合格后方可拆除；（13）焊接完畢，表面美觀、平整，鱗紋均勻，沒有表面氣孔、裂紋等缺陷；然后RT檢查，RT應(yīng)不低于JB 4730—94—Ⅱ級(jí)片，PT為Ⅰ級(jí)。


4、塔焊縫返修
塔上下段焊縫射線探傷局部不合格時(shí)，進(jìn)行塔焊縫的局部返修。返修前，用倒鏈吊掛上塔在冷箱骨架上，避免返修焊縫受重力影響。返修焊縫確定缺陷位置后，磨除缺陷，進(jìn)行補(bǔ)焊，直至焊縫質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，焊口返修次數(shù)不準(zhǔn)超過兩次。
5、技術(shù)安全措施
1）嚴(yán)格執(zhí)行單項(xiàng)工程安全技術(shù)措施中規(guī)定的各項(xiàng)規(guī)章制度。2）高空作業(yè)一定要系好安全帶。3）焊接過程中，注意保護(hù)容器，避免損傷容器表面。4）引弧宜在引弧板上進(jìn)行，引弧板和熄弧板的材料應(yīng)與母材相同；5）焊接完畢，用記號(hào)筆在焊縫附近寫上焊工號(hào)為探傷做好準(zhǔn)備。6）電焊機(jī)、氬弧焊機(jī)等焊接設(shè)備的機(jī)殼都可靠接地。焊接設(shè)備的安裝、修理和檢查須由電工進(jìn)行，焊工不要私自拆修設(shè)備。7）電焊機(jī)要設(shè)單的開關(guān)，開關(guān)應(yīng)放在防雨的閘箱內(nèi)，拉合時(shí)應(yīng)戴手套側(cè)向操作。8）更換場地移動(dòng)把線時(shí)，應(yīng)切斷電源，并不得手持把線爬梯登高。9）焊工應(yīng)正確穿戴勞動(dòng)防護(hù)用品，磨削鎢棒時(shí)，應(yīng)戴口罩、手套，磨完后須洗手。敲鏟焊渣和清除鐵銹時(shí)，應(yīng)戴好手套和防護(hù)眼鏡。在潮濕地點(diǎn)工作，應(yīng)站在絕緣膠板或木板上。10）焊接場所有防火設(shè)備，易燃易爆物品距焊接場所至少10m；11）焊工在高空作業(yè)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格采取預(yù)防措施，防止液態(tài)金屬的飛濺，防止火災(zāi)的發(fā)生或灼傷下面的操作工人；12）氧氣瓶和乙炔瓶應(yīng)小心輕放，安全運(yùn)輸，分開放置，并相距5m以上；夏季作業(yè)時(shí)氧氣瓶和乙炔瓶放在涼棚內(nèi)，以防受到烈日曝曬，引起氣體膨脹而發(fā)生爆炸事故；雷雨時(shí)，應(yīng)停止露天焊接作業(yè)。13）焊接區(qū)域應(yīng)放置安全，以免閑人進(jìn)入。14）嚴(yán)格按各工種安全操作規(guī)程施工，嚴(yán)禁作業(yè)。
6、結(jié)束語
塔上下段的組對(duì)焊接是空分焊接施工中的重要焊縫之一，此焊接位置為橫焊，要求焊工既要有過硬的焊接技術(shù)，又要熟知焊接變形知識(shí)，才能塔體在焊接過程中的質(zhì)量，同時(shí)也要求每一個(gè)施工人員熟知操作步驟、遵守安全規(guī)程，才能圓滿完成塔容器的組對(duì)焊接工作。

焊接參數(shù) (僅供參考)



4.1. 根據(jù)不同的材料和板厚選用不同型號(hào)的焊絲和直徑



4.2. 常用焊接規(guī)范:
4.2.1. 0.8 毫米焊絲 (板厚小于3毫米): WFS: 12-15m/min, I=70-130A, U=17-21V，焊速=600-1125mm/min
4.2.1. 0.9 毫米焊絲 (板厚小于5毫米): WFS: 10-12m/min, I=145-175A, U=20-22V，焊速=600-1125mm/min
4.2.3. 1.0 毫米焊絲 (板厚大于5毫米): WFS: 8-12m/min, I=150-200A, U=22-24.5V，焊速=600-1125mm/min
4.2.4.1.2 毫米焊絲 (板厚大于5毫米): WFS: 7.5-10m/min, I=190-220A, U=22-26V，焊速=600-800mm/min
4.2.5. 1.6 毫米焊絲 (板厚大于5毫米): WFS: 5-8m/min, I=240-330A, U=24-30V，焊速=400-800mm/min

鋁及鋁合金在現(xiàn)代工程技術(shù)所用的各種材料中占有舉足輕重的地位，它在世界年產(chǎn)量僅次于鋼鐵而居第二位，在有色金屬中則居位。如果說鋁合金初是在航空工業(yè)中嶄露頭角的話，那么近幾十年來，除航空工業(yè)外，在航天、汽車、船舶、橋梁、機(jī)械制造、電工、化學(xué)工業(yè)及低溫裝置中已大量應(yīng)用鋁及鋁合金，以制造各種部件、油箱、耐蝕容器及導(dǎo)線等。目前鋁合金焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣的是防銹鋁合金，即鋁鎂合金和鋁錳合金。


?保護(hù)氣體的選擇?
焊接時(shí)所用的保護(hù)氣體有惰性氣體氬氣（Ar）和氦氣（He），生產(chǎn)上普遍使用氬氣。用于焊接鋁及鋁合金的氬氣滿足下列純度（體積分?jǐn)?shù)）要求：氬氣大于99.99%，氦氣小于0.04%，氧氣小于0.03%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.07%。目前國內(nèi)生產(chǎn)的氬氣，其純度一般能達(dá)到此要求，故在使用前不需再進(jìn)行提純處理。
?鎢電極的選用?


氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，不容易熔化揮發(fā)，但電子發(fā)射能力比釷鎢、鈰鎢要差。在純鎢中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%~2.0%的氧化釷（Tho）電極稱為釷鎢極。它的電子發(fā)射能力強(qiáng)，允許的電流密度高，電弧燃燒穩(wěn)定。
?溶劑的選擇?
在氣焊、碳弧焊過程中，熔化的金屬表面極易氧化而形成氧化膜，為焊接質(zhì)量，用熔劑去除氧化膜及其他雜質(zhì)。氣焊、碳弧焊用的熔劑是各種鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物粉末的混合物。
?焊絲的選用?
在鋁合金材料的焊接過程中，鋁合金用焊絲的選用至關(guān)重要，選取前應(yīng)該了解以下內(nèi)容：
?是否所有的鋁合金材料都可用作焊接填充合金？
?是否所有的鋁合金都可以焊接？
?應(yīng)避免發(fā)生的缺陷有哪些？
?如何選擇焊接填充合金？
?選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的標(biāo)準(zhǔn)是什么？
?鋁合金系列需要了解?
選擇什么樣的焊絲？
一種母材可以用多種鋁合金焊材完成焊接 ，如5083-5083的焊接：可用 5356，5183，5556 等焊絲。但是每一種焊絲得到的焊接接頭可能只能在某一個(gè)性能方面是佳的。選擇佳的焊絲時(shí)，主要應(yīng)考慮焊接件的終使用性能。整體來說，主要考察以下幾個(gè)性能指標(biāo)：


總之，選擇鋁合金焊絲過程中，只有在對(duì)鋁件焊接及其應(yīng)用中的許多相關(guān)變量進(jìn)行了充分分析后，才能選擇出合適的合金填料。

鋁及鋁合金焊接規(guī)程詳解
本規(guī)程規(guī)定了鋁及鋁合金焊接的基本要求，適用于鋁及的手工鎢極氬弧焊或氣焊或熔化極氬弧焊等焊接的鋁及鋁合金制單層容器、襯鋁容器的鋁焊接工藝。
一、焊接用材料：
1.焊接用氬氣純度≥99.99%，≤-55℃，并應(yīng)符合GB/T4842或GB10624的規(guī)定。當(dāng)瓶裝氬氣的壓力≤0.5Mpa時(shí)不宜使用。（氬氣內(nèi)含氮量≥0.04%，否則焊縫表面上會(huì)產(chǎn)生淡或草綠色的氮化鎂及氣孔；含氧量≥0.03%，否則熔池表面上可發(fā)現(xiàn)密集的黑點(diǎn)、電弧不穩(wěn)和飛濺較大；含水量≥0.07%，熔池將沸騰并焊縫內(nèi)產(chǎn)生氣孔）。
2.手工鎢極氬弧焊電極采用鈰鎢電極。電極直徑應(yīng)根據(jù)焊接電流大小來選擇（使用時(shí)一般比焊接電流所要求的規(guī)格大一號(hào)的鎢極），電極端部應(yīng)為半球形（制作半球形方法：用比焊接電流所要求的規(guī)格大一號(hào)的鎢極，將端部磨成錐形，垂直夾持電極，用比所用鎢極要求的電流大20~30A的電流在試板上起弧并維持幾秒鐘，鎢極端頭即呈半球形。如果鎢極被鋁污染，則重新打磨或更換鎢極；輕微污染時(shí)，可電流使電弧在試板燃燒一會(huì)，即能燒掉污染物）：鈰鎢電極直徑mm
2
2.5
3.2
4.0
5.0
（正接時(shí)）焊接電流A
100~200
170~250
200~300
350~480
500~675

（反接時(shí)）焊接電流A
15~25
17~30
20~35
35~50
50~70

（交流時(shí)）焊接電流A
85~160
120~210
150~250
240~350
330~460
3.用MIG焊鋁合金時(shí)，由于鋁焊絲比較軟，為避免咬傷焊絲，送絲輪不允許用帶齒輪的送絲輪，不宜用推絲式；送絲軟管不準(zhǔn)用彈簧管而是用聚四氟乙烯或尼龍制品，不然由于磨削而污染或堵塞軟管。MIG通常用直流反極性。
4.焊劑主要作用是去除氧化膜和其它一些雜質(zhì)，使用時(shí)可用無水酒精調(diào)成糊狀或直接將焊劑粉放在坡口和兩側(cè)。當(dāng)焊接角焊縫時(shí)應(yīng)選用那些焊后容易清除熔渣的焊劑；鋁鎂合金用焊劑不宜含有鈉的組成物。
5.不同牌號(hào)的鋁材相焊時(shí)，當(dāng)圖紙和工藝都沒有規(guī)定時(shí)，按耐腐蝕性能較好和強(qiáng)度級(jí)別較低的母材去選擇焊絲材料。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時(shí)，宜采用含鎂量或含錳時(shí)與母材相近或比母材稍高的焊絲。焊絲可從GB/T10585《鋁及鋁合金焊絲》選取，也可從GB/T3190《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》和GB/T3197《焊條用鋁及鋁合金線材》中選取。焊絲選用時(shí)可參考下面幾個(gè)表（表3和表4摘自《焊接手冊》）：