铝焊接: 技术, 参数 & 应用领域

1. 介绍

铝焊接在现代制造中起关键作用, 从航空航天到汽车的支撑工业的基础.

当制造商推动打火机, 更有效的结构, 他们越来越依赖铝的高强度重量比.

然而, 铝的独特冶金特征 - 高温电导率, 低熔点, 和顽强的氧化物层 - 解决明显的焊接挑战.

在本文中, 我们探索铝的可焊性基本原理, 调查关键过程, 解剖常见缺陷, 并分享确保强大的最佳实践, 高质量的关节.

2. 铝冶金基本原理

在击打弧线之前, 焊工必须掌握使铝既有吸引力又具有挑战性的冶金基础.

面部中心的立方晶格 & 导热率

铝 在A中结晶 以面部为中心的立方体 (FCC) 格子, 赋予其出色的延展性和韧性.

实际上, 该结构使铝可以在不破裂的情况下经历明显的塑性变形 - 形成复杂形状时的有价值的性状.

然而, 铝的 导热率 (〜237 w/m·k) 跑步近四倍是低碳钢.

最后, 由焊接铝弧注射的热量迅速扩散到碱金属中, 强迫操作员:

• 增加安培 或慢速旅行速度以实现足够的融合
• 预热较厚的部分 (超过 10 毫米) 确保统一穿透
• 使用靠背或寒冷板 焊接细量材料以防止燃烧

氧化膜: 朋友和敌人

铝形成 天然氧化物 层 (al₂o₃) 在微秒的空气暴露中.

这部电影是防止腐蚀的保护屏障, 然而，它在焊接过程中提出了巨大的障碍物:

• 熔点 差距: 氧化铝融化 2,000 °C, 而下面的金属液化 660 °C.
  没有足够的清洁和能量, 氧化可以防止适当的融合.
• 清洁协议: 焊工雇用 碱性脱脂剂, 其次是 不锈钢刷牙 焊接之前.
  一些商店使用 化学蚀刻 (例如。, 稀磷酸) 确保无氧化物表面.

通过努力去除氧化物和选择过程，例如 脉冲电流tig 这可以机械地搜寻焊接区域 - 制造商克服了冶金障碍并实现无缺陷的关节.

3. 铝的常见焊接过程

铝的独特特性产生了多种焊接技术, 每个针对特定厚度量身定制的, 合金系统, 生产率, 和联合要求.

气钨电弧焊接 (GTAW / 氩弧焊)

气钨电弧焊接 (GTAW), 通常称为tig, 提供精确的热控制和最小的飞溅, 使其成为薄型铝的首选方法 (≤ 6 毫米) 和关键关节:

• 操作原则: 惰性的螺旋, 不应耗尽的钨电气在铝表面持有弧形.
  填充线手动或通过进料机构进入水坑.
• 典型参数:

• • 当前的: 50–200 a (AC极性清洁氧化物)
  • 电压: 10–15 v
  • 旅行速度: 200–400毫米/分钟
  • 屏蔽气体: 100% 氩气12-18 l/min

• 优点:

• • 出色的焊珠外观 (RA < 1 µm)
  • 狭窄的热影响区 (热影响区), 减少失真
  • 完全控制热量输入 - 对于诸如6xxx系列的精致合金的必不可少

• 限制:

• • 较低的沉积率 (〜0.5 kg/h) 限制生产力
  • 需要高焊机技能才能保持一致的结果

田 / MIG - 气金属电弧焊接

气金属电弧焊接, 或MIG焊接, 提高沉积率, 使其非常适合中等厚度 (3–12毫米) 铝制制造:

• 操作原则: 连续, 消耗的铝线电极通过焊接枪以氩气或氩气混合屏蔽弧形弧形。.
• 典型参数:

• • 电线直径: 0.9–1.2毫米
  • 当前的: 150–400 a
  • 电压: 18–25 v
  • 电线进料速度: 5–12 m/me (产生5–8 kg/h的沉积)
  • 屏蔽气体: 氩或ar/He (25% 他) 在15–25 l/min

• 优点:

• • 高沉积和旅行速度增加吞吐量
  • 更容易的机械化和机器人整合

• 限制:

• • 更广泛的危险会扩大失真
  • 较高的飞溅和较少精确的珠状形状与tig

等离子体电弧焊接 (爪子)

等离子体电弧焊接将弧浓缩到狭窄的, 高能柱, 将深度穿透与控制融合:

• 操作原则: 狭窄的等离子体电弧在不应收电极和工件之间行驶; 次要屏蔽气体围绕等离子体以保护焊接.
• 典型参数:

• • 气体血浆 (ar或ar/h₂): 2–10 l/min
  • 屏蔽气体: 氩气10–20 l/min
  • 当前的: 50–300 a

• 优点:

• • 渗透深度 10 单个通行证中的毫米
  • 狭窄焊缝的弧形的精确控制

• 限制:

• • 复杂的火炬设计和更高的设备成本
  • 需要熟练的设置以避免不稳定

摩擦搅拌焊接 (FSW)

摩擦搅拌焊接 (FSW) 通过完全处于固态操作来彻底改变铝的加入:

• 操作原则: 旋转, 不需要耗费的工具浸入基于粘液的fay层表面, 产生使金属增塑的摩擦热.
  然后该工具穿越关节, 机械混合软化材料以形成合并的焊接.
• 典型参数:

• • 工具旋转: 300–1,200 rpm
  • 遍历速度: 50–500毫米/分钟
  • 下压力: 10–50 kn, 取决于厚度

• 优点:

• • 几乎消除了孔隙度和热开裂
  • 达到5xxx和6xxx合金的共同效率为95–100％
  • 产生良好, 焊接块中的晶粒, 增强机械性能

• 限制:

• • 设备投资很大
  • 仅限于线性或简单弯曲的关节; 需要固定

新兴方法: 激光和电子束焊接

随着制造商推动更高的速度和自动化, 他们采用能量密集的光束:

• 激光束焊接 (磅):

• • 原则: 高能激光 (纤维或二氧化碳) 专注于一个小地方 (< 0.5 毫米), 创建钥匙孔穿透.
  • 好处: 极度狭窄的危险, 最小的失真, 焊接速度达到 10 M/我.
  • 挑战: 需要精确的关节装修 (< 0.1 毫米) 和高初始资本.

• 电子束焊接 (Emb):

• • 原则: 真空中的高速电子束在钥匙孔模式下融化金属.
  • 好处: 深度渗透 (20–50毫米) 具有出色的焊缝纯度.
  • 挑战: 真空室限制零件大小, 设备需要大量成本.

4. 合金系统及其焊接性

铝合金属于四个主要家庭-1xxx, 5xxx, 6xxx, 和7xxx-每个由其主要合金元素定义的.

这些化学差异控制熔化行为, 固化特征, 和焊接缺陷的敏感性.

1XXX系列 (≥ 99% 铝)

作品 & 特征

• 主要元素: 铝≥ 99.0% (例如。, 1100: fe≤ 0.15%, ≤ 0.10%)
• 机械强度: O-Temper中的UTS 90–110 MPA
• 导热率: 〜 237 w/m·k

可焊性

• 等级: 出色的
• 优点:

• • 最小的杂质阻止了金属间的形成和热裂.
  • 高延展性 (伸长≥ 20%) 耐热输入变化.

• 挑战:

• • 与6xxx合金相比，需要大约20–30％的热量输入才能保持融合.

推荐的做法

• 过程: GTAW (氩弧焊) 精确; 田 (我) 在薄纸上 (≤ 3 毫米)
• 杆: ER1100或ER4043 (为了更好的流动性) 匹配碱金属腐蚀性
• 应用领域: 化学罐, 食品级设备, 热交换鳍

5XXX系列 (Al – Mg合金)

作品 & 特征

• 镁: 2.0–5.0 wt %; 锰: 0.1–1.0 wt % 用于谷物控制
• 普通成绩: 5052 (Mg 2.2–2.8％), 5083 (Mg 4.0–4.9％), 5456 (Mg 4.5–5.5％)
• UTS: 280–340 MPA; 伸长: 12–18％

可焊性

• 等级: 好到好
• 优点:

• • 固定溶液加强而无需降水硬化, 产生一致的焊接特性.
  • 优质的海水腐蚀性 (< 0.03 毫米/年损失).

• 挑战:

• • 热影响区 (热影响区) 慢冷却时，谷物的变形可以降低疲劳强度10-15％.
  • 表面氧化物和MGO需要严格的刷牙和脱脂.

推荐的做法

• 过程: AC-GTAW用于氧化物清洁; FSW≥节 6 全力接头的毫米
• 杆: ER5356用于匹配MG含量和腐蚀行为
• 应用领域: 船体 (5083-H111), 压力容器 (5456), 油箱

6XXX系列 (Al – Mg – Si合金)

作品 & 特征

• 镁: 0.4–1.5 wt %; 硅: 0.6–1.2 wt % (形成mg₂si沉淀)
• 典型的合金: 6061 (一般的), 6063 (挤压), 6082 (高强度)
• 峰值UTS (T6): 〜 310 MPA; O-Temper的弯曲性: 1.5×厚度

可焊性

• 等级: 一般
• 优点:

• • 降水硬化可在焊接后衰老后产生良好的焊接强度.
  • 用于结构框架和挤压轮廓的多功能.

• 挑战:

• • 融合焊接溶解Mg₂si, 引起危险软化 (产量下降≈30–50％).
  • 如果不仔细控制，富含硅的填充剂可以促进脆弱的薄膜.

推荐的做法

• 过程: 我的速度; FSW避免融合区域软化
• 杆: ER4043 (和 5 %) 用于裂纹阻力; ER5356用于海洋服务
• 焊接后治疗: T6老化 (530 °C解决, 160 °C/8 h老化) 还原〜 85% 原始力量
• 应用领域: 自行车框架 (6061-T6), 建筑挤出 (6082-T6)

7XXX系列 (Al – Zn – mg合金)

作品 & 特征

• 锌: 5.0–7.0 wt %; 镁: 2.0–3.0 wt %; 铜: 1.2–2.0 wt % (例如。, 7075-T6)
• UTS (T6): > 500 MPA; 出色的疲劳极限 (〜 160 MPA在10⁷周期)

可焊性

• 等级: 贫穷至中度
• 优点:

• • 可焊接铝的最高强度, 航空应用至关重要.

• 挑战:

• • 低熔化的共晶膜的热裂缝 (Al – Zn – Mg) 在融合期间.
  • 明显的HAZ软化和残留压力问题.

推荐的做法

• 过程: FSW或EBW (较厚的部分≥ 10 毫米) 避免融化; 用脉冲dcen tig薄零件
• 杆: ER2319 (铜 6.5 %) 扩大凝固范围并减少破裂
• 前/治疗后: 预热至 120 °C; 压力缓解烘烤 (200 °C/4 h) 减少残余应力 50%
• 应用领域: 飞机结构翼 (7075-T6), 航空航天配件 (7050), 高强度紧固件

关键的可焊性比较

汇总前面的分析, 下表突出了每个主要铝系列的相对焊接性, 以及他们的首选过程和主要挑战.

5. 关键过程参数和铝焊接的控制

实现无缺陷的焊接取决于细致的参数控制:

• 预焊接清洁. 与碱清洁剂脱脂, 然后使用专用于铝的不锈钢刷机械地去除氧化物. 任何残留的氧化物或油会引起孔隙率.
• 热输入, 旅行速度 & 安培. 平衡热量输入 (KJ/mm) 确保完全融合而不会燃烧.
  对于Tig, 维持1–2 kJ/mm左右的热量输入; 为我, 3–6 kJ/mm西装3–6毫米板.
• 填充金属的选择.

• • ER4043 (5% 和): 提供良好的润湿和减少的破裂; 6xxx系列的理想选择.
  • ER5356 (5% 毫克): 提供更高的强度和耐腐蚀性; 首选5xxx系列基准金属.

• 屏蔽气体组成 & 流速. 使用 100% 用于细量的氩气; 氩气混合物 (例如。, 75/25) 提高渗透率并在较厚的工作中焊接珠珠流动性.
  将流量保持在10–20 l/min，并将气杯保持在内 10 工件的毫米.

6. 可焊性挑战和缺陷机制

铝焊接遇到几种缺陷模式:

• 孔隙率. 熔融铝的氢溶解度 (到 2 ml/100 g at 700 °C) 凝固后导致气体夹带.
  减轻烘焙填充线 (65 °C, 4 h) 并保持干燥, 干净的碱金属.
• 热开裂. 6XXX和7XXX合金在凝固过程中沿晶界形成液膜.
  通过降低热量输入来减少破裂, 选择富含硅的填充剂 (ER4043), 或在易感合金中使用FSW.
• 缺乏融合和燃烧. 热量不足或旅行速度不足; 过速的旅行或高安培数会导致燃烧.
  检查珠子轮廓并调整参数以达到均匀的焊缝.
• 失真和残余应力. 铝的高热膨胀系数 (23×10⁻⁶ /k) 引起实质性失真. 用固定来抵消, 后步焊接, 和热潮夹.

7. 微观结构演化和机械性能

焊后微观结构决定关节完整性:

• haz软化 & 谷物生长. 在可降水的可降水合金中 (6XXX系列), 随着沉淀的溶解，HAZ失去了强度.
  固态冷却或焊接后老化 (例如。, 160 °C 8 h in 6061) 恢复 80% 焊缝强度.
• 可热处理合金的降水. 受控重新沉积 - 通过T4 (自然衰老) 或T6 (人工衰老) 循环 - 设备机械性能.
  例如, 6061-T6焊接实现 275 T6处理后MPA产量.
• 拉伸, 疲劳 & 腐蚀性能. 正确执行的TIG焊接 5083 可以到达 95% 碱金属拉伸强度. 在疲劳测试中, 5xxx合金中的FSW接头超过10°周期 70% UTS.
  使用匹配的填充合金和足够的焊接后处理时，耐腐蚀性（海洋应用中的重要性）会产生高度.

8. 焊后治疗和维修

优化联合性能和寿命, 制造商采用几个焊后程序:

• 焊后热处理 (PWHT) & 压力缓解. 在6xxx合金中, 解决方案处理 530 °C随后进行淬火和T6衰老. 用于5xxx合金, 自然衰老 (T4) 稳定硬度.
• 机械拉直 & 冷工作. 用于失真校正, 小心弯曲或在室温下滚动. 冷工作也通过应变硬化提高了局部强度.
• 缺陷维修和重新焊接. 将裂缝或毛孔磨成声音金属, 然后使用相同的过程和填充物重新焊接. 始终重新清洁表面以防止缺陷复发.

9. 检查, 测试, 和质量控制

保持焊接质量需要系统检查:

• 视觉检查 (ISO 5817 / AWS D1.2). 评估焊接外观, 珠子增强, 和底切. B级级需要最小的瑕疵.
• 非破坏性测试 (NDT).

• • 染料渗透剂: 检测非孔焊缝中的表面裂纹.
  • 影像学 (X射线): 揭示了内部孔隙度和缺乏融合.
  • 超声波: 调查较厚的板 (>10 毫米) 对于体积缺陷.

• 程序资格 & 焊工认证. 执行程序资格记录 (pqrs) 验证参数. 根据AWS D1.2或ISO认证焊工 9606-2 确保一致, 合规性能.

10. 铝焊接的工业应用

铝的特殊强度与权重的比率和耐腐蚀阻止其在苛刻的行业中的使用.

航空航天和高强度合金结构

在航空航天, 每公斤节省的每公斤直接转化为燃油效率和有效载荷能力.

最后, 制造商焊接高强度铝合金 - 例如 2024, 6061, 和7075 - 关键组件:

• 机身和翼皮: 自动化的TIG和激光焊接连接薄 (1–3毫米) 带有焊接宽度的床单 1 毫米, 保持空气动力学平稳性.
• 纵梁和帧: 摩擦搅拌焊接 (FSW) 在 5 xxx和 7 XXX系列创建接近基准强度关节, 启用轻巧的单室设计.
  航空公司报告 5% 通过切换到FSW加入的铝制面板，节省了新飞机.
• 着陆式住房: 铸造和锻造铝零件 (例如。, 7075-T73) 通过EBW焊接，然后进行应力 - 浮雕烘烤以在重复的冲击负荷下保持蠕变的阻力.

汽车和轻巧的运输工具

车辆制造商面临严格的排放法规和电气化要求. 铝焊接有助于应对这些挑战:

• 电动汽车 (ev) 电池外壳: 我的焊接 5 XXX系列挤出形式刚性, 值得碰撞的电池托盘.
  与钢相比, 铝托盘减少质量 35–40％, 将电动汽车范围扩大到 10%.
• 白色的结构: 杂化虎皮细胞使用过渡填充金属焊接混合铝钢组件, 减轻遏制重量 100–150公斤 在全尺寸SUV上.
• 拖车和铁路车身: 5083-H116面板在机器人焊接线上迅速焊接,
  提供持续的无腐蚀平台 30–40％ 在盐环境下的钢较长.

海军陆战队, 压力容器, 和建筑外墙

造船厂和建筑师利用铝制焊接来耐腐蚀和设计灵活性:

• 船体和上层建筑: 5083 和 5 XXX合金焊接的焊接后焊接最小失真, 启用较大的面板尺寸 (到 10 m) 并减少组装时间 20%.
• 压力容器 & 低温罐: 合金喜欢 5083 和 6061 通过TIG焊接在受控气氛中, 在液化天然气应用中产生–196°C服务的泄漏密接头.
• 建筑窗帘墙: 装饰性的TIG焊接 6 XXX系列挤出形成无缝立面.
  激光焊接进一步缩小关节到下 0.5 毫米, 创建冲洗, 阳极氧化的表面.

新兴领域: 电动汽车 & 可再生能源

随着行业对可持续性的关注, 铝焊接支持新技术:

• 风力涡轮机轮毂: FSW加入厚 (到 50 毫米) 6 用于涡轮刀片根配件的XXX系列板 - 靠近拉伸强度 300 MPA 和疲劳生活超过 10⁷周期 在循环加载下.
• 太阳能跟踪器框架: Mig Welded 5 xxx挤出形成轻量级支撑结构, 降低材料成本 25% 与镀锌钢框架相比.
• 氢存储气缸: 电子束和激光焊接 6 xxx合金工艺无缝, 高压容器, 可以安全, 燃油电池车辆的紧凑型氢气罐.

11. 铝焊接的优点和缺点

铝制焊接提供了重大好处，但也提出了制造商必须仔细导航的独特挑战.

优点:

• 轻量级结构: 焊接铝制组件重 50 % 小于等效的钢结构, 提高车辆的燃油效率, 飞机, 和 海洋 船只.
• 耐腐蚀性: 当焊接匹配的填充合金时 (例如。, 5xxx系列的ER5356),
  铝关节对盐水和大气腐蚀保持良好的抵抗力 - 海洋和室外应用中的临界.
• 高关节效率: 诸如摩擦搅拌焊接等现代过程常规达到95–100 % 基准强度, 启用不妥协的承重申请.
• 良好的导热率: 快速散热减少了局部过热, 当参数得到适当控制时，将薄片的失真最小化.
• 可回收性和可持续性: 焊接飞溅和切开板的铝废料轻松重新进入熔炉, 支持圆形制造 95 % 节省初级生产.

缺点:

• 氧化物层管理: 顽强的al₂o₃电影需要严格的预焊接清洁 (化学或机械) 和, 在tig中, 交流极性以确保稳定的融合.
• 快速热量损失: 高电导率有助于失真控制, 它迫使焊工增加热量输入 - 增加薄仪上燃烧的风险，并在较厚的部分上进行更广泛的热影响区域.
• 可热处理合金软化软化: 6xxx和7xxx系列的融合焊接通常会溶解加强沉淀,
  导致一个可能需要焊接后衰老或替代固态过程（例如FSW）的软化区域.
• 失真和残余应力: 铝的高热膨胀系数和低弹性模量结合起来可产生明显的翘曲; 有效的固定和热控制策略成为必不可少的.
• 设备和技能要求: 实现无缺陷的铝焊缝需要精确的参数控制, 专业填充剂,
  而且通常是高端设备 (例如。, 脉冲焊接电源, FSW钻机), 增加资本和培训成本.

12. 结论

铝焊接合并机遇和挑战. 通过掌握铝的冶金, 选择正确的过程,

无论是精确的, MIG生产率, 或FSW无缺陷, 高强度关节 - 严格控制参数和焊接后处理, 制造商可靠, 高性能结构.