焊接时,接头质量从冶金因素应考虑到,材料必须适用于焊接,无裂纹倾向,具有足够的强度、塑性变形能力和耐蚀性,对母材进行阳极氧化处理时应无颜色变化。焊接时虽然可能产生气孔和夹渣,但必须满足相应的缺欠检测合格标准要求,常见铝合金焊接缺欠如图1-7所示。从热传导因素要考虑到板厚、接头形式,由于铝热导率高(是钢的5倍),因此焊接时必须采用能量集中、功率大的热源。与钢相比,铝材料的焊接有如下不利因素。
1)容易与氧结合形成氧化膜或杂质,焊接时易产生气孔、夹渣等缺欠。
2)导热性和热膨胀性较好,有很大的收缩应力。
3)铝合金有较大的熔化温度范围,易产生裂纹。
4)氢在液相中的溶解度较高,在凝固时则迅速下降,易产生气孔。
5)铝材熔化时无颜色变化,焊接操作者对温度控制较困难。
图1-7 常见铝合金焊接缺欠
(1)铝及铝合金的焊接裂纹倾向 根据铝及铝合金焊接裂纹的产生机理和位置,分为凝固裂纹和液化裂纹两种不同类型的裂纹。
凝固裂纹:产生在熔化区,是由于材料化学成分对凝固性能的影响而产生的。
液化裂纹:产生在热影响区,是由于低熔点共晶体和低熔点的组成物液化,同时在热应力的作用下而产生的。
铝及铝合金有3种不同的凝固方式,如图1-8所示。图1-8a为纯铝,无明显的结晶温度间隔,虽然凝固后铝晶格结合紧密,但容易形成气孔;图1-8b为有少量共晶体,结晶温度间隔明显,虽然坚固但结合性差,但有热裂纹倾向;图1-8c为有大量的共晶体,没有明显的温度间隔,虽然固态的铝晶体在共晶体中游动,没有裂纹倾向,但因容易形成晶界收缩而产生变形。
裂纹敏感性受到填充金属影响,其与焊缝合金含量关系如图1-9所示,适宜的母材及其相匹配的填充材料可以降低裂纹敏感性(见图1-10)。焊接性和焊缝强度受到填充金属影响,并且裂纹敏感性与强度往往是矛盾的。
图1-8 铝及铝合金凝固方式
图1-9 裂纹敏感性与焊缝合金含量的关系
图1-10 母材的裂纹敏感性受到填充金属影响
(2)焊缝气孔 气孔的形成原因是铝材料焊接时的凝固行为,气孔是由熔化物凝固之前气体不能逸出造成的,这些气体可能来自于保护气体或熔池搅拌带入的气体,导致气孔的形成。冶金气孔主要发生在纯铝中,由于固-液相之间转化很快,在凝固时形成气孔,铝合金在凝固区由于残留熔化物流动时受到枝晶晶体的阻碍,因此也会发生这种现象。
熔融状态焊接金属所溶解的氢是形成气孔的主要原因,焊接金属与吸附水分中的氧原子有极强的结合性,使氢在熔融中被分解出来,随着温度的改变,氢的溶解度下降,某种程度上凝固点下降,从而形成气孔。为限制氢溶入母材金属和填充金属,焊接前应对焊件进行脱脂去油和除氧化膜处理,使用纯度较高的保护气体,严格限制水含量,使用前需干燥处理。
(3)阳极氧化行为 晶粒尺寸不同和合金成分偏析都可能导致阳极氧化的颜色偏差。受焊接材料和焊接热输入的影响,如果对焊接接头的装饰外观有所要求,则应采取合理的防止措施。对Al-Mg-Si类型铝合金,在热影响区应避免过多的Mg 2 Si析出物、合适的热输入、焊接材料S-AlSi 5 用含镁的焊丝代替,控制焊接材料中偏低的合金成分和微量元素,阳极氧化层的保护效应不会通过氧化颜色的不同而有所削弱。
(4)焊接热对基体金属的影响 焊接热处理强化的铝合金时,由于焊接热的影响,会使基体金属近缝区某些部位软化,即力学性能变差。采取的措施主要是控制预热温度和层间温度,或进行焊后热处理等。
(5)焊接接头的耐蚀性低于母材 铝合金接头的耐蚀性下降很明显,接头组织越不均匀,耐蚀性越差。焊缝金属的纯度和致密性也影响接头的耐蚀性。当接头杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出时,其耐蚀性就会明显下降,不仅产生局部表面腐蚀,而且经常出现晶间腐蚀。
(6)合金元素的蒸发和烧损 某些铝合金中含有低沸点的合金元素,如Mg、Zn等,这些元素在高温作用下极易蒸发、烧损,从而改变焊缝金属的化学成分,同时也降低焊接接头的性能。