3003鋁合金板為AL-Mn系合金，是應(yīng)用最廣的一種防銹鋁，這種合金的強(qiáng)度不高（稍高于工業(yè)純鋁），不能熱處理強(qiáng)化，故采用冷加工方法來(lái)提高它的力學(xué)性能：在退火狀態(tài)有很高的塑性，在半冷作硬化時(shí)塑性尚好，冷作硬化時(shí)塑性低，耐腐蝕好，焊接性良好，可切削性能不良。用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蝕性可焊性好的零件部件，或既要求有這些性能又需要有比1XXX系合金強(qiáng)度高的工作，如廚具、食物和化工產(chǎn)品處理與貯存裝置，運(yùn)輸液體產(chǎn)品的槽、罐，以薄板加工的各種壓力容器與管道。

2力學(xué)性能

  抗拉強(qiáng)度 Ϭb (MPa) ：140-180 條件屈服強(qiáng)度Ϭ0.2 (MPa) ≥115 3化學(xué)性能  耐蝕性：3003鋁合金的耐蝕性很好，接近工業(yè)純鋁的耐蝕性，對(duì)大氣、淡水、海水、食品、有機(jī)酸、汽油、中性無(wú)機(jī)鹽水溶液等均有良好的耐蝕性，在稀酸中的耐蝕性也很好。

   在冷變形狀態(tài)時(shí)，3003鋁合金有剝落腐蝕傾向，變形越大，剝落越嚴(yán)重。由于陽(yáng)極氧化后色彩不均勻，故一般不進(jìn)行陽(yáng)極化處理。

4鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn) 

（1） 鋁的強(qiáng)氧化能力 鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點(diǎn)高、非常穩(wěn)定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學(xué)或機(jī)械方法進(jìn)行嚴(yán)格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過(guò)程加強(qiáng)保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)，選用交流電源，通過(guò)“陰極清理”作用，去除氧化膜。氣焊時(shí)，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時(shí)，可加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護(hù)，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。 

（2） 較大的熱導(dǎo)率和比熱容  鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過(guò)程中，大量的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時(shí)，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無(wú)謂消耗于金屬其他部位，這種無(wú)用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時(shí)也可采用預(yù)熱等工藝措施。 

（3） 較大的線膨脹系數(shù) 鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性允許的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5％時(shí)熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動(dòng)性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含硅5％～6％時(shí)可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi 條(硅含量4.5％～6％)焊絲會(huì)有更好的抗裂性。 

（4） 鋁對(duì)光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯的色澤變化，焊接操作時(shí)判斷難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。 

（5） 容易形成氣孔 鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過(guò)程中，氫來(lái)不及溢出，極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來(lái)源。因此，對(duì)氫的來(lái)源要嚴(yán)格控制，以防止氣孔的形成。 

（6） 合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。 

（7） 接頭不等強(qiáng)度  鋁及鋁合金的熱影響區(qū)由于受焊接熱循環(huán)作用而發(fā)生軟化，強(qiáng)度降低，使接頭與母材金屬無(wú)法達(dá)到等強(qiáng)度。工業(yè)純鋁及非熱處理強(qiáng)化鋁合金的強(qiáng)度約為母材金屬的75%~100%；熱處理強(qiáng)化鋁合金的接頭強(qiáng)度較小，只有母材金屬的40%~50%。

（8） 鋁為面心立方晶格，沒(méi)有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過(guò)程中沒(méi)有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過(guò)相變來(lái)細(xì)化晶粒。

5 焊接方法

（1）鋁合金的攪拌摩擦焊  攪拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)是由英國(guó)焊接研究所TWI(The Welding Institute)1991年提出的新的固態(tài)塑性連接工藝。工作原理是用一種特殊形式的攪拌頭插入工件待焊部位,通過(guò)攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)與工件間的攪拌摩擦,摩擦產(chǎn)生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài),并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動(dòng),從而使焊件壓焊在一起。由于攪拌摩擦焊過(guò)程中不存在金屬的熔化,是一種固態(tài)連接過(guò)程,故焊接時(shí)不存在熔焊的各種缺陷,可以焊接用熔焊方法難以焊接的有色金屬材料,如鋁及高強(qiáng)鋁合金、銅合金、鈦合金以及異種材料、復(fù)合材料焊接等。目前攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應(yīng)用較多。已經(jīng)成功地進(jìn)行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(Al-Zn)、8000系列(Al-Li)等。國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段,在挪威已經(jīng)應(yīng)用此技術(shù)焊接快艇上長(zhǎng)為20 m的結(jié)構(gòu)件,美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司用該項(xiàng)技術(shù)焊接了鋁合金儲(chǔ)存液氧的低溫容器火箭結(jié)構(gòu)件。

攪拌摩擦焊鋁合金的優(yōu)點(diǎn): 

①            鋁合金攪拌摩擦焊焊縫是經(jīng)過(guò)塑性變形和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而形成,焊縫區(qū)晶粒細(xì)化,無(wú)熔焊的樹枝晶,組織細(xì)密,熱影響區(qū)較熔化焊時(shí)窄,無(wú)合金元素?zé)龘p、裂紋和氣孔等缺陷,綜合性能良好。 

②            與傳統(tǒng)熔焊方法相比,它無(wú)飛濺、煙塵,不需要添加焊絲和保護(hù)氣體,接頭性能良好。 由于是固相焊接工藝,加熱溫度低,焊接熱影響區(qū)顯微組織變化小,如亞穩(wěn)定相基本保持不變,這對(duì)于熱處理強(qiáng)化鋁合金及沉淀強(qiáng)化鋁合金非常有利。

③            焊后的殘余應(yīng)力和變形非常小,對(duì)于薄板鋁合金焊后基本不變形。 

④            與普通摩擦焊相比,它可不受軸類零件的限制,可焊接直焊縫、角焊縫。傳統(tǒng)焊接工藝焊接鋁合金要求對(duì)表面進(jìn)行去除氧化膜,并在48 h內(nèi)進(jìn)行加工,而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可,并對(duì)裝配要求不高。并且攪拌摩擦焊比熔化焊節(jié)省能源、污染小。 

攪拌摩擦焊鋁合金也存在一定的缺點(diǎn):

① 鋁合金攪拌摩擦焊接時(shí)速度低于熔化焊;

②焊件夾持要求高,焊接過(guò)程中對(duì)焊件要求加一定的壓力,反面要求有墊板;

③焊后端頭形成一個(gè)攪拌頭殘留的孔洞,一般需要補(bǔ)焊上或機(jī)械切除; 

④攪拌頭適應(yīng)性差,不同厚度鋁合金板材要求不同結(jié)構(gòu)的攪拌頭,且攪拌頭磨損快;

⑤工藝還不成熟,目前限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件,如平直的結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)簡(jiǎn)單,主要有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭的移動(dòng)速度、對(duì)焊件的壓力及攪拌頭的尺寸等。

（2）鋁合金的激光焊接 

鋁及鋁合金激光焊接技術(shù)(Laser Welding)是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),與傳統(tǒng)焊接工藝相比,它具有功能強(qiáng)、可靠性高、無(wú)需真空條件及效率高等特點(diǎn)。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區(qū)小、焊接變形小、速度高、易于工業(yè)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),特別對(duì)熱處理鋁合金有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。可提高加工速度并極大地降低熱輸入,從而可提高生產(chǎn)效率,改善焊接質(zhì)量。在焊接高強(qiáng)度大厚度鋁合金時(shí),傳統(tǒng)的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時(shí)形成大深度的匙孔,發(fā)生匙孔效應(yīng),則可以得到實(shí)現(xiàn)。

  激光焊接鋁合金有以下優(yōu)點(diǎn): 

①            能量密度高,熱輸入低,熱變形量小,熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大;

②            冷卻速度高而得到微細(xì)焊縫組織,接頭性能良好;

③ 與接觸焊相比,激光焊不用電極,所以減少了工時(shí)和成本; 

④ 不需要電子束焊時(shí)的真空氣氛,且保護(hù)氣和壓力可選擇,被焊工件的形狀不受電磁影響,不產(chǎn)生X射線 

⑤ 可對(duì)密閉透明物體內(nèi)部金屬材料進(jìn)行焊接; 

⑥ 激光可用光導(dǎo)纖維進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸,從而使工藝適應(yīng)性好,配合計(jì)算機(jī)和機(jī)械手,可實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化與精密控制。 

現(xiàn)在應(yīng)用的激光器主要是CO2和YAG激光器,CO2激光器功率大,對(duì)于要求大功率的厚板焊接比較適合。但鋁合金表面對(duì)CO2激光束的吸收率比較小,在焊接過(guò)程中造成大量的能量損失。YAG激光一般功率比較小,鋁合金表面對(duì)YAG激光束的吸收率相對(duì)CO2激光較大,可用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo),適應(yīng)性強(qiáng),工藝安排簡(jiǎn)單等。在焊接大厚度鋁合金時(shí),傳統(tǒng)的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時(shí)形成大深度的匙孔,發(fā)生匙孔效應(yīng),則可以得到實(shí)現(xiàn)。鋁及鋁合金的激光焊接難點(diǎn)在于鋁及鋁合金對(duì)輻射能的吸收很弱,對(duì)CO2激光束(波長(zhǎng)為10.6μm)表面初始吸收率1.7%;對(duì)YAG激光束(波長(zhǎng)為1.06μm) 吸收率接近5%。不同金屬對(duì)激光的吸收率。由于吸收率小,熱導(dǎo)率高,在實(shí)際鋁合金焊接過(guò)程中,一定要保證良好的光束聚焦,同時(shí)還要用高功率密度的高能激光束進(jìn)行照射。鋁合金激光焊接時(shí),產(chǎn)生深熔焊,激光功率必須達(dá)到一個(gè)特定的閾值,這就對(duì)激光器提出一定的要求,也是激光焊接的一個(gè)難點(diǎn)。鋁合金的電離能低,部分牌號(hào)焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)散,焊接穩(wěn)定性差。焊接鋁合金就一定要求激光束的能量密度高和光束的聚焦性能好。鋁合金又是典型的共晶合金,在激光焊接的快速凝固過(guò)程中更容易產(chǎn)生熱裂紋。激光焊接熔池深寬比大,氣泡不易上浮析出,容易產(chǎn)生氣孔。液態(tài)鋁合金的流動(dòng)性好,表面張力低,焊接過(guò)程的不穩(wěn)定造成焊接熔池劇烈震蕩,易產(chǎn)生咬邊、成形不連續(xù),嚴(yán)重時(shí)造成焊接過(guò)程中的小孔突然閉合而在焊縫中產(chǎn)生直徑較大的工藝孔洞(Process Holes),或小孔在閉合前由向外噴發(fā)的等離子體將液態(tài)金屬吹出熔池而形成所謂的噴射孔洞(Blowholes)

(3) 鋁合金的電子束焊接 

電子束焊是指在真空環(huán)境下,利用會(huì)聚的高速電子流轟擊工件接縫處產(chǎn)生的熱能, 使被焊金屬熔合的一種焊接方法。電子束作為焊接熱源的突出特點(diǎn)是功率密度高、穿透能力強(qiáng)、精確、快速、可控、保護(hù)效果好。對(duì)于鋁合金電子束焊接,由于能量密度高可大大減小熱影響區(qū),提高焊接接頭強(qiáng)度,避免熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生。由于能量密度高,穿透能力強(qiáng)可對(duì)難以焊接的鋁合金厚板進(jìn)行焊接。 

①同傳統(tǒng)電弧焊接鋁合金相比,電子束焊能量密度高3-4個(gè)數(shù)量級(jí),與另外一種高能量密度焊接工藝——激光焊接相當(dāng)。因此焊接接頭的熱影響區(qū)非常小,接頭強(qiáng)度較傳統(tǒng)焊接方法提高很多

②電子束的穿透性能好,可對(duì)大厚度的鋁合金進(jìn)行施焊,焊后接頭力學(xué)性能良好。 鋁合金焊縫金屬的抗裂性能隨著焊接能量密度的增加和熱輸入的減少而增加[13]。所以鋁合金電子束焊接接頭的抗裂性能要比采用傳統(tǒng)焊接方法的焊接接頭高很多,一般要比氬弧焊焊縫高出1-1.5倍。 

③鋁合金電子束焊焊后殘余應(yīng)力小,變形小,對(duì)薄板焊后幾乎可做到不變形。

④電子束焊要求在真空條件下完成,真空是最好的保護(hù)手段,在這種條件下可以得到純凈的焊縫金屬,避免了空氣或保護(hù)氣體的污染。電子束焊接鋁合金在真空重熔時(shí),焊縫中雜質(zhì)含量微乎其微,焊縫氣體含量降低接近一半,從而焊縫塑性、韌性大大提高。

⑤          電子束可控性好,可以方便地進(jìn)行掃描、偏轉(zhuǎn)、跟蹤等,易于焊接過(guò)程的自動(dòng)化,并且通過(guò)電子束掃描熔池可以消除缺陷,提高接頭質(zhì)量。

  電子束焊接獲得優(yōu)良的焊縫的最有效方法是焊接過(guò)程中同時(shí)對(duì)剛剛焊過(guò)的焊縫進(jìn)行掃描。回掃間距決定晶粒細(xì)化的可控程度,凝固組織可由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)化為細(xì)小等軸晶。對(duì)AlMg0.4Si1.2合金進(jìn)行掃描焊接與無(wú)掃描焊接相比,晶體主軸長(zhǎng)度減少到無(wú)掃描焊接時(shí)的1/5;焊縫硬度提高80%,接近母材水平。鋁合金焊縫金屬晶粒細(xì)化程度對(duì)接頭性能有重要影響。采用具有回掃運(yùn)動(dòng)的電子束掃描焊接,可減少合金元素的損失,細(xì)化焊縫組織,使之變?yōu)榧?xì)小的等軸晶,并提高硬度。對(duì)于已經(jīng)成核生長(zhǎng)的晶體,如果電子束掃描間距過(guò)小在電子束掃描時(shí)產(chǎn)生重熔,但導(dǎo)致電子束回掃細(xì)化晶粒的作用減弱。掃描頻率fs和焊接速度v、焊縫金屬晶體主軸長(zhǎng)度L的關(guān)系。 

①          鋁合金電子束焊時(shí)對(duì)電子束流非常敏感,尤其是對(duì)于大厚度鋁合金板焊接時(shí),電子束流小時(shí)不能焊透,大時(shí)產(chǎn)生下塌,出現(xiàn)凹坑。 

②          鋁合金電子束焊接的另外一個(gè)難點(diǎn)是焊接氣孔。鋁合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3和MgO,容易吸收大量的水分是鋁合金焊縫中氣孔的主要來(lái)源。鋁合金表面氧化膜比重接近基體,容易進(jìn)入焊縫產(chǎn)生夾雜、氣孔。尤其是防銹鋁合金電子束焊,氣孔問(wèn)題較為嚴(yán)重。傳統(tǒng)TIG焊鋁合金時(shí)通常采用大的熱輸入量并在較低的焊接速度下進(jìn)行焊接,促使氫從熔池中逸出,而電子束焊接鋁合金時(shí)速度快,熱輸入量小,氫來(lái)不及從熔池中逸出,容易形成氣孔。通常電子束焊鋁合金采用表面下聚焦和較窄的焊縫以及掃描重熔的方法來(lái)防止氣孔的產(chǎn)生。 

③另外,電子束焊接要求在真空條件下進(jìn)行,所以對(duì)鋁合金大型結(jié)構(gòu)件施焊困難。

④電子束易受周圍環(huán)境電磁場(chǎng)的影響,設(shè)備比較復(fù)雜,費(fèi)用比較昂貴,所以還沒(méi)有達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

6 焊接工序 

對(duì)3003鋁合金板采用攪拌摩擦焊，焊接工藝的基本內(nèi)容包括:焊前清理、焊前檢驗(yàn)、焊接材料、焊接參數(shù)、焊后檢驗(yàn)。 

焊前準(zhǔn)備：在試驗(yàn)之前對(duì) 3003 鋁合金板進(jìn)行處理，先用400 號(hào)碳化硅砂紙打磨，保持鋁合金表面光潔，之后用丙酮去除表面油污，再用15%的NaOH溶液處理，溫度為 50~60℃，時(shí)間為15 s左右，然后用清水清洗，再用1∶3的稀硝酸溶液處理，時(shí)間約為10 s左右，最后依次用清水、乙醇清洗，自然晾干備用。 

焊前檢驗(yàn)：主要是對(duì)焊前準(zhǔn)備的檢查，是貫徹預(yù)防為主的方針，最大限度避免或減少焊接缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量的積極有效措施。 焊接材料：無(wú)需焊條、焊劑等。

  焊接參數(shù)：旋轉(zhuǎn)速度R、焊接速度V、焊接壓力P、攪拌頭傾角等。

焊后檢驗(yàn)：對(duì)焊縫進(jìn)行X射線無(wú)損檢測(cè)，評(píng)定是否有焊接缺陷、質(zhì)量問(wèn)題。

如果是產(chǎn)品采用激光進(jìn)行對(duì)焊、疊焊后檢查方法同上，但采用激光補(bǔ)焊后，在進(jìn)行細(xì)微打磨以后，可直觀對(duì)是否有氣孔等焊接效果進(jìn)行檢測(cè)，可采用加吹保護(hù)氣體及重復(fù)焊接解決！

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2015-042701