铝合金的焊接方法和材料选用大全

金属加工前沿

2022年11月1日 14:48

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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。

表1 铝合金常用焊接方法的特点及适用范围

焊接方法	特点	适用范围
气焊	热功率低，焊件变形大，生产率低，易产生夹渣、裂纹等缺陷	用于非重要场合的薄板对接焊及补焊等
手工电弧焊	接头质量差	用于铸铝件补焊及一般修理
钨极氩弧焊	焊缝金属致密，接头强度高、塑性好，可获得优质接头	应用广泛，可焊接板厚1～20㎜
钨极脉冲氩弧焊	焊接过程稳定，热输入精确可调，焊件变形量小，接头质量高	用于薄板、全位置焊接、装配焊接及对热敏感性强的锻铝、硬铝等高强度铝合金
熔化极氩弧焊	电弧功率大，焊接速度快	用于厚件的焊接，可焊厚度为50㎜以下
熔化极脉冲氩弧焊	焊接变形小，抗气孔和抗裂性好，工艺参数调节广泛	用于薄板或全位置焊，常用于厚度2～12㎜的工件
等离子弧焊	热量集中，焊接速度快，焊接变形和应力小，工艺较复杂	用于对接焊要求比氩弧焊更高的场合
真空电子束焊	熔深大热影响区小，焊接变形量小接头力学性能好	用于焊接尺寸较小的焊件
激光焊	焊接变形小，生产率高	用于需进行精密焊接的焊件

（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。

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料。

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。铝合金焊条的化学成分和力学性能见表3。

表2 铝及铝合金焊条的型号（牌号）、规格与用途

型号	牌号	药皮类型	焊芯材质	焊条规格/㎜		用途
E1100	L109	盐基型	纯铝	3.2，4.5	345～355	焊接纯铝板、纯铝容器
E4043	L209	盐基型	铝硅合金	3.2，4.5	345～355	焊接铝板、铝硅铸件、一般铝合金、锻铝、硬铝（铝镁合金除外）
E3003	L309	盐基型	铝锰合金	3.2，4.5	345～355	焊接铝锰合金、纯铝及其他铝合金

表3 铝及铝合金焊条的化学成分和力学性能

型号	牌号	药皮类型	电源种类	焊芯化学成分 /%	熔敷金属抗拉强度 /MPa	焊接接头抗拉强度 /MPa
E1100	L109	盐基型	直流反接	Si+Fe≤0.95,Co0.05～0.20 Mn≤0.05,Be≤0.0008 Zn≤0.10,其他总量≤0.15 Al≥99.0	≥64	≥80
E4043	L209	盐基型	直流反接	Si4.5～6.0,Fe≤0.8 Cu≤0.30,Mn≤0.05 Zn≤0.10,Mg≤0.0008 其他总量≤0.15,Al余量	≥118	≥95
E3003	L309	盐基型	直流反接	Si≤0.6,Fe≤0.7 Cu0.05～0.20,Mn1.0～1.5 Zn≤0.10,其他总量≤0.15 Al余量	≥118	≥95

（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。

铝合金焊接工艺

1 铝合金的气焊

氧－乙炔气焊的热效率低，焊接热输入不集中，焊接铝及铝合金时需采用熔剂，焊后又需清除残渣，接头质量及性能也不高。因为气焊设备简单，无需电源，操作方便灵活，常用于焊接对质量要求不高的铝合金构件，如厚度较薄的薄板及小零件，以及补焊铝合金构件和铝铸件。

（1）气焊的接头形式气焊铝合金时，不宜采用搭接接头和T形接头，这种接头难以清理流入缝隙中的残留熔剂和焊渣，应尽可能采用对接接头。为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿，可以采用带槽的垫板，垫板一般用不锈钢或纯铜等制成，带垫板焊接可获得良好的反面成形，提高焊接生产率。

（2）气焊熔剂的选用铝合金气焊时，为了使焊接过程顺利进行，保证焊缝质量，气焊时需要加熔剂来去除铝表面的氧化膜及其他杂质。

气焊熔剂（又称气剂）是气焊时的助熔剂，主要作用是去除气焊过程中生成在铝表面的氧化膜，改善母材的润湿性能，促使获得致密的焊缝组织等。气焊铝合金必须采用熔剂，一般是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊丝上加入熔池内。

铝合金熔剂是钾、钠、钙、锂等元素的氯人盐，是粉碎后过筛并按一定比例配制的粉状化合物。例如铝冰晶石（Na3AlF6）在1000℃进可以熔解氧化铝，又如氯化钾等可使难熔的氧化铝转变为易熔的氯化铝。这种熔剂的熔点低，流动性好，还能改善熔化金属的流动性，使焊缝成形良好。

（3）焊嘴和火焰的选择铝合金有强烈的氧化性和吸气性。气焊时，为使铝不被氧化，应采用中性焰或微弱碳化焰（乙炔既过剩的碳化焰），使铝熔池置于还原性气氛的保护下而不被氧化。严禁采用氧化焰，因为用氧化性较强的氧化焰会使铝强烈氧化，阻碍焊接过程进行；而乙炔过多，游离的氢可能溶入熔池，会促使缝产生气孔，使焊缝疏松。

（4）定位焊缝为防止焊件在焊接中产生尺寸和相对位置的变化，焊件焊前需要点固焊。由于铝的线膨胀系数大、导热速度快、气焊加热面积大，因此，定位焊缝较钢件应密一些。

定位焊用的填充焊丝与产品焊接时相同，定位焊接前应在焊缝间隙内涂一层气剂。定位焊的火焰功率比气焊时稍大。

（5）气焊操作焊接钢铁材料时，可以从钢材的颜色变化判断加热的温度。但焊铝时，却没有这个方便条件。因为铝合金从室温加热到熔化的过程中没有颜色的明显变化，给操作者带来控制焊接温度困难。但可根据以下现象掌握施焊时机：

1）当被加热的工件表面由光亮白色变成暗淡的银白色，表面氧化膜起皱，加热处金属有波动现象时，表明即将达到熔化温度，可以施焊；

2）用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处，焊丝与母材能熔合时，即达到熔化温度，可以施焊；

3）母材边棱有倒下现象时，母材达到熔化温度，可以施焊。

气焊薄板可采用左焊法，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因火焰指向未焊的冷金属，热量散失一部分，有利于防止熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，热量损失小，熔深大，加热效率高。

气焊厚度小于3㎜的薄件时，焊炬倾角为20～40°；气焊厚件时，焊炬倾角为40～80°，焊丝与焊炬夹角为80～100°。铝合金气焊应尽量将接头一次焊成，不堆敷第二层，因为堆敷第二层时会造成焊缝夹渣等。

（6）焊后处理气焊焊缝表面的残留焊剂和熔渣对铝接头的腐蚀，是铝接头日后使用中引起损坏的原因之一。在气焊后1～6h之内，应将残留的熔剂、熔渣清洗掉，以防引起焊件腐蚀。焊后清理工序如下。

1）焊后将焊件放入40～50℃的热水槽中浸渍，最好用流动的热水，用硬毛刷刷焊缝及焊缝附近残留熔剂、熔渣的地方，直至清除干净。

2）将焊件浸入硝酸溶液中。当室温为25°以上时，溶液浓度15%～25%，浸渍时间为10～15min。室温为10～15℃时，溶液浓度20%～25%，浸渍时间为15min。

3）将焊件置于流动热水（温度为40～50℃）的槽中浸渍5～10min。

4）用冷水将焊件冲洗5min。

5）将焊件自然晾干，也可放在干燥箱中烘干或用热空气吹干。

2 铝合金的钨极氩弧焊（TIG焊）

也称为钨极惰性气体保护电弧焊，是利用钨极与工件之间形成电弧产生的大量热量熔化待焊处，外加填充焊丝获得牢固的焊接接头。氩弧焊焊铝是利用其“阴极雾化”的特点，自行去除氧化膜。钨极及缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽保护，防止焊缝区和周围空气的反应。

TIG焊工艺最适于焊接厚度小于3㎜的薄板，工件变形明显小于气焊和手弧焊。交流TIG焊阴极具有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔剂，避免了焊后残留熔剂、熔渣对接头的腐蚀。接头形式可以不受限制，焊缝成形良好、表面光亮。

氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织和性能，适于全位置焊接。由于不用熔剂，焊前清理的要求比其他焊接方法严格。

焊接铝合金较适宜的工艺方法是交流TIG焊和交流脉冲TIG焊，其次是直流反接TIG焊。通常，用交流焊接铝合金时可在载流能力、电弧可控性以及电弧清理作用等方面实现最佳配合，故大多数铝合金的TIG焊都采用交流电源。

采用直流正接（电极接负极）时，热量产生于工件表面，形成深熔透，对一定尺寸的电极可采用更大的焊接电流。即使是厚截面也不需预热，且母材几乎不发生变形。虽然很少采用直流反接（电极接正极）TIG焊方法来焊接铝，但这种方法在连续焊或补焊薄壁热交换器、管道厚在2.4㎜以下的类似组件时有熔深浅、电弧容易控制、电弧有良好的净化作用等优点。

（1）钨极钨的熔点是3410℃，是熔点最高的金属。钨在高温时有强烈的电子发射能力，在钨电极加入微量稀土元素钍、铈、锆等的氧化物后，电子逸出功显著降低，载流能力明显提高。铝合金TIG焊时，钨极作为电极主要起传导电流、引燃电弧和维持电弧正常燃烧的作用。常用钨极材料分纯钨、钍钨及铈钨等。

（2）焊接参数为了获得优良的焊缝成形及焊接质量，应根据焊件的技术要求，合理地选定焊接工艺参数。铝合金手工TIG焊的主要工艺参数有电流种类、极性和电流大小、保护气体流量、钨极伸出长度、喷嘴至工件的距离等。自动TIG焊的工艺参数还包括电弧电压（弧长）、焊接速度及送丝速度等。

工艺参数是根据被焊材料和厚度，先确定钨极直径与形状、焊丝直径、保护气体及流量、喷嘴孔径、焊接电流、电弧电压和焊接速度，再根据实际焊接效果调整有关参数，直至符合使用要求为止。

铝合金TIG焊工艺参数的选用要点如下。

1）喷嘴孔径与保护气体流量。铝合金TIG的喷嘴孔径为5～22㎜；保护气体流量一般为5～15L/min。

2）钨极伸出长度及喷嘴至工件的距离。钨极伸出长度：对接焊缝时一般为5～6㎜，角焊缝时一般为7～8㎜。喷嘴至工件的距离一般取10㎜左右为宜。

3）焊接电流与焊接电压与板厚、接头形式、焊接位置及焊工技术水平有关。

手工TIG焊时，采用交流电源，焊接厚度小于6㎜铝合金时，最大焊接电流可根据电极直径d按公式I=（60～65）d确定。电弧电压主要由弧长决定，通常使弧长近似等于钨极直径比较合理。

4）焊接速度。铝合金TIG焊时，为了减小变形，应采用较快的焊接速度。手工TIG焊一般是焊工根据熔池大小、熔池形状和两侧熔合情况随时调整焊接速度，一般的焊接速度为8～12m/h;自动TIG焊时，工艺参数设定之后，在焊接过程中焊接速度一般不变。

5）焊丝直径。一般由板厚和焊接电流确定，焊丝直径与两者之间呈正比关系。

1）气孔产生原因。氩气纯度低或氩气管路内有水分、漏气等；焊丝或母材坡口附近焊前未清理干净或清理后又被污物、水分等沾污；焊接电流和焊速过大或过小；熔池保护欠佳，电弧不稳，电弧过长，钨极伸出过长等。

防止措施：保证氩气的管路，选择认真清理焊丝、焊件，清理后及时焊接，并防止再次污染。更新送气管路，选择合适的气体流量，调整好钨极伸出长度；正确选择焊接工艺参数。必要时，可以采取预热工艺，焊接现场装挡风装置，防止现场有风流动。

2）裂纹产生原因。焊丝合金成分选择不当；当焊缝中的镁含量小于3%，或铁、硅杂质含量超出规定时，裂纹倾向增大；焊丝的熔化温度偏高时，会引起热影响区液化裂纹；结构设计不合理，焊缝过于集中或受热区温度过高，造成接头拘束应力过大；高浊停留时间长，组织过热；弧坑没填满，出现弧坑裂纹等。

防止措施：所选焊丝的成分与母材要匹配；加入引弧板或采用电流衰减装置填满弧坑；正确设计焊接结构，合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处，选择合适的焊接顺序；减小焊接电流或适当增加焊接速度。

3）未焊透产生原因。焊接速度过快，弧长过大，焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过小，钝边过大；工件坡口边缘的毛刺、底边的污垢焊前没有除净；焊炬与焊丝倾角不正确。

防止措施：正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接工艺参数；加强氧化膜、熔剂、熔渣和油污的清理；提高操作技能等。

4）焊缝夹钨产生原因。接触引弧所致；钨极末端形状与焊接电流选择得不合理，使尖端脱落；填丝触及到热钨极尖端和错用了氧化性气体。

防止措施：采用高频高压脉冲引弧；根据选用的电流，采用合理的钨极尖端形状；减小焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极伸出长度；更新惰性气体；提高操作技能，勿使填丝与钨极接触等。

5）咬边产生原因。焊接电流太大，电弧电压太高，焊炬摆幅不均匀，填丝太少，焊接速度太快。

防止措施：减小焊接电流与电弧电压，保持焊炬摆幅均匀，适当增加送丝速度或降低焊接速度。

3 铸件常规补焊工艺

通常的铝合金铸件缺陷均可以采用氩弧焊接工艺进行补焊挽救,而以交流TIG焊方法补焊效果为佳。

采用补焊工艺实施铸件缺陷补焊时,除了以上提到的一般做法如焊前注意清理焊丝和工件待焊部位,选用合理的焊丝材料,选择短弧和小角度焊丝加入方式进行施焊等要点之外,在实践中针对不同缺陷类型还有许多成功的经验值得借鉴,如尽量选用小电流施焊;

选用补焊时的焊丝合金成分高于母材,以便在补焊过程中补充烧损合金,使焊缝成分与母材保持一致;对带有裂纹缺陷的铸件补焊前在两端打止裂孔;焊接时应首先加热待焊部位,采用左焊法填丝,以利于观察焊缝的熔化情况,待施焊处熔化后再行填丝以形成充分润湿的熔池;

当缺陷尺寸较大时为了提高补焊效率,可在传统TIG焊前将很薄的一层表面活性剂(简称ATIG活性剂)涂敷在施焊位置表面,焊接时活性剂引起焊接电弧收缩或熔池内金属流态发生变化,使得焊缝熔深增加,在进行铝合金交流TIG焊时,是在焊缝表面涂敷一层SiO2活性剂以改变焊缝熔深、减少预热程序和降低焊接难度。

结束语

铝合金的焊接和补焊通常可采用方便和低成本的TIG和MIG氩弧焊方法。当采用高能束流焊和搅拌摩擦焊等铝合金焊接新工艺时,可以有效避免合金元素烧损、接头软化和焊接变形等问题,尤其是搅拌摩擦焊为固相连接具有绿色环保的特点。

常规补焊方法用于铝合金铸件缺陷补焊时,为避免焊接缺陷,应注意焊前清理、选配合理的焊丝填料和正确的焊接工艺规范,通常宜选用交流TIG补焊。

在铸件缺陷情况特殊和条件具备时,可以结合实际采用特种补焊方法,以便提高铝合金铸件的补焊质量。

来源：焊接技术，编辑：张维官，审核：王颖。

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