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鋁合金貨車架的手工焊接
鋁及其合金適合於多種工程製造應用，自鋁合金自誕生以來就以其獨有的特點迅速在航空航天工業中得到了推崇，隨後也陸續被其他更為廣泛的行業所接受，包括汽車、卡車和拖車、造船、包裝、建築、高壓氣瓶等多個領域，如圖1所示。鋁合金之所以在多個行業中應用主要是由於其具有優異的比強度和耐腐蝕性 ，這樣的性能對於上述行業中的大多數設備製造和服役來講都極其有益。
圖1-焊工在鋁製船體內作業
未合金化的純鋁是一種軟而有韌性的金屬，因此在大多數結構應用中強度不足。銅(Cu)、錳(Mn)、硅(Si)、鎂(Mg)和鋅(Zn)等元素是添加到純鋁中的主要合金元素，
這些合金的加入能夠顯著地提高鋁合金的綜合力學性能，如圖2所示。
圖2-本圖繪製了常用的鋁合金體系，並介紹了不同鋁合金系的主要合金元素，包括銅、錳、硅、鎂和鋅元素，這些元素的加入能夠顯著地提高鋁合金的製造機械性能
鋁合金與鋼合金之間存在著顯著的差異，需要在設計過程中加以識別和考慮。其中包括：
- 有些鋁合金是可熱處理強化，有些則不是，而對於鋼來說，幾乎所有的鋼都是可熱處理的。
- 一部分鋁合金不能使用典型的焊接方法進行焊接，如熔化極氣保護焊和鎢極氬弧焊，但是對於鋼來說，只要焊接時採取必要的預防措施，幾乎所有的鋼都可以使用熔化焊進行焊接。
- 鋁合金的焊接接頭，包括焊縫和熱影響區，其強度通常軟於母材，而在鋼的焊接接頭中，焊縫強度通常與母材相當。
- 鋁合金的強度和延性在低溫下不會受到影響，因為隨著溫度下降到極低水平，鋁合金的延性也會增加，但是鋼的脆性則會隨著溫度的降低而顯著增加。
大多數鋁合金可以通過電弧焊接進行連接，如圖3所示。但是某些航空用鋁合金和其他特殊合金採用傳統焊接方法無法實現連接。由於鋁合金具有氧化層存在，因此在使用熔化焊進行焊接時需要利用正極的破膜特性去除氧化膜，這樣才能確保順利的焊接。鋁合金焊接時通常會在焊縫金屬和焊接熱影響區位置形成軟化區，有時為了恢復這些區域的性能，可以在焊後採用適當的熱處理進行恢復。鋁合金的焊接除了可以使用傳統的電弧焊以外，還可以選擇其他新型的焊接方法，包括攪拌摩擦焊、激光焊和超聲波焊。
圖3-一位焊工在正使用其嫻熟的技術焊接鋁合金
以下四個方面是在鋁合金焊接時需要重點考慮的四個方面：
1.應該採用什麼工藝才能更好地焊接鋁及其合金?
隨著鋁合金在更多行業的使用量日益增加，製造商需要斟酌及改進這些材料的連接方法，並能夠實現在不影響生產率的前提下最大限度地提高產品質量。
鎢極氬弧焊通常是可以提供高質量焊縫的首選焊接方法。該方法使用非消耗性的鎢電極進行集體金屬的熔化。根據母材和用途的不同，焊接時可以選擇添加焊接材料。使用鎢極氬弧焊盡心焊接時，焊接材料是獨立添加的，這樣就不會涉及到電弧作用下的熔滴過渡過程。不轉移任何金屬橫跨電弧。在焊接過程中採取適當的工藝並且在焊前進行合理的清洗通常會獲得孔隙率較低的焊接接頭。鎢極氬弧焊還有熱輸入低、焊縫表面光滑美觀、無飛濺、煙塵低等特點。正是由於鎢極氬弧焊有這些優勢，使得該方法在對焊接質量要求極高的航空工業領域大受推崇。但是鎢極氬弧焊也有其自身的缺點，那就是其金屬熔覆效率較低，並且焊接速度較慢，難以適應高效率的生產節奏。
值得我們慶幸的是，近年來熔化極氣保護焊技術取得了可喜的進展。這種方法既能夠保證接頭的焊接質量，也具有較高的生產效率，已經成為時下受歡迎的鋁合金焊接方法。熔化極氣保護焊與鎢極氬弧焊的不同之處在於焊接過程中焊接材料自身就是電極，電極不斷熔化並過渡到焊縫之中。但是由於鋁挑戰性。為了確保焊接過程中送絲的高穩定性，送絲機的傳動裝置應使用U型槽傳動輥、並配備適當的塑料導線導軌、非鋼襯套和正確的內徑接觸頭。使用正確的熔化極氣保護焊參數和工藝可以避免未熔合和氣孔的出現，並且生產效率要高於鎢極氬弧焊。
不過說到底，決策權還是應該基於用戶的需求和優先等級。如果高度強調焊接質量，生產效率排在其次，那麼鎢極氬弧焊是理想的選擇；如果你主要想提高工作效率，或者效率與質量兩者兼顧，那你可以考慮使用熔化極氣保護焊。
2.什麼時候應該考慮焊接自動化？
鋁合金焊接過程的自動化可以提高生產率，並且在不改變勞動力的情況下顯著提高產量。此外，自動化過程的一致性和可靠性可以幫助降低缺陷的出現，並減少甚至消除焊後返工、修復，從而避免了過焊，降低了生產製造成本。
隨著各種自動化解決方案的陸續推出，在確定裝置適用性和選擇正確的解決方案時需要對當前的焊接應用進行詳細的分析。
有關自動化焊接應用程序分析，請參閱下欄，尤其是在審查潛在自動化供應商提供的所有方案時，應從下欄中的多個方面進行考慮。
焊接程序分析
焊接程序分析應從以下方面考慮：
- 設備的工作流程：分析焊接前、中、後等過程的確定瓶頸和挑戰，並充分考慮樓層佈局和勞動力使用等因素。
- 工件的幾何尺寸：工件是否適合自動化，工件的裝配能否重複性操作
- 接頭設計：確定夾具和定位器的需求。
- 生產需求：是多工件的短焊縫焊接需求還是少工件的長焊縫焊接需求？
- 焊接工藝需求：選用什麼焊接工藝？鎢極氬弧焊還是熔化極氣保焊焊？焊接電源類型是什麼？
在對鋁合金採購自動化焊接裝備時，最後找到那種能夠提供完整解決方案包的廠家，因為這樣的自動化需要圍繞焊接電弧這一最關鍵的元素進行設計。此外，全解決方案提供商在分析應用程序、提供完整的軟件包（包括理想的填充金屬）、將自動化集成到工作流、為自動化系統和焊接過程本身提供售後服務和持續的技術支持方面均經驗豐富。
3.除了焊接設備以外，焊接材料也是重要考慮的因素。
被焊接的合金種類和最終焊件的使用需求有助於確定合適的焊接材料。在某些情況下，可以使用多種焊接材料。例如，你在焊接常規的鋁合金母材時，例如6061合金，可以選擇兩種市面上常見的鋁焊材，分別是4043和5356。不過你也可以選擇其他的合金系，這裡為了便於說明，我們將重點討論4043和5356。
4043焊材最為常用，與5356焊接材料相比具有以下幾個優點。由於6061比許多其他母材合金具有更高的開裂敏感性，使用4043可以幫助降低開裂的可能性，這是因為該合金系具有更高的流動性，並且化學成分與母材有很大的不同。4043的另一個優點是焊縫的美觀，焊接過程中焊縫周圍產生的煙塵較少，並且與5363相比，該合金系的焊縫表面更為閃亮美觀。但是4043也有他自己的不足，其中包括在進行角焊縫時，焊縫的塑性和剪切強度相對較低。這兩種合金的坡口焊接頭強度相差不大，因為對於任何一種填充金屬的6061坡口焊的焊接接頭來說，接頭最薄弱的區域始終是6061的焊接熱影響區。對於那些需要在焊後採用陽極氧化配色的6061母材，焊接時應避免使用4043。
另一方面，在焊接6061時，使用5356焊接材料可以提高接頭的剪切強度和塑性，並且能夠提高生產效率。這是由於它的電阻率比4043高，這就意味著在給定的電流下，5356的送絲速度要明顯提高，比如在200A的電流下，分別使用4043和5356進行焊接時你會發現，使用5356焊絲時熔覆量增加33%，這也保證了5356焊絲在進行錯邊焊時具有更大的工藝適應性。由於4043流動性較高，因此常用於上坡焊，在其他特殊情況下容易出現焊接缺陷，尤其是在採用恆壓工藝進行焊接時，其焊縫成形傾向於不可控狀態，並且在焊趾處容易出現咬邊。
另一個我們需要考慮的因素就是合金系自身的硬度。在相同的絲徑下，5356焊絲要硬於4043，因此5356焊絲更適合於焊絲的送給，尤其是在不採用推拉焊槍而使用推絲裝置的情況下更為適用。
4.鋁合金焊接行業的前景如何？
由於各個行業都面臨著對輕量化的迫切要求，因此在未來鋁合金的使用量可能會全面增加。傳統上採用鋼的焊接結構在使用鋁合金進行替代時會出現比現在更為艱鉅的挑戰，尤其是在軌道交通這類高生產效率要求的行業中，產量是最為重要的因素。因此基於快速、美觀、優質的鋁合金焊接方法與技術研究正在進行的如火如荼。
由於鋁的高導熱性，使用大於傳統直徑(d > 1.6 mm)的高安培工藝的應用可能會增加。在較薄的鋁材料上(t < 3mm)，現代的波形控制技術將焊接速度提高到100英寸/分鐘以上。
生產力的需要，再加上勞動力的減少，推動了鋁焊接自動化的發展。幾十年來，汽車工業一直在使用柔性自動化技術焊接鋁。隨著自動化越來越容易實現，鋁合金焊接行業的採用率也相應提高，如深加工、卡車/拖車和一般製造。除了傳統的柔性機器人外，諸如焊接超長榫接接頭的定形自動化焊接專機也在不斷地提高著焊接生產效率，如圖4所示。
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圖4-鋁合金框架的機器人焊接
結束語
傳統上，鋁合金因其高強比而被廣泛應用，但在需求鋼強度級別的設備中應用還尚未見相關報道，儘管機械性能接近鋼的高強度鋁合金已有幾十年的歷史。一些常見的合金體系，包括7xxx, 2xxx，甚至8xxx，都面臨著類似的電弧焊挑戰，這些合金元素賦予這些材料優異的強度，也會導致焊縫中出現嚴重的裂紋問題。此外，高強度鋁合金的熱影響區軟化問題也往往會背離他們原始設計初衷，難以達到理想的使用要求。
近年來，新合金系、熱處理強化和微粒改性技術不斷髮展，這些技術的發展無疑會使鋁合金的焊接在不犧牲強度或發生裂紋的前提下順利完成焊接成為可能。隨著製造商生產更多的合金系，如5556、5554、4145和各種不同尋常的焊接材料，是的現有的焊接材料多樣化愈加豐富。隨著冷絲焊接技術和熱絲激光焊接技術的特殊應用，以及整體零件增材製造的推廣，對非常規和獨特鋁合金的需求將變得越來越大。
MIKAEL D. CARRIERE [email protected]
VOLKAN GULSEN [email protected]
分別是俄亥俄州克利夫蘭林肯電氣公司的技術服務經理和業務開發經理。。
本文摘自：Welding Journal 《焊接雜誌》2019年7月刊
作者：MIKAEL D. CARRIERE 和 VOLKAN GULSEN
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