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铝合金货车架的手工焊接
铝及其合金适合于多种工程制造应用，自铝合金自诞生以来就以其独有的特点迅速在航空航天工业中得到了推崇，随后也陆续被其他更为广泛的行业所接受，包括汽车、卡车和拖车、造船、包装、建筑、高压气瓶等多个领域，如图1所示。铝合金之所以在多个行业中应用主要是由于其具有优异的比强度和耐腐蚀性 ，这样的性能对于上述行业中的大多数设备制造和服役来讲都极其有益。
图1-焊工在铝制船体内作业
未合金化的纯铝是一种软而有韧性的金属，因此在大多数结构应用中强度不足。铜(Cu)、锰(Mn)、硅(Si)、镁(Mg)和锌(Zn)等元素是添加到纯铝中的主要合金元素，
这些合金的加入能够显著地提高铝合金的综合力学性能，如图2所示。
图2-本图绘制了常用的铝合金体系，并介绍了不同铝合金系的主要合金元素，包括铜、锰、硅、镁和锌元素，这些元素的加入能够显著地提高铝合金的制造机械性能
铝合金与钢合金之间存在着显著的差异，需要在设计过程中加以识别和考虑。其中包括：
- 有些铝合金是可热处理强化，有些则不是，而对于钢来说，几乎所有的钢都是可热处理的。
- 一部分铝合金不能使用典型的焊接方法进行焊接，如熔化极气保护焊和钨极氩弧焊，但是对于钢来说，只要焊接时采取必要的预防措施，几乎所有的钢都可以使用熔化焊进行焊接。
- 铝合金的焊接接头，包括焊缝和热影响区，其强度通常软于母材，而在钢的焊接接头中，焊缝强度通常与母材相当。
- 铝合金的强度和延性在低温下不会受到影响，因为随着温度下降到极低水平，铝合金的延性也会增加，但是钢的脆性则会随着温度的降低而显著增加。
大多数铝合金可以通过电弧焊接进行连接，如图3所示。但是某些航空用铝合金和其他特殊合金采用传统焊接方法无法实现连接。由于铝合金具有氧化层存在，因此在使用熔化焊进行焊接时需要利用正极的破膜特性去除氧化膜，这样才能确保顺利的焊接。铝合金焊接时通常会在焊缝金属和焊接热影响区位置形成软化区，有时为了恢复这些区域的性能，可以在焊后采用适当的热处理进行恢复。铝合金的焊接除了可以使用传统的电弧焊以外，还可以选择其他新型的焊接方法，包括搅拌摩擦焊、激光焊和超声波焊。
图3-一位焊工在正使用其娴熟的技术焊接铝合金
以下四个方面是在铝合金焊接时需要重点考虑的四个方面：
1.应该采用什么工艺才能更好地焊接铝及其合金?
随着铝合金在更多行业的使用量日益增加，制造商需要斟酌及改进这些材料的连接方法，并能够实现在不影响生产率的前提下最大限度地提高产品质量。
钨极氩弧焊通常是可以提供高质量焊缝的首选焊接方法。该方法使用非消耗性的钨电极进行集体金属的熔化。根据母材和用途的不同，焊接时可以选择添加焊接材料。使用钨极氩弧焊尽心焊接时，焊接材料是独立添加的，这样就不会涉及到电弧作用下的熔滴过渡过程。不转移任何金属横跨电弧。在焊接过程中采取适当的工艺并且在焊前进行合理的清洗通常会获得孔隙率较低的焊接接头。钨极氩弧焊还有热输入低、焊缝表面光滑美观、无飞溅、烟尘低等特点。正是由于钨极氩弧焊有这些优势，使得该方法在对焊接质量要求极高的航空工业领域大受推崇。但是钨极氩弧焊也有其自身的缺点，那就是其金属熔覆效率较低，并且焊接速度较慢，难以适应高效率的生产节奏。
值得我们庆幸的是，近年来熔化极气保护焊技术取得了可喜的进展。这种方法既能够保证接头的焊接质量，也具有较高的生产效率，已经成为时下受欢迎的铝合金焊接方法。熔化极气保护焊与钨极氩弧焊的不同之处在于焊接过程中焊接材料自身就是电极，电极不断熔化并过渡到焊缝之中。但是由于铝挑战性。为了确保焊接过程中送丝的高稳定性，送丝机的传动装置应使用U型槽传动辊、并配备适当的塑料导线导轨、非钢衬套和正确的内径接触头。使用正确的熔化极气保护焊参数和工艺可以避免未熔合和气孔的出现，并且生产效率要高于钨极氩弧焊。
不过说到底，决策权还是应该基于用户的需求和优先等级。如果高度强调焊接质量，生产效率排在其次，那么钨极氩弧焊是理想的选择；如果你主要想提高工作效率，或者效率与质量两者兼顾，那你可以考虑使用熔化极气保护焊。
2.什么时候应该考虑焊接自动化？
铝合金焊接过程的自动化可以提高生产率，并且在不改变劳动力的情况下显著提高产量。此外，自动化过程的一致性和可靠性可以帮助降低缺陷的出现，并减少甚至消除焊后返工、修复，从而避免了过焊，降低了生产制造成本。
随着各种自动化解决方案的陆续推出，在确定装置适用性和选择正确的解决方案时需要对当前的焊接应用进行详细的分析。
有关自动化焊接应用程序分析，请参阅下栏，尤其是在审查潜在自动化供应商提供的所有方案时，应从下栏中的多个方面进行考虑。
焊接程序分析
焊接程序分析应从以下方面考虑：
- 设备的工作流程：分析焊接前、中、后等过程的确定瓶颈和挑战，并充分考虑楼层布局和劳动力使用等因素。
- 工件的几何尺寸：工件是否适合自动化，工件的装配能否重复性操作
- 接头设计：确定夹具和定位器的需求。
- 生产需求：是多工件的短焊缝焊接需求还是少工件的长焊缝焊接需求？
- 焊接工艺需求：选用什么焊接工艺？钨极氩弧焊还是熔化极气保焊焊？焊接电源类型是什么？
在对铝合金采购自动化焊接装备时，最后找到那种能够提供完整解决方案包的厂家，因为这样的自动化需要围绕焊接电弧这一最关键的元素进行设计。此外，全解决方案提供商在分析应用程序、提供完整的软件包（包括理想的填充金属）、将自动化集成到工作流、为自动化系统和焊接过程本身提供售后服务和持续的技术支持方面均经验丰富。
3.除了焊接设备以外，焊接材料也是重要考虑的因素。
被焊接的合金种类和最终焊件的使用需求有助于确定合适的焊接材料。在某些情况下，可以使用多种焊接材料。例如，你在焊接常规的铝合金母材时，例如6061合金，可以选择两种市面上常见的铝焊材，分别是4043和5356。不过你也可以选择其他的合金系，这里为了便于说明，我们将重点讨论4043和5356。
4043焊材最为常用，与5356焊接材料相比具有以下几个优点。由于6061比许多其他母材合金具有更高的开裂敏感性，使用4043可以帮助降低开裂的可能性，这是因为该合金系具有更高的流动性，并且化学成分与母材有很大的不同。4043的另一个优点是焊缝的美观，焊接过程中焊缝周围产生的烟尘较少，并且与5363相比，该合金系的焊缝表面更为闪亮美观。但是4043也有他自己的不足，其中包括在进行角焊缝时，焊缝的塑性和剪切强度相对较低。这两种合金的坡口焊接头强度相差不大，因为对于任何一种填充金属的6061坡口焊的焊接接头来说，接头最薄弱的区域始终是6061的焊接热影响区。对于那些需要在焊后采用阳极氧化配色的6061母材，焊接时应避免使用4043。
另一方面，在焊接6061时，使用5356焊接材料可以提高接头的剪切强度和塑性，并且能够提高生产效率。这是由于它的电阻率比4043高，这就意味着在给定的电流下，5356的送丝速度要明显提高，比如在200A的电流下，分别使用4043和5356进行焊接时你会发现，使用5356焊丝时熔覆量增加33%，这也保证了5356焊丝在进行错边焊时具有更大的工艺适应性。由于4043流动性较高，因此常用于上坡焊，在其他特殊情况下容易出现焊接缺陷，尤其是在采用恒压工艺进行焊接时，其焊缝成形倾向于不可控状态，并且在焊趾处容易出现咬边。
另一个我们需要考虑的因素就是合金系自身的硬度。在相同的丝径下，5356焊丝要硬于4043，因此5356焊丝更适合于焊丝的送给，尤其是在不采用推拉焊枪而使用推丝装置的情况下更为适用。
4.铝合金焊接行业的前景如何？
由于各个行业都面临着对轻量化的迫切要求，因此在未来铝合金的使用量可能会全面增加。传统上采用钢的焊接结构在使用铝合金进行替代时会出现比现在更为艰巨的挑战，尤其是在轨道交通这类高生产效率要求的行业中，产量是最为重要的因素。因此基于快速、美观、优质的铝合金焊接方法与技术研究正在进行的如火如荼。
由于铝的高导热性，使用大于传统直径(d > 1.6 mm)的高安培工艺的应用可能会增加。在较薄的铝材料上(t < 3mm)，现代的波形控制技术将焊接速度提高到100英寸/分钟以上。
生产力的需要，再加上劳动力的减少，推动了铝焊接自动化的发展。几十年来，汽车工业一直在使用柔性自动化技术焊接铝。随着自动化越来越容易实现，铝合金焊接行业的采用率也相应提高，如深加工、卡车/拖车和一般制造。除了传统的柔性机器人外，诸如焊接超长榫接接头的定形自动化焊接专机也在不断地提高着焊接生产效率，如图4所示。
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图4-铝合金框架的机器人焊接
结束语
传统上，铝合金因其高强比而被广泛应用，但在需求钢强度级别的设备中应用还尚未见相关报道，尽管机械性能接近钢的高强度铝合金已有几十年的历史。一些常见的合金体系，包括7xxx, 2xxx，甚至8xxx，都面临着类似的电弧焊挑战，这些合金元素赋予这些材料优异的强度，也会导致焊缝中出现严重的裂纹问题。此外，高强度铝合金的热影响区软化问题也往往会背离他们原始设计初衷，难以达到理想的使用要求。
近年来，新合金系、热处理强化和微粒改性技术不断发展，这些技术的发展无疑会使铝合金的焊接在不牺牲强度或发生裂纹的前提下顺利完成焊接成为可能。随着制造商生产更多的合金系，如5556、5554、4145和各种不同寻常的焊接材料，是的现有的焊接材料多样化愈加丰富。随着冷丝焊接技术和热丝激光焊接技术的特殊应用，以及整体零件增材制造的推广，对非常规和独特铝合金的需求将变得越来越大。
MIKAEL D. CARRIERE [email protected]
VOLKAN GULSEN [email protected]
分别是俄亥俄州克利夫兰林肯电气公司的技术服务经理和业务开发经理。。
本文摘自：Welding Journal 《焊接杂志》2019年7月刊
作者：MIKAEL D. CARRIERE 和 VOLKAN GULSEN
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