應用舉例:鋁母線的焊接
大中型發(fā)電機組的槽形和管形,小型機組的板狀母線。
1、母線材質、焊接材料及設備
母線材質:L2工業(yè)純鋁;
焊材:絲301或絲311;
焊接設備:交流氬弧、熔化極氣體保護焊機。
2、對接坡口及接頭墊板
(1)對接坡口及其尺寸
δ≤6mm,不開坡口,間隙2-5mm;
δ=6-20mm,70oV型坡口,間隙5-8mm,鈍邊1-2mm。
(2)坡口根部墊板
1)鋁質或鋼質;
2)墊板的大小視母線形狀和尺寸而選擇;
3)母線為板狀或槽狀時,選板形墊板;
4)母線為管形時,一般選純鋁墊圈;
5)母線封閉外殼的環(huán)縫對接選用帶弧形槽的鋼墊板。
3、清洗工藝
(1)焊絲清洗:分焊絲整理,堿洗,酸洗,烘干存放幾個步驟。烘好的焊絲要隨即使用,避免再次氧化。
(2)焊件坡口清理
1)化學清洗 :采用清洗劑進行清洗。
2)機械清洗:先用(、松香或汽油)擦拭表面除油污,然后用細鋼絲刷或刮刀使母材焊接區(qū)刮至有金屬光澤為止。
(3)焊接過程中的清理
清除焊接過程中出現(xiàn)的黑斑、粘合、夾渣(鏟削)。
4、焊接工藝
(1)預熱:一般可采取電阻爐加熱。高一些為好,但不要超過250oC。
(2)工藝要點:TIG焊
1)大規(guī)范參數(shù):鎢棒直徑3-6mm,焊絲直徑2.4-6mm,焊接電流250-400A,氬氣流量15-20l/min(視噴嘴大小決定)。
2)點焊要求
直線焊縫先點焊兩端,后點焊中部至少三處,每處約60~80mm;
外殼環(huán)焊縫每隔60o點焊一處,每處長約80mm左右;
管形主母線沿圓周均分2-4處點焊,每處長約40-50mm。
3)好用鋁制引弧板引弧和收弧。
1070純鋁焊絲,鋁含量≥99.5%,有的抗腐蝕性能,很高的導熱與導電性能,以及的可加工性能。對經(jīng)陽極化處理 的材料,需要配色時十分理想,推薦用于焊接1000系列鋁合金。 典型化學成份:Si≤0.03、Cu≤0.002、Zn≤0.013、Fe≤0.18 、Mn≤0.003,AL余量用途廣泛用于鐵路機車、電力、化學、食 品等行業(yè)。 執(zhí)行GB10858-89標準鋁及鋁合金焊絲廣泛應用于鋁及鋁合金氬弧焊及氧 -乙炔氣焊時作填充材料。 焊絲的選擇,主要根據(jù)母材的種類,對接頭的抗裂性能、力學性能及抗腐蝕性能等方面的要求綜合考慮
鋁材具有的物理特性和力學性能,其密度低、強度高、熱導率高、電導率高,耐蝕能力強。鋁材廣泛用于容器、機械、電力、化工、航空、航天等焊接結構的產品上。
(一)鋁材的分類及牌號表示方法
1. 鋁材的分類
(1)按有無合金成分,鋁材分為純鋁及鋁合金。鋁合金按合金系列又分為Al-Mn合金、Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-Mg合金等。
(2)按壓力加工能力,可分為變形鋁和非變形鋁(例如:鑄鋁)。
(3)按能否熱處理強化,鋁合金又分為非熱處理強化鋁和熱處理強化鋁。鋁沒有同素異構體,純鋁、鋁錳合金、鋁鎂合金等不可能通過熱處理相變來進步強度。但是,鋁銅和鋁鎂硅等合金可通過固溶時效析出強化相進步強度,稱為可熱處理強化鋁。不能通過固溶時效析出強化相進步強度的稱為不可熱處理強化鋁。
2. 牌號表示方法和狀態(tài)代號
(1)四位數(shù)字體系牌號命名方法 1997年1月1號,我國開始實施GB/T16474?996《變形鋁和鋁合號表示方法》標準。新的牌號表示方法采用變形鋁和鋁合金國際牌號注冊組織推薦的國際四位數(shù)字體系牌號命名方法,例如產業(yè)純鋁有1070、1060等,Al-Mn合金有3003等,Al-Mg合金有5052、5086等。
(2)四位字符體系牌號命名方法 1997年1月1號前,我國采用前蘇聯(lián)的牌號表示方法。一些老牌號的鋁及鋁合金化學成分與國際四位數(shù)字體系牌號不完全吻合,不能采用國際四位數(shù)字體系牌號代替,為保存國內現(xiàn)有的非國際四位數(shù)字體系牌號,不得不采用四位字符體系牌號命名方法,以便逐步與國際接軌。例如:老牌號LF21的化學成分與國際四位數(shù)字體系牌號3003不完全吻合,于是,四位字符體系表示的牌號為3A21。
四位數(shù)字體系和四位字符體系牌號個數(shù)字表示鋁及鋁合金的種別,其含義如下:
1)1XXX系列棗產業(yè)純鋁;
2)2XXX系列棗Al-Cu、Al-Cu-Mn合金,;
3)3XXX系列棗Al-Mn合金;
4)4XXX系列棗Al-Si合金;
5)5XXX系列棗Al-Mg合金;
6)6XXX系列棗Al-Mg-Si合金;
7)7XXX系列棗Al-Mg-Si-Cu合金;
8)8XXX系列棗其它。
焊接參數(shù) (僅供參考)
4.1. 根據(jù)不同的材料和板厚選用不同型號的焊絲和直徑
4.2. 常用焊接規(guī)范:
4.2.1. 0.8 毫米焊絲 (板厚小于3毫米): WFS: 12-15m/min, I=70-130A, U=17-21V,焊速=600-1125mm/min
4.2.1. 0.9 毫米焊絲 (板厚小于5毫米): WFS: 10-12m/min, I=145-175A, U=20-22V,焊速=600-1125mm/min
4.2.3. 1.0 毫米焊絲 (板厚大于5毫米): WFS: 8-12m/min, I=150-200A, U=22-24.5V,焊速=600-1125mm/min
4.2.4.1.2 毫米焊絲 (板厚大于5毫米): WFS: 7.5-10m/min, I=190-220A, U=22-26V,焊速=600-800mm/min
4.2.5. 1.6 毫米焊絲 (板厚大于5毫米): WFS: 5-8m/min, I=240-330A, U=24-30V,焊速=400-800mm/min
鋁及鋁合金在現(xiàn)代工程技術所用的各種材料中占有舉足輕重的地位,它在世界年產量僅次于鋼鐵而居第二位,在有色金屬中則居位。如果說鋁合金初是在航空工業(yè)中嶄露頭角的話,那么近幾十年來,除航空工業(yè)外,在航天、汽車、船舶、橋梁、機械制造、電工、化學工業(yè)及低溫裝置中已大量應用鋁及鋁合金,以制造各種部件、油箱、耐蝕容器及導線等。目前鋁合金焊接結構中應用廣的是防銹鋁合金,即鋁鎂合金和鋁錳合金。
?保護氣體的選擇?
焊接時所用的保護氣體有惰性氣體氬氣(Ar)和氦氣(He),生產上普遍使用氬氣。用于焊接鋁及鋁合金的氬氣滿足下列純度(體積分數(shù))要求:氬氣大于99.99%,氦氣小于0.04%,氧氣小于0.03%,水的質量分數(shù)小于0.07%。目前國內生產的氬氣,其純度一般能達到此要求,故在使用前不需再進行提純處理。
?鎢電極的選用?
氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔點和沸點高,不容易熔化揮發(fā),但電子發(fā)射能力比釷鎢、鈰鎢要差。在純鎢中加入質量分數(shù)為1.0%~2.0%的氧化釷(Tho)電極稱為釷鎢極。它的電子發(fā)射能力強,允許的電流密度高,電弧燃燒穩(wěn)定。
?溶劑的選擇?
在氣焊、碳弧焊過程中,熔化的金屬表面極易氧化而形成氧化膜,為焊接質量,用熔劑去除氧化膜及其他雜質。氣焊、碳弧焊用的熔劑是各種鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物粉末的混合物。
?焊絲的選用?
在鋁合金材料的焊接過程中,鋁合金用焊絲的選用至關重要,選取前應該了解以下內容:
?是否所有的鋁合金材料都可用作焊接填充合金?
?是否所有的鋁合金都可以焊接?
?應避免發(fā)生的缺陷有哪些?
?如何選擇焊接填充合金?
?選擇時應當考慮的標準是什么?
?鋁合金系列需要了解?
選擇什么樣的焊絲?
一種母材可以用多種鋁合金焊材完成焊接 ,如5083-5083的焊接:可用 5356,5183,5556 等焊絲。但是每一種焊絲得到的焊接接頭可能只能在某一個性能方面是佳的。選擇佳的焊絲時,主要應考慮焊接件的終使用性能。整體來說,主要考察以下幾個性能指標:
總之,選擇鋁合金焊絲過程中,只有在對鋁件焊接及其應用中的許多相關變量進行了充分分析后,才能選擇出合適的合金填料。
焊前準備:
1.鋁材坡口加工應采用機械方法(含剪切),如采用等離子火焰方法加工應從變色部分機械加工去掉不少于3mm,加工后的坡口表面應平整、光滑,不得有裂紋、分層、夾雜、毛刺、飛邊和氧化色。坡口表面應呈銀白色的金屬光澤;必要時對坡口及兩側不少于50 mm范圍內進行PT。
2.焊絲、坡口表面及其兩側不少于50 mm范圍內進行表面清理(包括去表面氧化膜、鱗片、污染和不合格的氧化色)。打磨可用φ0.15~0.2不銹鋼絲盤刷、金屬磨頭(即電動銑刀)、手工盤銑機、銼刀(應是鋁弧形銼刀)、刮刀和(沾的白布應干凈,不要使用棉布或棉紗,以避免擦拭時帶出毛絨),但應注意這些工具在使用前應被清理干凈,清理時也應注意不要把氧化膜以壓入母材內,因此清理時不要太用力;但不準用砂輪或普通砂紙打磨,因為鋁材很軟而導致砂粒留在鋁材里,焊后就易產生氣孔和夾渣等缺陷。
3.對于外委熱加工的部件,如封頭等,原則上在進廠后應對鋁材表面進行PT,必要時對不能確定的部位進行RT。
4.焊絲表面可用不銹鋼絲刷或干凈的油砂紙擦洗;對表面氧化皮較厚的焊絲在焊前打磨后還需要化學清理。化學清理:用70℃、5%~10%的NaOH溶液浸泡0.5~3min左右后用清水沖洗,接著用15%左右的HNO3溶液在常溫下浸泡約1~2min后用溫水沖洗,再用手持式吹風機(不能用空氣壓縮機,因為空氣中有水和油)吹干再放入烘箱中100℃烘干即可使用。對鋁材也可參考此法。
5.清理干凈的焊絲和焊件應保持清潔和干燥,不得用手觸摸和口吹焊接部位,焊工一般戴白色的焊工手套,不要因為怕麻煩而戴臟手套;焊前嚴禁污染,否則應重新進行清理,局部污染可局部重新清理;好用白紙覆蓋在坡口用兩側。一般機械清理后應立即焊接,如清理后4h之內未焊,焊前就應重新清理。
6.焊件裝配應準確,如果裝配不良時,應考慮換部件,而不得強行組對,以避免造成過大的應力。在正式焊接前應對坡口尺寸進行檢查,合格后方可施焊。
7.定位焊選用的焊絲及采取的工藝措施與焊接工藝相同。
8.焊件組對時在應力集中處(如焊縫交叉處和工件上的轉角處等)盡量避免進行定位焊,定位焊縫長度和間距可按下表:(mm)
母材厚度
定位焊間距
每段定位焊縫長度
<3
3~6
>6
接管或法蘭
40~50
50~60
50~80
2~4點
4~6
5~10
10~12
每點3~8
9.定位焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷,否則清除重焊。重焊應在附近區(qū)域進行,而不要在原處點焊;對接焊縫間隙在工藝沒規(guī)定時,可按2~4mm。
10.對于會熔入焊縫的定位焊縫焊透和清除其表面的氧化層(只允許銀白色),并使焊縫兩端平滑過渡以便于接弧,否則就應修整。在冷態(tài)零件上施焊時,電弧應在始焊稍作停留一下,待母材邊緣開始熔化時,再及時加絲焊接,以始焊點焊透。
11.焊接縱縫時,在焊件兩端放置引弧板和退弧板,引弧板和退弧板采用與被焊件相同牌號和厚度的鋁材。焊接環(huán)縫時盡量避免產生弧坑。
12.焊接過程中定位焊點開裂,造成板邊錯位或間隙變化,應立即停止焊接,經(jīng)修復后才能繼續(xù)施焊。
13.在焊接過程中,應先鋼絲刷清理上層焊縫表面的黑灰和氧化物。焊時注意處理火口,即收弧處。引弧可在離焊接始端10~20mm,再迅速回始端焊接,層采用直線焊接,為了獲得良好的成形,其它層焊時可以橫向擺動,并在兩側稍停一下,以便熔合。
14.鋁焊接變形和焊時易產生塌陷,因此在焊前應有針對性地制作夾具和墊板。采用夾具時一般零件正都需要夾緊,并且夾具的剛性和夾緊力大小要適中,因為過小取不到控制變形作用,過大則焊縫拘束度太強易導致焊縫開裂,夾緊力按350Kg/100mm為宜。軟性鋁材夾具可為碳鋼或不銹鋼,可以減緩散熱;強化鋁材可用鋁材制造夾具,這樣可以加強散熱??v縫夾具可用琴鍵式,環(huán)縫可用液壓脹形夾具??v縫裝配時可適當間隙,以便焊后有收縮余地;環(huán)縫(包括圓形凸緣、法蘭等)則留些反向錯邊或扳邊,因為焊后凸緣會塌陷變形。墊板材料一般為不銹鋼或碳鋼,對要求不高的鋁材焊接可用石墨制作墊板。選擇墊板材料還應考慮對焊縫冷卻速度的影響。當鋁板較厚或墊板裝配間隙較大時,可用粘土泥封住間隙,焊后去掉即可。墊板尺寸可按下圖:
材料及尺寸
A
B
C
不銹鋼或碳鋼
石 墨
鋁及鋁合金資料密度低,強度高,熱電導率高,耐腐蝕才能強,具有的物理特性和力學功能,因而廣泛應用于工業(yè)商品的焊接構造上。長期以來,因為焊接辦法及焊接技術參數(shù)的選擇不當,構成鋁合金零件焊接后因應力過于會集發(fā)生嚴峻變形,或因為焊縫氣孔、夾渣、未焊透等缺點,致使焊縫金屬裂紋或原料疏松,嚴峻影響了商品質量及功能。
1.鋁合金焊絲材料特點
鋁是銀白色的輕金屬,具有的塑性、較高的導電性和導熱性,一起還具有抗氧化和抗腐蝕的才能。鋁很簡單氧化發(fā)生三氧化二鋁薄膜,在焊縫中簡單發(fā)生夾雜物,然后損壞金屬的連續(xù)性和均勻性,降低其機械功能和耐腐蝕功能。常見鋁合金母材和焊絲的化學成分及機械功能。
2.鋁合金資料的焊接難點
(1)很簡單氧化。在空氣中,鋁簡單同氧化合,生成細密的三氧化二鋁薄膜(厚度約0.1-0.2μm),熔點高(約2050℃),遠遠鋁及鋁合金的熔點(約600℃擺布)。氧化鋁的密度3.95-4.10g/cm3,約為鋁的1.4倍,氧化鋁薄膜的外表易吸附水分,焊接時,它阻止根本金屬的熔合,很簡單構成氣孔、夾渣、未熔合等缺點,引起焊縫功能降低。
(2)易發(fā)生氣孔。鋁和鋁合金焊接時發(fā)生氣孔的首要原因是氫,因為液態(tài)鋁可溶解很多的氫,而固態(tài)鋁幾乎不溶解氫,因而當熔池溫度疾速冷卻與凝結時,氫來不及逸出,簡單在焊縫中構成氣孔。氫氣孔目前難于完全避免,氫的來歷很多,有電弧焊氣氛中的氫,鋁板、焊絲外表吸附空氣中的水分等。實踐,即便氬氣按GB/T4842標準需求,純度到達99.99%以上,但當水分含量到達20ppm時,也會呈現(xiàn)很多的細密氣孔,當空氣相對濕度80%時,焊縫就會顯著呈現(xiàn)氣孔。
(3)焊縫變形和構成裂紋傾向大。鋁的線脹大系數(shù)和結晶縮短率約比鋼大兩倍,易發(fā)生較大的焊接變形的內應力,對剛性較大的構造將促進熱裂紋的發(fā)生。
(4)鋁的導熱系數(shù)大(純鋁0.538卡/Cm.s.℃)。約為鋼的4倍,因而,焊接鋁和鋁合金時,比焊鋼要耗費更多的熱量。
(5)合金元素的蒸騰的燒損。鋁合金中含有低沸點的元素(如鎂、鋅、錳等),在高溫電弧效果下,很簡單蒸騰燒損,然后改動焊縫金屬的化學成分,使焊縫功能降低。
(6)高溫強度和塑性低。高溫時鋁的強度和塑性很低,損壞了焊縫金屬的成形,有時還簡單構成焊縫金屬塌落和焊穿表象。
(7)無色彩改變。鋁及鋁合金從固態(tài)轉為液態(tài)時,無顯著的色彩改變,使操作者難以把握加熱溫度。
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