解决气体金属弧焊法焊接铝材时产生的问题

【编者按】对于原始设备制造商来说，铝材好处多多——高强度重量比、高耐腐蚀性、高导热性、导电性，都使它成为焊接行业非常普遍的指定材料。然而，当制造商用铝材进行焊接时，还需要面对一些独特挑战，比如：坚韧的氧化层，非常不一样的合金组合物，需要使用刚性较小的填充金属丝以及非常干净的碱金属。选择适当类型的焊接填充金属丝、耗材和设备，可以快速排除故障，帮助减轻这些问题。

铝材焊接，有些独特的技术挑战。注意选择合适的填充金属丝、耗材及设备，并采取措施，确保尽快排除故障。

本文将就最大限度地减少焊接车间的停机时间，提高生产率，着眼于气体金属弧焊（GMAW，MIG）铝材时，出现的一些最常见的问题。还会讨论如何防止这些问题的产生，以及一旦问题出现，如何迅速解决的方法。

如何避免热开裂

开裂是铝材焊接中可能发生的一个重大问题。即使很小的缝隙也可能导致焊缝不合规范，并最终导致焊点故障。其实，绝大多数的铝合金都可以实现成功焊接、不发生破损等相关问题。关键是使用合适的填充金属丝、适当的工序来完成焊接。

有两种类型的开裂——热开裂和应力开裂，热开裂是焊铝时比较常见的。热开裂是焊接复合物时常遭遇一个麻烦，它会影响金属焊接的凝固程度。

有三个因素可以显著影响铝焊接热开裂的概率：

1）母材组合的开裂敏感度；

2）选择最合适的填充金属丝，有助于不选容易开裂的材料组合物；以及

3）选择最合适的焊接接头设计，来处理基础金属，有助于避免开裂敏感的焊接组合。

有些铝合金比其他金属更容易开裂，所以选择一种合适的填充金属丝非常重要，这会产生低开裂敏感度的焊接金属组合。当焊接具有低裂纹敏感性的铝材时，会采用类似成分的填充金属丝。反之，焊接高开裂敏感性的铝合金时，会选择低裂纹敏感性的不同成分的填充金属丝。

铝填充金属丝，均按照美国焊接学会（AWS）的分类，对应铝业协会的相关注册号码，以确定特定的合金组合成分。并非所有的填充金属丝都适于焊接所有的铝基合金。需要一个有信誉的填充金属丝选择指南，以确保不同的铝合金焊接的最佳选择。

开裂是铝材焊接中可能发生的一个重大问题。即使很小的缝隙也可能导致焊缝不合规范，并最终导致焊点故障。其实，绝大多数的铝合金都可以成功焊接，不发生破损。关键是使用合适的填充金属丝、适当的工序来焊接。

焊缝设计是另一个重要的考虑因素，可以影响焊缝的组合物，有助于防止热裂纹。无斜角的焊缝，会导致基本金属熔焊稀释率不够，有适当斜角的焊缝，就可以充分稀释。这就意味着可以在一个斜面边缘，增加在焊缝沉积的填料金属的量，产生一个不太可能开裂的复合层。有些铝基合金，比如6XXX系列，是可能强烈影响热开裂的非常重要的一种因素。

应力开裂

虽然不像热开裂那么普遍，应力开裂也可能影响铝的焊接。导致应力开裂的一个主要原因是：在焊缝凝固和冷却时的过度收缩率。适当的时候选择含有硅的填充金属丝，能减少收缩压力，有助于避免应力裂纹。

焊铝过程中出现的大部分裂缝，会在焊口（通常用来定义焊头里不希望出现的凹陷）里出现，常被忽视。焊口裂缝最初是很小的，不加处理的话，就可能扩大到整个焊缝并造成重大故障。最好的操作方法是，焊工注意在焊接过程中把焊口完全填满，要么采用焊接电源供应设备上的自动焊口填补功能，要么用其他已经批准的焊口填补方法。

提高焊接移动速度，有助于减少应力开裂的可能性，因为这样做可以缩小热影响区，最大程度地减小碱金属熔化的程度。通过降低母材在焊接过程中及之后的残余应力水平，也可以用预热来起到帮助作用。这反过来也会降低应力开裂的可能性。

要避免在非常冷的情况下焊接铝，要避免预热操作导致的过热——150°F的预热温度，就足以满足所有的铝合金焊接要求了。如果焊接某些合金时产生过热的问题，比如，6XXX系列合金，会使母料的拉伸强度减少到不可接受的程度。

焊缝气孔率

虽然不是导致开裂的关键性问题，但在气体金属弧焊法焊接铝时，内部气孔也许算是最常见的麻烦了。内部气孔，是指在焊接凝固过程中因为气体混入而形成的不连续的空洞。

焊接气孔，主要来自焊池凝固时氢气熔化、排出时对氢气的吸收。氢的存在，产生了气孔。

•碳氢化合物，以油漆、油、油脂和其它润滑剂和污染物的形式出现。

•水合氧化铝——焊接操作过程中受到热时，已经吸收了水分的氧化铝能够把氢释放出去。

•湿气，可能来自于大气（湿度）或其他来源，比如压缩空气、水冷式焊炬的小泄漏，被污染的保护气体或预清洗操作。

解决这个问题的第一步：明确氢是如何产生气孔的。焊接车间也可以购买低露点保护气体（氩气或氩/氦混合气），以帮助减少焊接气孔。而且，确保焊工严格按照所推荐的保护气体的流速、焊接工艺周期的以及所需的焊接位置，进行操作。

在焊缝组装之前，焊接操作人员必须用溶剂和干净的布或纸巾，再用不锈钢丝刷彻底清洁基础金属。注意：对铝材处理而言，抹布通常不够干净，因为它们通常含有有助于孔隙残余碳氢化合物。

此外，需要确保母材和填充金属丝上没有结露。当从温度较低的地方（如室外）把铝搬入时，应把它放置在焊接区24小时。同样，焊前，需要把未开封的铝钎料存到加热柜或房间中，防止它们达到露点，避免其表面生成水合氧化物。

最后还要提醒的是：尽量从有信誉的厂家购买高品质的填充金属丝。这样的填充金属丝通常经过钻石抛光，以消除有害的氧化物；是按照一定的程序制造的，降低了化合物中残留的含氢量；还通过了严格的AWS标准的焊缝测试。

防止不稳定的送丝和电弧问题

焊工应该遵循以下几个准则，以避免不稳定送丝和电弧问题，首先采用专为铝设计的焊接电源及耗材。使用合适的焊割导电嘴（与焊丝直径相匹配的尺寸）。采用专为铝线焊接设计的导电嘴；如果在焊接铝时使用专为钢线焊接设计的导电嘴，会导致过度回烧。

导电嘴应埋设在1/8到¼英寸的气杯里，以确保喷嘴的气体冷却是合适的，用于飞溅控制。电弧燃烧会引起导电嘴磨损，这是个问题。为了避免这种情况，可以根据需要更换导电嘴。

选择正确的驱动辊类型。在将铝焊丝送到焊缝处时，有助于防止送丝。上述问题，大多数都会导致铝线削峰，起因是糟糕的安装以及驱动辊的错误设计。削峰产生后，会阻塞焊枪内衬垫，限制金属丝的自由流动。可以把专为铝设计的U型槽驱动辊装在送丝机里。V形槽驱动辊会把铝线压缩、变形，引起不稳定的电弧状态。

小心地将驱动辊排成一行，始终保持持续喂线所需的最低驱动辊压力。定期维护、定期更换磨损件，包括驱动辊、衬垫和进口导板，也有助于防止送丝问题的产生。使用推拉送丝机或滑枪，可以达到最佳焊丝输送水平。

绝大多数的推拉式送丝机，有两个衬垫：一个导管衬套，可以持续更长的时间，滑枪里一个头管衬套，可以防止滑枪的快速磨损。定期更换这两个衬垫，以防某天突然堵塞，成为大麻烦。

尽量减少焊缝变色、发黑的几率

当氧通过空气进入到气体防护罩时，湿气和污染物会增加填充金属丝燃烧（氧化）的几率，使焊缝变色、发黑 。使用某些填料金属的也可能产生类似问题。

焊缝变色、发黑，使焊接效果看起来很糟糕，其实是个很容易避免的问题。4XXX系列的填充金属丝，与5XXX系列合金相比，焊接变色、发黑的几率较少一些，5XXX系列合金中的镁，在电弧焊接使气化，然后在焊缝旁边凝结成黑色烟灰。

绝大多数的4XXX系列合金，含有少量镁或基本不含镁。而且，焊工可以通过减小焊枪焊接的角度，来增加气罩杯的大小，使气杯靠近母材，使气杯中的飞溅不能累积起来，并仔细地将电弧罩起。通常焊工在焊接钢材时，会拖动焊枪。现在，采用以某个角度推动的方式，焊接前先做电弧清洁。保持这个角度，持续清洁焊缝，降低发黑率。

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