鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點
1 易氧化
鋁和氧的親和力很強。在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續(xù)氧化，對自然防腐有利，但它給焊接帶來了困難，這是由于氧化鋁的熔點(2050℃)遠遠超過了鋁的熔點(600℃左右)，比重約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，會阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣，而且氧化鋁薄膜還吸附了較多的水份，焊接時會促使焊縫生成氣孔。
2 較大的導熱系數和比熱容
鋁的導熱系數約為鋼的四倍，因此，焊接鋁材管時，比鋼管焊接要消耗更多的熱量，為得到的焊接接頭，必需采用能量集中，功率大的熱源。
3 易形成氫氣孔
鋁及鋁合金的焊接氣孔主要氫氣孔。鋁在液態(tài)時能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g，前后相差近20倍。鋁的導熱系數很大，在相同的焊接工藝條件下，其冷卻速度為鋼的4～7倍，使金屬結晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時析出大量過飽和氣體，氫氣來不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此，在焊接鋁材時，焊縫產生氣孔的傾向很大。

5A02 飛機油箱與導管，焊絲，鉚釘，船舶結構件。
5A03 中等強度焊接結構，冷沖壓零件，焊接容器，焊絲，可用來代替5A02合金。
5A05 焊接結構件，飛機蒙皮骨架。
5A06 焊接結構，冷模鍛零件，焊拉容器受力零件，飛機蒙皮骨部件。
5A12 焊接結構件，甲板。

鋁合金是以鋁為基體元素和加入一種或多種合金元素組成的合金。一般采用交直流方波鎢極氬弧焊和脈沖MIG焊進行焊接，脈沖MIG焊又分為一脈一滴脈沖MIG焊和高速脈沖MIG焊。脈沖MIG焊采用焊絲分為：純鋁焊絲301；鋁硅焊絲4043；鋁鎂焊絲5356；保護氣采用高純度氬氣：99.99%Ar。
鋁合金具有重量輕、抗腐蝕、易成型等優(yōu)點；隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現使得這類材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車、高速艦艇、汽車等工業(yè)制造領域得到了越來越廣泛的應用。

由于鋁及其合金化學活潑性很強和自身的屬性，使得在焊接時較困難，對焊縫的質量控制要求較高，主要為：
1、鋁及其合金，表面易形成氧化膜：Al2O3或MgO，且多具有難熔性質（Al2O3熔點約為2050℃，MgO熔點約為2500℃）。
2、氧化膜(Al2O3或MgO)密度同鋁的密度極其接近，所以也容易成為焊縫金屬的夾雜物。
3、氧化膜（MgO）可以吸收較多的水分而形成焊縫氣孔。
4、鋁及其合金導熱性強，焊接時容易造成不熔合現象。
5、鋁及其合金的線膨脹系數大約為碳鋼的2倍；導熱性又強，比鋼約大一倍多；凝固時的體積收縮率較大，約為6.5％，而鐵為3.5％。焊接后容易產生變形、熱裂紋以及熱影響區(qū)的軟化、強度降低等問題。
針對以上問題，采用四川瑪瑞焊業(yè)發(fā)展有限公司高速脈沖MIG焊機可以很好的解決以上問題，同時獲得的焊接質量。
高速脈沖MIG焊機焊接時電弧過度脈沖頻率為3kHz—5kHz，自動形成壓縮電弧，電弧電流密度大，從而使焊接時：
① 電弧更集中，小電流焊接時可以代替TIG焊
② 穿透力更強，不易造成未熔合
③ 攪拌力更大和更深，不易造成氣孔和夾渣
④ 高速脈沖對Al2O3破除效果好
⑤ 焊接速度更快，熱影響區(qū)小、變形小

另外，還得注意氣孔的形成原因和焊接參數匹配。焊縫氣孔的出現一般多為氫氣孔。氫氣孔的形成主要為：
1、弧柱氣氛中的水分: 弧柱空間總是或多或少存在一定數量的水分，尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)進行焊接時，由弧柱氣氛中水分分解而來的氫，溶入過熱的熔融金屬中，可成為焊縫氣孔的原因。
2、焊絲、母材表面氧化膜的吸附水份：鋁合金焊絲、母材的表面氧化膜中含有不致密的MgO或Al2O3，焊接時，在熔透不足的情況下，母材坡口端部未除凈的氧化膜中所吸附的水分，常常是產生焊縫氣孔的主要原因。
3、保護氣體不純：保護氣體多為氬氣，氬氣中含有水份或雜質，焊接時造成焊縫氣孔。
一般說來，鋁及其合金焊接線能量越大，焊縫性能下降的趨勢也越大。對于熔合區(qū)，除了防止晶粒粗化，還可能因晶界液化而產生顯微裂紋。所以，熔合區(qū)的變化主要是惡化塑性。因而焊接工藝參數應選用既不造成未熔合又不過燒的合理參數才能確保鋁及其合金的焊接質量。

焊接材料
（1）焊絲 鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊接工藝性能外，按容器要求應使對接接頭的抗拉強度、塑性(通過彎曲試驗)達到規(guī)定要求，對含鎂量超過3％的鋁鎂合金應滿足沖擊韌性的要求，對有耐蝕要求的容器，焊接接頭的耐蝕性還應達到或接近母材的水平。因而焊絲的選用主要按照下列原則：
1）純鋁焊絲的純度一般不低于母材；
2）鋁合金焊絲的化學成分一般與母材相應或相近；
3）鋁合金焊絲中的耐蝕元素(鎂、錳、硅等)的含量一般不低于母材；
4）異種鋁材焊接時應按耐蝕較高、強度高的母材選擇焊絲；
5）不要求耐蝕性的高強度鋁合金(熱處理強化鋁合金)可采用異種成分的焊絲，如抗裂性好的鋁硅合金焊絲SAlSi一1等(留意強度可能低于母材)。
（2）保護氣體 保護氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。交流加高頻TIG焊時，采用大于99．9％純氬氣，直流正極性焊接宜用氦氣。MIG焊時，板厚<25 mm時宜用氬氣；板厚25 mm～50 mm時氬氣中宜添加10％～35％的氦氣；板厚50mm-75mm時氬氣中宜添加l0％～35％或50％的氦氣；當板厚>75 mm時推薦采用添加50％～75％氦氣的氬氣。氬氣應符合GB／T 4842?995《純氬》的要求。氬氣瓶壓低于0.5 MPa后壓力不足，不能使用。
(3)鎢極 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，不易熔化揮發(fā)，電極燒損及尖真?zhèn)€污染較少，但電子發(fā)射能力較差。在純鎢中加進1％～2％氧化釷的電極為釷鎢極，電子發(fā)射能力強，答應的電流密度高，電弧燃燒較穩(wěn)定，但釷元素具有一定的，使用時應采取適當的防護措施。在純鎢中加進1.8％～2.2％的氧化鈰(雜質≤0.1％)的電極為鈰鎢極。鈰鎢極電子逸出功低，化學穩(wěn)定性高，答應電流密度大，無，是目前普遍采用的電極。鋯鎢極可防止電極污染基體金屬，易保持半球形，適用于交流焊接。
（4）焊劑 氣焊用焊劑為鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物，可往除氧化膜。

空分冷箱內塔容器為鋁制容器，容器運輸尺寸超長，為運輸方便，通常分成上下兩段運輸，安裝時需在現場組對焊接,但現場的焊接環(huán)境、焊接設備都不如在制造廠，因此我們從各方面采取措施，焊接質量。對焊接操作人員和檢驗人員提出了嚴格的要求：1）擔任本設備焊接的焊工持有經國家技術質量監(jiān)督局考核認證的操作證；2）焊接質檢人員、無損探傷人員持有國家相關部門考試認證的操作證書；3）其他組對人員應熟知操作步驟、施工技術要求，配合焊工焊接質量。



1、焊接材料及相關設施的要求
1）焊接材料的要求：所用的焊接材料有質量書或合格書，質量不得低于國家現行標準的規(guī)定。材料使用前，應按國家現行標準的有關規(guī)定進行檢查和驗收；
2）焊絲根據母材材質選用牌號：鋁鎂合金焊絲ER5183；
3）采用4臺工藝、性能穩(wěn)定、靈敏度高的大功率WSME—500氬弧焊機進行焊接；
4）選用具有能滿足安裝需要的射線無損探傷檢測設備；
5）現場要設有焊材室及烘干、去污設施，由專人負責焊材的保管、發(fā)放及回收工作。
2、施焊環(huán)境的要求
1）搭建密封的臨時焊接小棚可以擋風、防雨。冬季施工時，在焊前進行適當的加溫處理，環(huán)境溫度低于5℃時，不應施焊；
2）氬弧焊焊接時的風速不應超過2m/s；
3）鋁及鋁合金焊接時，應選擇晴朗天氣，周圍環(huán)境濕度在80%以下；
4）焊工施焊所用的腳手架要便于焊工操作，并要堅固、平整、無大間隙、不擺動。
3、焊接技術
1）施工順序。塔上、下段對接坡口加工— 塔下段吊裝就位—塔上段吊裝—組對—焊縫焊接—射線探傷—不合格焊縫返修—射線探傷—驗收；
2）塔坡口加工形式。坡口要在地面加工好，用法蘭箍調整，消除焊口的橢圓度，并焊好襯圈，清除鋁屑。起吊時，焊口要用塑料布封閉。焊口內壁應對齊，當壁厚δ≤5mm時，內壁錯邊量不應大于0.5mm；當壁厚δ>5mm時，內壁錯邊量不應大于0.1δ，且不應大于2mm。具體坡口形式，見圖1塔破口加工形式；


3）焊前準備。（1）氣焊工具二套，作焊前預熱用；（2）氬氣純度應大于99.99%；（3）清理工具：電動圓盤鋸，銼刀，鋼絲刷（輪），電動銑刀、刮刀等；（4）楔板修正焊縫錯口用；（5）焊件組對前，用三氯乙烯等除去表面油污，兩側坡口的清理范圍不應小于50mm；清除油污后，坡口及其附近的表面可用銼刀、刮削、銑削或用鋼絲刷清理至露出金屬光澤，注意塔體壁厚減薄不能大于0.5mm；使用的鋼絲刷應定期進行脫脂處理；（6）焊絲去除油污后，應用化學方法去除氧化膜，可用5~10%的NaOH溶液，在溫度為70℃下浸泡30~60s，然后水洗，再用15%左右的HNO3在常溫下浸泡2min，然后用溫水洗凈、晾干并保持干凈清潔；（7）焊件和焊絲清理后在24h內使用，如超過24h，要重新清洗。（8）正式焊前應，用試板做好各項工藝參數的模擬試驗，其母材材質、工藝條件、焊工、保護氣均要和正式焊接時相同;試板長度不得小于500mm，試板焊接接頭要射線檢測，應符合JB/T 4730.2—2005—Ⅱ級，焊接試板不合格不得正式焊接。
4）焊接工藝。（1）焊接前，坡口、焊絲及不小于坡口兩側各50mm范圍內的表面，用脫脂劑擦洗干凈，用不銹鋼絲刷清除氧化膜；清理下坡口時應向外刷，清理上坡口時，下部容器開口應用塑料布封好，防止鋁屑進入容器內；（2）焊縫采用手工鎢極氬弧焊雙人單面焊，焊接時應注意A 、B 焊工要配合默契，同向、等速，焊接過程中隨時檢查垂直度，并利用焊接反變形方法及時調整，焊縫應不間斷一次性焊完；（3）一周點固焊完畢，間隙會產生收縮，但起碼要保持3~5mm的間隙。定位焊長度為40mm左右，每隔500mm左右作一定位焊；（4）當環(huán)境溫度小于5 ℃，壁厚大于8mm時焊前應用H01-20焊炬在焊縫坡口二側均勻加溫到100~200 ℃；因焊件厚度較大，應采用多層多道焊；（5）實際焊接時的焊接工藝參數應與試板模擬試驗基本保持一致，對于不同的壁厚推薦表1焊接工藝參數；（6）多層多道焊時，每焊完一遍應用機械方法清理氧化膜，為焊接質量，層間溫度不得超過65 ℃；（7）焊接過程中，如點固焊開裂，造成錯口，應停止焊接，經修復后方可繼續(xù)焊接；（8）當鎢極出現觸鎢現象時，停止焊接，將鎢極、焊絲、溶池處理干凈后，方可繼續(xù)；（9）總的施焊原則是：大電流、快速焊；（10）焊縫除未焊透，有裂紋外，應盡量減少返修；多次返修會引起設備變形和影響焊接接頭的質量（很容易產生裂紋），因此力求一次焊接成功。如有非危害性缺陷（圓形氣孔）超標，應由設計、和監(jiān)理單位協商處理，盡量不要返修；（11）焊接返修時，應用機械方法，將缺陷處鏟除，并按焊接工藝評定參數進行焊接；同一部位的返修不得超過兩次，否則要制定措施并經技術總負責人批準；（12）在焊接過程中應隨時測量塔的垂直度、水平度，吊具待全部焊接完畢并經探傷檢查合格后方可拆除；（13）焊接完畢，表面美觀、平整，鱗紋均勻，沒有表面氣孔、裂紋等缺陷；然后RT檢查，RT應不低于JB 4730—94—Ⅱ級片，PT為Ⅰ級。


4、塔焊縫返修
塔上下段焊縫射線探傷局部不合格時，進行塔焊縫的局部返修。返修前，用倒鏈吊掛上塔在冷箱骨架上，避免返修焊縫受重力影響。返修焊縫確定缺陷位置后，磨除缺陷，進行補焊，直至焊縫質量達到設計要求，焊口返修次數不準超過兩次。
5、技術安全措施
1）嚴格執(zhí)行單項工程安全技術措施中規(guī)定的各項規(guī)章制度。2）高空作業(yè)一定要系好安全帶。3）焊接過程中，注意保護容器，避免損傷容器表面。4）引弧宜在引弧板上進行，引弧板和熄弧板的材料應與母材相同；5）焊接完畢，用記號筆在焊縫附近寫上焊工號為探傷做好準備。6）電焊機、氬弧焊機等焊接設備的機殼都可靠接地。焊接設備的安裝、修理和檢查須由電工進行，焊工不要私自拆修設備。7）電焊機要設單的開關，開關應放在防雨的閘箱內，拉合時應戴手套側向操作。8）更換場地移動把線時，應切斷電源，并不得手持把線爬梯登高。9）焊工應正確穿戴勞動防護用品，磨削鎢棒時，應戴口罩、手套，磨完后須洗手。敲鏟焊渣和清除鐵銹時，應戴好手套和防護眼鏡。在潮濕地點工作，應站在絕緣膠板或木板上。10）焊接場所有防火設備，易燃易爆物品距焊接場所至少10m；11）焊工在高空作業(yè)時，應嚴格采取預防措施，防止液態(tài)金屬的飛濺，防止火災的發(fā)生或灼傷下面的操作工人；12）氧氣瓶和乙炔瓶應小心輕放，安全運輸，分開放置，并相距5m以上；夏季作業(yè)時氧氣瓶和乙炔瓶放在涼棚內，以防受到烈日曝曬，引起氣體膨脹而發(fā)生爆炸事故；雷雨時，應停止露天焊接作業(yè)。13）焊接區(qū)域應放置安全，以免閑人進入。14）嚴格按各工種安全操作規(guī)程施工，嚴禁作業(yè)。
6、結束語
塔上下段的組對焊接是空分焊接施工中的重要焊縫之一，此焊接位置為橫焊，要求焊工既要有過硬的焊接技術，又要熟知焊接變形知識，才能塔體在焊接過程中的質量，同時也要求每一個施工人員熟知操作步驟、遵守安全規(guī)程，才能圓滿完成塔容器的組對焊接工作。

鋁及鋁合金焊接規(guī)程詳解
本規(guī)程規(guī)定了鋁及鋁合金焊接的基本要求，適用于鋁及的手工鎢極氬弧焊或氣焊或熔化極氬弧焊等焊接的鋁及鋁合金制單層容器、襯鋁容器的鋁焊接工藝。
一、焊接用材料：
1.焊接用氬氣純度≥99.99%，≤-55℃，并應符合GB/T4842或GB10624的規(guī)定。當瓶裝氬氣的壓力≤0.5Mpa時不宜使用。（氬氣內含氮量≥0.04%，否則焊縫表面上會產生淡或草綠色的氮化鎂及氣孔；含氧量≥0.03%，否則熔池表面上可發(fā)現密集的黑點、電弧不穩(wěn)和飛濺較大；含水量≥0.07%，熔池將沸騰并焊縫內產生氣孔）。
2.手工鎢極氬弧焊電極采用鈰鎢電極。電極直徑應根據焊接電流大小來選擇（使用時一般比焊接電流所要求的規(guī)格大一號的鎢極），電極端部應為半球形（制作半球形方法：用比焊接電流所要求的規(guī)格大一號的鎢極，將端部磨成錐形，垂直夾持電極，用比所用鎢極要求的電流大20~30A的電流在試板上起弧并維持幾秒鐘，鎢極端頭即呈半球形。如果鎢極被鋁污染，則重新打磨或更換鎢極；輕微污染時，可電流使電弧在試板燃燒一會，即能燒掉污染物）：鈰鎢電極直徑mm
2
2.5
3.2
4.0
5.0
（正接時）焊接電流A
100~200
170~250
200~300
350~480
500~675

（反接時）焊接電流A
15~25
17~30
20~35
35~50
50~70

（交流時）焊接電流A
85~160
120~210
150~250
240~350
330~460
3.用MIG焊鋁合金時，由于鋁焊絲比較軟，為避免咬傷焊絲，送絲輪不允許用帶齒輪的送絲輪，不宜用推絲式；送絲軟管不準用彈簧管而是用聚四氟乙烯或尼龍制品，不然由于磨削而污染或堵塞軟管。MIG通常用直流反極性。
4.焊劑主要作用是去除氧化膜和其它一些雜質，使用時可用無水酒精調成糊狀或直接將焊劑粉放在坡口和兩側。當焊接角焊縫時應選用那些焊后容易清除熔渣的焊劑；鋁鎂合金用焊劑不宜含有鈉的組成物。
5.不同牌號的鋁材相焊時，當圖紙和工藝都沒有規(guī)定時，按耐腐蝕性能較好和強度級別較低的母材去選擇焊絲材料。在焊接鋁鎂合金或鋁錳合金等耐蝕鋁合金時，宜采用含鎂量或含錳時與母材相近或比母材稍高的焊絲。焊絲可從GB/T10585《鋁及鋁合金焊絲》選取，也可從GB/T3190《變形鋁及鋁合金化學成分》和GB/T3197《焊條用鋁及鋁合金線材》中選取。焊絲選用時可參考下面幾個表（表3和表4摘自《焊接手冊》）：

5183（鋁焊條／鋁焊絲）特性如下：主要元素合金有：鎂、錳、鉻。不可以熱處理，熔化溫度為：579℃～638℃，抗腐蝕能力：A（Gen）A（Sc c ），，密度：2.66克／㎝3，陽極化處理后為白色。5183鋁焊條于1957年被發(fā)明，用于5083及類似的高強度的鋁合金材料的焊接，它的焊接強度要5356.


鋁和鋁合金管焊接特點和方法
鋁合金由于重量輕、強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結構產品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結構重量可減輕50 %以上。因此，鋁及鋁合金除廣泛的應用于航空、航天和電工等領域外，同時還越來越多的應用于石油化學工業(yè)。濮陽中原大化新建空分裝置就大量使用了鋁鎂合金(主要有：5083、5183、5A02相當于舊牌號中的LF2、LF4)。但是鋁及鋁合金在焊接過程中，易出現氧化、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷等問題。此類材質是被公認為焊接難度較大的被焊接材料，特別是小徑薄壁管的焊接更難掌握。因此，解決鋁及鋁合金的這些焊接缺陷是施工過程中解決的問題。
2、鋁及鋁合金的理化性能及焊接特點
2.1 易氧化 鋁和氧的親和力很強。在常溫下，鋁表面就能被氧化成厚度約0.1～0.2 m致密的AL2O3薄膜。雖然這層氧化鋁薄膜比較致密，能防止金屬的繼續(xù)氧化，對自然防腐有利，但它給焊接帶來了困難，這是由于氧化鋁的熔點(2050℃)遠遠超過了鋁的熔點(600℃左右)，比重約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，會阻礙金屬之間的熔合，易形成夾渣，而且氧化鋁薄膜還吸附了較多的水份，焊接時會促使焊縫生成氣孔。

2.2 較大的導熱系數和比熱容 鋁的導熱系數約為鋼的四倍，因此，焊接鋁材管時，比鋼管焊接要消耗更多的熱量，為得到的焊接接頭，必需采用能量集中，功率大的熱源。
2.3 易形成氫氣孔
鋁及鋁合金的焊接氣孔主要氫氣孔。鋁在液態(tài)時能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態(tài)下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態(tài)下為0.00036 ml/g，前后相差近20倍。鋁的導熱系數很大，在相同的焊接工藝條件下，其冷卻速度為鋼的4～7倍，使金屬結晶加快，焊接熔池在快速冷卻過程中，氫的溶解度急劇下降，此時析出大量過飽和氣體，氫氣來不及析出在焊縫金屬中形成氣孔。因此，在焊接鋁材時，焊縫產生氣孔的傾向很大。
2.4 易形成熱裂紋
鋁的線膨脹系數和結晶收縮率比鋼大約一倍，易產生較大的焊接變形和應力，加上某些雜質或合金元素的不利影響，在剛性較大的接頭中將導致產生裂紋。
2.5 燒穿和塌陷
鋁及鋁合金由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時.由于沒有明顯的顏色變化，所以，不易判斷熔池的溫度。焊接時，常因溫度過高不易被察覺而導致燒穿或嚴重塌陷。 3 焊前準備