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。鋁在液態時能大量吸收和溶解氫，在熔融狀態下溶解度為0.0069ml/g，而在高溫凝固狀態下為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。

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。 執行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代號
（1）四位數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字體系牌號命名方法，例如產業純鋁有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字體系牌號不完全吻合，不能采用國際四位數字體系牌號代替，為保存國內現有的非國際四位數字體系牌號，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。
四位數字體系和四位字符體系牌號個數字表示鋁及鋁合金的種別，其含義如下：
1）1XXX系列棗產業純鋁；
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。

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定。材料使用前，應按國家現行標準的有關規定進行檢查和驗收；
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、發放及回收工作。
2、施焊環境的要求
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；（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）嚴格執行單項工程安全技術措施中規定的各項規章制度。2）高空作業一定要系好安全帶。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）焊工在高空作業時，應嚴格采取預防措施，防止液態金屬的飛濺，防止火災的發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，引起氣體膨脹而發生爆炸事故；雷雨時，應停止露天焊接作業。13）焊接區域應放置安全，以免閑人進入。14）嚴格按各工種安全操作規程施工，嚴禁作業。
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、遵守安全規程，才能圓滿完成塔容器的組對焊接工作。

氣孔產生原因：鋁焊接氣孔主要是氫進入焊接熔池而形成的。氫來源有：材料、焊絲、保護氣體、送絲機構、焊工的手套和環境濕度太高等，如焊絲被污染、材料及焊絲本身的氧化膜、送絲機構上有油污或汗漬等。預防措施：
6.1.1材料及焊絲內的含氫量≤0.4mL /100g；
6.1.2 被焊件表面應去除油污及氧化膜，存放時間不超過4h。表面清理后應用干燥、潔凈、不起毛的物件覆蓋坡口及兩側；
6.1.3 焊絲盡量使用拋光焊絲，不然處理方法同上；
6.1.4 保護氣體內雜質含量：H2≤0.001%；O2≤0.02%；N2≤0.1%；H2O≤0.02%；
6.1.5保護氣體管路：一般采用不銹鋼管或銅管，軟管采用塑料管而不能用橡膠等易吸水的軟管；焊前應檢查冷卻水管道，確保不會漏水；當環境濕度很大時，應對保護氣體進行加熱對管路進行吹掃；
6.1.6 送絲機構：不得有油污，送絲管采用聚四氟乙烯管或尼龍，并焊前清理管內污染和冷凝水；
6.1.7現場環境：溫度不宜超過25℃，相對濕度不超過50%，保持環境清潔；
6.1.8焊工：工作服裝盡量是白色的，以便能及時發現和清理污染。焊時注意汗水和油漬不要再次污染焊件；
6.1.9 在焊前都應在試板上試焊，以便檢查保護氣體和管路是否合格。
6.1.10 焊接工藝上預防措施：用雙面焊代替單面焊；每道焊縫薄時比厚時有利于氣孔逸出；大直徑焊絲有利于減少氣孔；焊前預熱、焊后緩冷；降低電弧電壓、電流、降低焊接速度，有利于減少氣孔。
6.2 裂紋產生原因：材料焊接性較差；選擇焊絲時沒考慮抗裂性；結構的拘束度過大。預防措施：
6.2.1 對焊接性較差的鋁材在焊接前應考慮其抗裂性而不能只考慮強度；必要時可考慮對焊件進行退火后焊接，焊后再淬火時效。
6.2.2 選擇抗裂紋性好的焊絲，如含Si等低熔點元素的焊絲。
6.2.3 盡量減少焊接接頭的拘束度，合理安排焊接順序，讓焊縫能夠有橫向收縮余量，以減小焊接應力。沒有必要定位焊的就不要焊定位焊，能雙面定位焊的就不要單面定位焊。
6.2.4 盡量面焊為雙面焊。
探傷要求：
1.封頭拼縫焊后應進行RT，成形后再按規定RT或PT。
2.A、B類焊縫一般進行RT。
3.容器上的C、D類焊接接頭進行PT。
4.鋁材表面補焊焊縫進行PT。
5.鋁卡具和拉筋的臨時固定連接焊縫拆除后的焊痕等進行PT。
6.其他圖樣要求探傷的部位。

鋁及鋁合金焊接規程詳解
本規程規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現密集的黑點、電弧不穩和飛濺較大；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》）：

焊接要求：
1.持證焊工應按焊接工藝文件和其它文件焊接。



2.在焊接環境出現下列情況之一時，應采取有效防護措施，否則不準施焊：
1) 焊接環境不清潔，有灰塵、煙霧；
2) 焊接環境風速大于或等于1.5m/s；
3) 焊接環境相對濕度大于80%；
4) 下雨、下雪的室外作業；
5) 焊接溫度低于5℃；



3.鋁材產品焊接設在的場地，場地應鋪設橡膠或絨布；焊接時應遠離通風口和門窗以避免影響氣體保護效果。



4.用手工鎢極氬弧焊焊接鋁材一般都使用交流，以便產生陰極霧化的作用；熔化極氬弧焊則用直流反接。當由于設備所限采用直流焊接時，焊縫表面一般有一層氧化膜甚至是黑灰，這時可用鋼絲刷或抹布擦去。對焊縫表面由于焊劑熔劑殘留物或氧化而形成的白色膜可用鋼絲刷或抹布醮熱水擦去。



5.焊前預熱：由于鋁材導熱性能很強，因此一般手工鎢極氬弧焊焊接大于10mm厚度時，焊前都應預熱，但不超過100℃，焊時層間溫度也不超過100℃?？梢暰唧w情況用火焰或遠紅外線板進行加熱。



6.在焊接過程中焊絲的填入點不應位于電弧正下方，而應位于熔池邊部，距電弧中心線約0.5~1.0mm處，焊絲填入點不得熔池表面或在電弧下橫向擺動，以避免影響母材熔化，破壞氣體保護而使金屬氧化；焊絲回撤時勿使焊絲未端露體保護區外，以免焊絲未端被氧化后再度送進時隨之帶入熔池。焊接時若鎢極碰到焊縫金屬應立即停止焊接，用金屬磨頭清除污染，并修磨鎢極；無論焊前還是焊接過程中，都應先切除焊絲端部已氧化的部分再焊。



7. 一條焊縫應盡量一次焊完，不得已中途停焊后重新焊接時，應重疊10~20 mm。多層焊縫在進行下一道焊縫前，對前道焊縫進行表面顏色檢查，只允許銀白色；并清除表面污染、夾渣等缺陷?；】討顫M，接弧處應熔合焊透。一般熄弧采用堆高熄弧法：收弧時勻速抬高電弧，同時加速填充焊絲，直至電弧熄滅，使熄弧處焊縫局部凸出，必要時打磨超標的余高。在焊機上有衰減裝置時，此熄弧方法效果更好。



8.A、B類接頭焊縫的余高、余高差及寬度差下表 mm：
焊縫位置
焊縫余高
焊縫余高差
焊縫寬度差

鎢極氬弧焊
熔化極氬弧焊
手工焊、半自動焊
自動焊、機械化焊

平焊
0~3
0~5
0~2
0~3
0~2

除平焊外的其他焊縫位置
0~4
0~5
0~3
0~3
0~2




9.接管與殼體的D類焊縫當殼體厚度≤12mm時，一般應將殼體扳邊對接焊，扳邊高度為25~30mm。



10.C、D類接頭的焊縫厚度t，在圖樣上無其他規定時，應不小于組成角焊縫兩邊構件厚度δ1、δ2較小值的0.7倍，且不應小于3mm，在一般情況下不超過10 mm（按下圖）；在襯里或復合板復合采用蓋板搭接角焊縫時，蓋板厚度構成了角焊縫的一側邊長度L2一般較薄，使得焊腳長度受到側邊長度的限制，當L2≤4mm時，應要求t≥0.7 L2。



11.C、D類接頭的焊縫與母材應呈圓滑過渡。



12.焊縫和熱影響區表面應進行檢查，不得有裂紋、未熔合、氣孔、弧坑、夾渣和飛濺物等缺陷，焊縫外不應有打弧點。



13.鋁材壓力容器焊縫表面不應有咬邊。常壓容器焊縫表面的咬邊深度不應大于0.5mm，咬邊連續長度不應大于100mm，焊縫兩側咬邊的總長度不應超過該焊縫長度的10%。



14.換熱器換熱管焊接順序：管板組裝（換熱管預留長度應不少于4mm，以便后面的機加工）；管端及管板清理；一端脹管；焊接一面管板；機加工未焊換熱管管端；脹管；管端及管板清理；焊接未焊一面的換熱管。焊接時層一般不加絲焊（層是否進行PT或氣密性檢測按規定），但其它層應加絲焊。



15.鋁焊接應注意坡口鈍邊較大，一般為2~6mm。對有墊板的接頭，鈍邊可適當減小。當鋁板較薄時，對接焊都應考慮扳邊對接焊，如當≤3mm考慮扳邊和不加絲焊。鋁焊接可采用雙面同時焊，背面加絲或不加絲視具體情況而定。