?

　　一、鋁合金的焊接特點

　　鋁合金是應用最廣泛的有色金屬材料，具有優異的物理特性和力學性能。

　　焊接生產常用到的鋁合金主要是型材和板材，鋁合金的強化方式有變形強化和熱處理強化或者兩種強化方式兼有，強化后的各種鋁合金材料大都適用于焊接工藝。與鋼鐵材料相比較，鋁合金材料具有重量輕（僅為鋼的三分之一）、熱傳導速度快（是鋼的五倍）、線脹系數大（是鋼的兩倍）、熱變形嚴重、表面易氧化等特點，鋁合金的這些物理化學特性決定了鋁合金的焊接特點，由于鋁及鋁合金的氧化速度極快所以我們見到的鋁合金都是被氧化膜覆蓋的，這種氧化膜的存在使得鋁合金內部不再被氧化，所以鋁合金制品可以長期穩定存在并被使用。

按照合金系的成分劃分，焊接常用的鋁合金可分為純鋁、鋁硅、鋁鎂三個系列，這三個系列的鋁合金產量和應用量很大，母材和焊絲的生產質量穩定、規格齊全，國內產品的生產標準焊接標準與國際通用標準基本吻合，焊接工藝相對成熟，國際通用的焊接設備和器材內置的焊接專家系統能夠覆蓋，可占到鋁合金全部用量的80%以上。三大系列之外還有鋁錳、鋁銅、鋁鋅鎂銅、鋁鋰等眾多系列的鋁合金材料，在軍工、航天等許多特殊行業有所應用，與三大系列相比這些鋁合金系列的使用量較小。

工業純鋁，即AWS標準和GB/T3190-1996標準的1XXX系列。世界上并沒有純鋁，當鋁合金材料中的合金成分低于某一界限時，即被稱為純鋁。工業純鋁主要被用于電工材料或日用品，輸變電行業、電解鋁行業均大量使用工業純鋁。工業純鋁的強度較低，到延展性、導電性、耐腐蝕性良好。1050、1070等純鋁的焊接性很好，焊接接頭光亮美觀、強度可達母材的90%以上。

鋁硅系列的鋁合金，即AWS標準的4XXX和6XXX系列；GB/T3190-1996標準的4XXX和6XXX系列，鋁硅合金中經常會加入一定含量的鎂，用來細化晶粒、提高強度，所以也可將含鎂的一類分稱為鋁硅鎂系，但從焊接角度，4系與6系的工藝特點相近，可以使用相同的焊接材料、可以使用相同的設備內置數字化焊接專家系統。常用的有4043、4047、6061等牌號，這類鋁合金的可焊性良好，液態金屬的流動性好，焊縫成形美觀。鋁制品、民用車輛、容器等大量使用這類鋁合金焊接產品。

　　鋁鎂系列鋁合金，也即AWS標準和GB/T3190-1996標準的5XXX系列，也被稱為防銹鋁。

　　鋁鎂合金的綜合性能優良，也是鋁合金材料中產量和使用量最大的種類。其強度、延展性、耐腐蝕性良好，可焊性良好。5系列鋁合金中鎂的含量和作用至關重要，鎂焊量較低的牌號與鎂含量較高的牌號的焊接特點有很大差別，實際焊接時應該引起注意。鋁鎂合金是許多重要工業結構件、承力箱體、建筑桁架、軍用民用車輛使用的主要鋁合金材料，常用到的有例如5056,、5556、5083等牌號。鋁鎂合金的焊接工藝相對成熟，焊接材料種類齊全，世界各國生產的數字化焊接設備中都預置有鋁鎂合金的焊接專家系統。

鋁鎂合金的液態金屬的流動性較好，焊縫成形容易控制，但焊縫外觀成形美觀程度不如鋁硅系列。含鎂量較高的焊材如ER5356、ER5183等在焊接過程中會產生鎂元素的燒損，燒損產物呈黑色的灰狀物粘附在焊縫熔合線兩側，稱為焊縫的“發黑”現象。這種發黑的程度與焊接材料的成分、潔凈程度、保護氣體的純度、干燥度等有關，正常焊接條件下很難避免，但這種發黑現象一般不會影響到焊接質量，發黑部分焊后可以用刷子輕輕刷掉。但發黑特別嚴重時可能會導致焊縫合金元素過度燒損，影響焊接質量，必須注意。

不論是哪一種鋁合金，其表面覆蓋到Al2O3焊接時都是必須去除掉的，使用MIG方法焊接鋁合金時均采用直流反接，焊絲為正極、工件為負極，在焊接過程中產生的陰極清理作用能夠可靠的去除焊接表面的氧化膜。雖然MIG焊方法具有自然去除氧化膜的特點，但對于軋制板材或者型材表面過厚的工藝氧化膜，由于焊接時電弧走過的時間很短，所以僅靠陰極霧化作用難以清除，必須在焊前采用其它方法清除。

　　鋁合金材料的焊接缺陷主要有氣孔、焊接裂紋、焊縫夾渣、熔透不好或焊穿。

　　1）焊接氣孔：鋁合金焊縫中的氣孔主要來自焊接材料或焊接環境的水或氧化物、有機物的高溫熔解產物。

　　鋁合金母材或焊材、保護氣體等均不含碳，因此鋁合金焊縫中不會含有一氧化碳氣孔。

鋁合金母材或焊材、保護氣體等物質焊接高溫狀態下產生氧的幾率是很大的。但金屬鋁與氧的親和力較高很快就會形成氧化鋁而不容易以氣孔形式存留至常溫狀態，所以產生氧氣孔的傾向并不大。

　　而鋁合金母材或焊材、保護氣體等容易含有水分、焊材表面的油、銹等污染物不易清理干凈，這些含水或碳氫化物的物質在焊接高溫狀態下會分解出大量的氫，液態鋁中氫的溶解度較大，而固態鋁金屬中幾乎不溶解氫；因此液態焊縫中溶解的大量的氫隨著焊縫溫度的降低會以氣態形式溢出，由于鋁合金散熱較快、液固相線間的溫度區間小、結晶速度快會造成大量的溶解氫以氣泡的形式殘留在鋁合金焊縫金屬中，所以鋁合金焊縫中的氣孔主要以氫氣孔為主。氫氣孔也是鋁合金焊接工藝中最常見的一種焊接缺陷，按照其數量、大小、分布程度不同危害性也有所不同。

對于直徑較小、較分散、主要分布在焊縫表面較少量的氣孔，由于其對焊縫的強度、韌性指標影響不大，所以大部分產品的焊接標準是允許少量的氣孔存在的。對于表面存在數量較多的大直徑氣孔或氣孔較多且分布在焊縫中間以及大面積蜂窩狀氣孔富集的焊縫，由于它們會造成焊縫的強度、韌性、致密程度的嚴重下降、甚至發生斷裂，所以任何焊接產品標準中都是嚴格禁止其存在的。

由于母材或焊材以及保護氣體中的水分、碳氫化合物是無法完全清除的，所以鋁合金焊接過程中氫的產生是無法避免的。我們能做到的是如何減少焊接過程中氫的產生以及如何使產生的氫在焊縫中不殘留或少殘留。首先，嚴格保證鋁合金母材、焊材的潔凈度和干燥度，焊前認真清理焊縫范圍的氧化物、碳氫化物，清理完畢后盡快焊接；沒用完的焊絲應密封干燥環境保存，下次使用需前再次烘干。嚴格控制保護氣體的成分和水份含量，氬氣中的水份含量是鋁合金焊接氣孔的主要來源之一，為減少保護氣體中的水份含量應使用99.99%或以上純度的氬氣，如可能也可在供氣回路中增加氣體干燥環節。為了降低鋁合金焊縫中的氣孔傾向，環境濕度也是一個應該考慮的因素。在南方地區的雨季，空氣濕度可達90%以上，這種氣候下應該停止開放環境中鋁合金的焊接，或只能在安裝有空氣濕度控制裝置的室內環境焊接鋁合金。

采取合理的焊接工藝也可以減少并抑制鋁合金焊縫中氣孔的產生。我們知道，TIG方法焊接鋁合金時，其他外部條件相同時，氣孔產生的程度要遠低于MIG焊接方法，原因就在與TIG焊接時由于熔池移動速度慢，液態焊縫的存在時間長、焊縫凝固較慢、溶解氫的溢出有足夠的時間，所以焊縫中殘留的氣孔很少。同樣道理，在MIG焊接時采用合理的焊接方法，適當控制熱輸入，保持適當的熔池存在時間，使焊縫的凝固速度降低或者在多層焊時適當使前層焊道重熔，都可以促進焊縫中氣體的溢出，減少氣孔的產生。

　　2）焊接裂紋：由于鋁合金材料的線脹系數大，熱脹冷縮現象明顯，焊縫凝固時會產生較大的收縮應力，加之鋁合金材料高溫結晶狀態下金屬的強度較低，在焊接應力的作用下很容易開裂，稱為結晶裂紋或熱裂紋。鋁合金焊縫容易產生裂紋的區域有焊縫中心沿長度方向位置、焊縫的收尾段未填滿的弧坑中心位置、焊縫引弧段、焊道底部、多層焊層間等位置。

焊接裂紋是可以通過選用合適的焊接材料或者改善焊接工藝的方法來避免的。某些液態金屬流動性較好的焊絲抗裂紋能力較差，可以選用添加了抗裂紋傾向元素的焊接材料，例如同樣為鋁鎂合金焊絲ER5556的抗裂紋性能就好于ER6356。在制定焊接工藝時，選擇合理的坡口和接頭形式、避免采用窄而深坡口和交叉焊縫；施焊時選用合適的焊接規范，使焊縫保持合適的熔池面積和熔池存在時間，避免熱輸入過小。多層焊時保證層間熔深和母材熔化的寬度，保證合適的焊縫寬度和融合區深度。在焊縫的引弧、收弧端加厚度相當的引弧板和收弧板，將焊縫的引弧段和收弧段至于引弧收弧板上；焊縫的收弧段使用焊機的弧坑填充功能將弧坑填滿，可以避免收弧段裂紋。

3）MIG焊縫夾渣和渣化：鋁合金焊縫的夾渣現象是指焊縫熔敷金屬中夾雜有低熔點物質的熔渣或未融化的高熔點物質，這些雜質殘留在焊縫中會使焊縫的強度、延展性、致密性下降，如果富集在焊縫中心還可能引起焊縫開裂。焊縫夾渣的原因主要是母材或焊材污染物熔入焊縫造成的，焊前對工件的嚴格清理，保證焊接材料的潔凈度可以避免焊縫夾渣。

焊縫的渣化是鋁合金MIG自動焊工藝常見的焊接缺陷，表現為焊縫成性極差或者無法成型，引起焊縫渣化的原因有兩種，一種是焊縫失去保護氣體或者保護氣體成分不純，當環境風或其他原因引起保護氣體缺失時，空氣進入焊縫引起熔敷金屬高溫下強烈氧化、翻騰冷卻后成為氧化物渣化焊縫。另一種引起焊縫渣化的原因是焊接規范調節不當，當使用普通直流恒壓電源焊接鋁合金時，當焊接電流較大、焊接電壓較低時，焊絲端部會扎入熔池底部，焊縫表面失去陰極斑點、和陰極破碎作用；來自底部的強烈的電弧力把熔化的液態金屬吹向熔池周邊，引起熔池金屬的濺射和震蕩，這種震蕩的熔池凝固后形成不規則、表面褶皺不均勻的黑色渣化焊縫；這種熔池震蕩大都會伴隨著氣保護狀態的不穩定，空氣的進入使熔池震蕩加劇，使焊縫成型的渣化現象更加嚴重。使用合適的焊接方法和合適的焊接規范可以避免焊縫的渣化現象，普通直流恒壓電源焊接鋁合金時找到合適的焊接規范并不容易，必須多做實驗，找到合適的焊接規范后再進行焊接。使用數字化脈沖焊接電源時，只要正確選擇焊接條件，焊機會自動調用專家系統保證焊接參數的正確，也可避免產生焊縫渣化。

　　4）熔透不好或焊穿：這一類鋁合金焊接的工藝缺陷發生的主要原因焊接工藝安排的不合理。

　　一般是使用設備不當或者坡口制備不合適引起的。焊接規范太小、鈍邊過厚、工件溫度過低、工件過臟等都會引起熔透不好。反之，則會產生燒穿現象。

與碳鋼相比，鋁合金材料的焊接對焊接設備和工藝設計是有許多不同要求的，目前我國各行業鋁合金材料的應用發展很快，但同時專業焊接技術人員嚴重不足，許多從事焊接生產的企業并沒有專業的焊接工藝技術人員，焊接工件的設計并沒有考慮焊接工藝的特點和需要。甚至認為焊接本身就是件粗活，不需要太高的精度，拿過去焊接一般碳鋼的要求來焊接鋁合金。對于接頭形式、焊接位置、坡口形式、鈍邊厚度、對口間隙等焊接相關因素在設計上考慮不周，加工工藝手段簡單、粗糙。大量企業直接使用過去焊接碳鋼類材料的直流恒壓特性的焊機來進行鋁合金MIG焊接，由于這類焊接設備不具有脈沖MIG功能，沒有專用的鋁合金焊接專家系統，適應鋁合金焊接的電流電壓范圍很窄，所以對于沒有經驗的操來說，其焊接規范的調節十分困難，即使勉強可以使用，也會產生很多焊接缺陷。

在有經驗的焊接工藝技術人員的指導下，針對鋁合金焊接的特點，合理進行工件的焊接工藝規劃和設計、選用適合的焊接方法、材料和設備，做好焊接前期工作。只要工件的焊接位置合理，坡口形狀、間隙合適，選定正確的焊接規范參數，鋁合金的焊接并不困難。

　　二、Tandem雙絲高效GMAW焊接系統

　　從弧焊方法上看，鋁合金材料的工業化焊接應用經歷了手工焊、交流TIG/PAW、直流GMAW、

　　脈沖GMAW等多種焊接工藝的演進，這種演進雖不是替代性的，但從焊接效率來講是逐步提高的。而Tandem雙絲高效GMAW方法是在脈沖GMAW基礎上的發展的最新技術。

　　與其它焊接方法相比，Tandem雙絲高效GMAW焊接方法的主要特點在以下兩方面：

　　1、系統組成不同 其他方法都是單絲焊接系統，Tandem雙絲高效GMAW是雙絲系統。

Tandem雙絲高效GMAW焊接方法的明顯特征是兩條焊絲前后串列、在同一個熔池中燃弧并過度形成焊縫。系統由相互通信協調的兩臺焊接電源、兩臺送絲機構、一只雙通道焊組成。當焊接電源采用U.I輸出模式時，由于數字化協調通信系統的存在，兩臺焊接電源和送絲機構得以協調有序的控制前后焊絲的焊接參數，前后絲電流的脈沖相位差固定為180度，兩個電弧的峰值交替產生，熔化金屬形成穩定而有規律的交替過渡狀態。

　　圖1為Tandem雙絲高效GMAW焊接系統的焊和端部形態

　　圖1：Tandem雙絲焊和焊端部

由于Tandem雙絲高效GMAW焊接系統的焊接電流大、輸出熱量高，焊和電纜均采用水冷結構以保障長時間使用的可靠性。Tandem雙絲高效GMAW焊接系統主要用于自動焊接，通常與焊接機器人組成機器人焊接工作站或者與焊機專機匹配組成焊接自動化系統。圖2是Tandem雙絲高效GMAW系統組成的焊接機器人工作站系統

　　圖例：A、焊接電源和水冷器（主、輔機）；B、OMI數字接口；C、協調控制器； D、主/輔送絲機；

　　E、上位機（焊接機器人或專機）； F、主/輔線纜系統； H、焊絲； I、焊電纜；J、Tandem焊；

　　K、焊移動機構（焊接機器人或專機）； L、M、N、焊清潔器；

　　圖2：由Tandem雙絲高效GMAW系統組成的焊接機器人工作站

　　2、焊接效率不同

　　衡量焊接系統熱效率（工作效率）的標準是熔敷量，也既系統單位時間內熔化的填充焊絲重量。相同功率條件下，熔敷量越大效率越高。

　　圖3：Tandem雙絲高效GMAW電弧與單絲電弧散熱比較

在熔化極電弧焊焊接過程中，電能通過電弧轉化為熱能，大部分用來融化焊縫母材金屬形成熔池，小部分用來熔化焊絲形成過渡；其中大部分熱量熔化母材金屬形成熔池后都從周圍母材金屬的截面中散失了。從示意圖可以看到，在每根絲相同功率下，單絲焊每根絲的散熱截面是360度，而雙絲焊的每根絲的散熱截面不到270度，也即雙絲焊系統的每根絲有90度以上的界面是沒有向母材散熱的。這部分熱量就是使Tandem雙絲高效GMAW焊接方法焊縫熔深增加、熔敷量增加的那一部分熱量。稱之為熔池熱循環現象，是雙絲焊方法提高焊接效率的主要原因。

利用Tandem雙絲高效GMAW焊接系統的熔池熱循環原理，可以使用更大電流和更快的送絲速度；由于前后兩絲在同一個熔池中熔化，兩絲產生的熱量互相借用，即前絲的散熱用來熔化后絲；后絲的產熱又加快了前絲的熔化速度，相互供熱使熔敷量增加，在增大熔敷量的同時減少對母材的熱輸入，同等熔敷率下線能量更小，有利于提高焊接質量。

　　圖4曲線是Tandem雙絲高效GMAW焊接系統和單絲系統的熔敷量對比，圖5曲線是Tandem雙絲高效GMAW焊接系統和單絲系統焊接速度的對比。

　　圖4：焊接熔敷量對比（鋼材）

　　圖5：焊接速度對比

　　三、鋁合金的Tandem雙絲高效GMAW焊接案例

與其它焊接方法相比，使用Tandem雙絲高效GMAW工藝焊接鋁合金具有一定的優勢。由于該工藝方法具有電弧能量集中、熔敷效率高、熔深可控的特點，在焊接大厚度鋁合金是可以做到起始加熱速度快，熔化的總金屬量（焊縫和母材）大，焊縫的深寬比例可控，總能量輸入不變的條件下可產生更多熔敷金屬，焊縫不過熱條件下使液態熔池保持的時間較長。這些特點有利于鋁合金焊接缺陷的減少和焊接效率的提高。在國內的一些使用案例中， Tandem雙絲高效GMAW工藝焊接鋁合金具有的優勢均得到體現。

　　下表是Tandem雙絲高效GMAW工藝焊接鋁鎂和鋁硅合金的焊接參數，可焊厚度2-50mm；各種板厚條件下用于自動焊時的焊接速度300-2500mm/Min。

　　表1　鋁鎂合金Tandem雙絲高效GMAW焊接規范（保護氣Ar100%）

　　表2　鋁硅合金Tandem雙絲高效GMAW焊接規范（保護氣Ar100%）

這里介紹兩個采用Tandem雙絲高效GMAW工藝焊接大厚度鋁合金的工程實例

　　實例1是一個大型鋁合金箱體，外形尺寸（長寬高）為2.2x1.4x1.4米。焊接條件為：板厚30mm，T型接頭，不對稱K型坡口、鈍邊2mm，不留間隙。材料為5056板材，全部坡口區域均機械加工，焊縫方向間隙不均勻度不大于1mm；焊絲為ER5356，直徑1.2mm；保護氣體為Ar100%，純度99.9%；室溫23攝氏度不預熱。設備采用CLOOS Tandem603Qunito系統，焊接時每道焊縫內外共分3層施焊，先焊內側小坡口，然后在外側手工電銑刀清根，不銹鋼絲輪清理打磨干凈。

　　圖6：Tandem雙絲高效GMAW鋁合金雙絲工藝焊接產品

焊接規范參數如下

　　表3：鋁合金焊接參數

實例2是大型車輛的側壁，板厚45mm，焊縫長度大于8m，由于是主承力結構故對焊縫要求很高，焊縫及其熱影響區的強度、延展性、氣孔數量均有較嚴格限制。工件材料7A75，前后絲均采用國產ER5A56焊絲，焊絲直徑￠1.6，設備采用CLOOS Tandem 503Qunito焊接專機，配套翻轉變位機。工件前期制備的幾何尺寸和定位精度較準確，誤差小于2mm。工件的前期制作均采用冷加工，坡口形狀等采用大型機加設備來保證，工件機加后整體化學清洗、烘干，保證潔凈度；焊接時使用大型工裝和夾具保證安裝尺寸和定位精度。焊縫形狀為有咬合槽的內角縫和外角縫，內外角縫形成X型坡口，咬合槽厚度大于3mm可防止焊穿，是一種較特殊的是上下不連通的X型坡口。保護氣體為Ar100%，純度99.99%；室溫25攝氏度，焊前未預熱。焊接過程為先焊外角第一層-反轉-內角第一層-反轉-清理焊道-外角第2層-反轉-清理焊道-內角第2層。

　　表4：鋁合金焊接參數

　　圖:7：Tandem雙絲高效GMAW鋁合金雙絲工藝焊接的大厚度大型鋁合金工件

　　四、鋁合金Tandem雙絲高效GMAW焊接應注意的問題

Tandem雙絲高效GMAW系統主要適用于自動化焊接，與其它數字一元化的MIG焊接設備比較，在使用上由一些問題需要注意。由于Tandem雙絲高效GMAW焊接系統是由主輔兩臺焊接電源組成，所以在參數設置上要考慮到前后絲的特點，應該根據所焊接的工件的要求確定前后絲的焊接規范，打底焊縫主要考慮熔深和熔合質量，可適當加大能量輸出，避免熔合不好等缺陷；填充焊道主要考慮增大熔敷量、避免焊縫過熱，應選擇合適的焊接速度和能量輸出的配合，避免弧長過大，焊縫寬度大于12mm時可以使用擺動電弧改善焊縫兩側的熔合；表面層的焊接一般都有較高的質量要求，既要保證焊縫質量又要保證表面成型美觀；前后絲規范的配合要適當調整，減少焊層的厚度，適當提高焊接弧長和脈沖頻率，是液態金屬流動性改善，增加焊縫表面的平整度和光潔度。

為了達到優異的焊縫質量，不應過分追求電弧的柔和或無飛濺電弧，在絕大部分情況下，完全無飛濺的狀態并不是焊接質量最好的電弧狀態。Tandem雙絲系統焊接鋁合金時由于輸出功率大、焊接速度快，焊縫面積大，其陰極清理區域的面積也大，在清理氧化皮特別是較厚的氧化皮的區域時，被除掉的三氧化二鋁在高溫下爆開也會造成電弧的輕微震動，產生“啪啪”的響聲并伴隨著連續不斷的細微火星飛濺，這與熔滴過渡不穩定時的熔化的金屬飛濺完全不同，不會對焊接質量和焊縫成形造成影響。

鋁合金材料的導熱系數大，焊接熔深淺，而且使用常規方式調節熔深很困難，這也是容易造成焊接熱裂紋的原因之一。在Tandem雙絲高效GMAW工藝中為了得到較大的熔深，可以利用該工藝方法熱量較集中、前后絲規范分別可調的特點控制焊縫的熔深，在不增加的電壓條件下、增加脈寬和送絲速度可以加大焊縫的熔深，一般應該前絲的電壓和弧長更低一些，這樣可以在增大熔深時保持較好的焊縫成形。如果希望減小熔深，增加焊縫寬度和表面光潔度則可以提高峰值電壓和脈沖頻率，減小脈沖寬度。

　　由于鋁合金的電阻率很小、所以焊絲的干伸長對于Tandem雙絲高效GMAW工藝焊接鋁合金的影響不大，但干伸長過長時或影響到氣體的保護效果，焊接時干伸長不應該大于35mm。

　　該工藝焊接鋁合金時電弧功率較大，需要保護的熔池和焊縫面積也比較大，所以需要更多更大面積的保護氣體，如果使用純氬氣保護應該使氣流量不小于45升/分鐘，一般50升/分鐘左右效果較好。

由于Tandem雙絲高效GMAW工藝焊接鋁合金時電弧功率較大，所以電弧光強度、聲音、煙塵等焊接污染也都大于單絲焊接，操應當根據實際情況適當增加防護措施。