技术 | 铝合金焊接设计

钢是地球上使用最多的金属,因此也是焊接最多的金属。2013年,供应的钢材(包括回收钢材和未加工钢材)总量为1.06亿吨,而铝则以630万吨的数量远远落后,排在第二位。铝结构设计的原则和方法通常与钢或其他金属相同。AWS D1.2《结构焊接规范-铝合金》规定了铝合金构件的焊接要求,由铝合金协会编纂的铝合金设计手册《铝合金结构规范和指南》中对铝合金结构的推荐应力值进行了规定。

铸造铝合金和变形铝合金有多种结构形式和形状。设计者通过选用可行的铝合金结构形式,充分利用铝合金的低密度特性,实现整体结构的轻量化。变形铝合金可按照其合金元素种类分为8类,分别是:1XXX, 99%纯铝;2XXX,含铜元素;3XXX,含锰元素;4XXX,含硅元素;5XXX,含镁元素;6XXX,含硅和镁元素;7XXX,含锌元素;以及8XXX,含其他合金元素。相比变形铝合金,铸造铝合金的标记并不是用4位数表示,国际惯例下铸造铝合金的标记用3位数表示。以下分别介绍下8种变形铝合金的性能和使用特点。

1XXX铝合金:商业纯铝,具有最为优异的导电性和耐腐蚀性,抗拉强度一般在15ksi (100Mpa)以下,由于其强度较低,因此不适用于承载焊接结构。

2XXX铝合金:铜合金元素的加入提高了铝合金的强度,但也降低了铝合金的耐蚀性能。2XXX系铝合金由于强度高,常被用作飞机材料,但是由于其较低的耐腐蚀性,在使用时往往在其一侧或者两侧包覆纯铝。尽管少数的2XXX铝合金很容易实现焊接,但是整体来讲该合金系的铝合金焊接性较差。

3XXX铝合金:铝-锰合金系的铝合金强度比纯铝高20%左右,并且该合金的可加工性和耐腐蚀性能优异,因此在水运输、壁板、屋顶及热交换等场合广泛应用。

4XXX铝合金:在4XXX合金中添加硅元素使得材料在锻造时具有良好的流动特性,并具有较低的熔点,这也是为什么4043一类的铝合金常用来做焊接材料的原因之一。

5XXX铝合金:5XXX的铝镁合金是铝合金中强度较高的一类,合金的强度与镁的含量成正比。铝镁合金由于其强度高、耐腐蚀性优异和焊后强度损失少等特性而被广泛应用于船体和其他结构构件中,特别是在对耐腐蚀性性能和强度要求较高的场合。

6XXX铝合金:6XXX铝合金通过镁、硅元素进行合金化,具备有良好的强度和耐腐蚀性能。6XXX合金也更容易挤压成形,因此,经常以挤压态工艺。6XXX铝合金低温性能也很好,但是该合金系对裂纹比较敏感。

7XXX铝合金:以锌元素作为强化元素的铝合金是强度强度最高的一类铝合金。许多7XXX合金不容易通过熔化焊工艺进行焊接。但是与2XXX系铝合金类似,也有极少数的7XXX铝合金焊接性较好。这类合金是飞机结构中使用的主要材料之一,通常与铆钉连接。为了减少铆接飞机部件的重量和费用,这类合金的焊接方法常选用搅拌摩擦焊接。

8XXX铝合金: 8XXX系列铝合金是一个包罗万象的类别,该系列的铝合金含有其他的混合合金元素,该系列中的每一种铝合金都有自己的成分和用途。

铝合金有热处理和冷加工两种不同的强化方法。合金2XXX、6XXX和7XXX是可热处理的合金。非热处理合金包括1XXX、3XXX和5XXX,它们是通过冷加工得到强化。

特殊的额设计考虑
铝结构焊接与钢结构焊接最大的不同之处使用熔化焊焊接铝合金时,铝合金的热影响区会发生软化,强度将低于母材和焊缝,具体的软化程度和铝合金的种类有关。如何避免或减缓铝合金焊接过程中热影响的软化问题一直是铝结构焊接的重要挑战之一。

为应对铝合金焊接后的热影响区软化问题,可从母材、焊接材料和焊接工艺等多个途径着手。比如将焊接方法从熔化焊转变为固相连接(摩擦焊),就能够有效的降低热影响区的软化程度,但是也不能完全的消除软化现象。

针对不同的焊接类型,对焊接接头进行创造性设计也可以用来克服热影响区的软化问题。在不影响产品要求的情况下,可以采用适当的工程设计,将接头数量和焊接量降到最低,这样可以通过限制焊接量来降低热影响区的软化和变形量,并且能够使产品具有良好的外观,同时还具备正常的使用功能。为了消除接头,设计者可以使用铸件、挤压件、锻件或弯曲或滚压成形的形状来代替复杂的总成。工件的结合部位可以通过挤压直接形成坡口边缘,这样可以大大地降低制造成本,同时还可以利用挤压在母材边缘制备出唇形,这样可以方便装备时的定位过程,同时在焊接过程中还可以起到衬垫的作用。

柱与梁的横向焊缝应位于带有横向支撑点的位置,以防止在使用过程中发生屈曲。当软化区小于总横截面积的15%时,设计时结构件纵向焊缝热影响区软化可忽略。管道或石油管线中的周向焊缝可能会降低弯曲强度,当热影响区占截面总面积的比例很小时,纵向焊缝对屈曲强度的影响不大。

本文摘自:AWS《焊接手册》第十版第一卷-焊接和切割科学与技术

译者:郑州机械研究所 秦建

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市场 | 橡树岭国家重点实验室、林肯电气携手推进先进金属增材制造技术

林肯电气技术与研发高级副总裁汤姆•马修斯(左)和橡树岭国家实验室主任托马斯•扎卡里亚(右)庆祝双方达成的大规模机器人增材制造技术持续合作协议
田纳西州橡树岭国家实验室和林肯电气在美国能源部举办的先进制造创新XLab峰会上继续就大规模机器人增材制造技术进行合作。该协议建立在他们之前的共同开发基础之上,他们将把增材制造技术扩展到新材料,并将利用数据分析,以期实现超过100磅/小时的金属部件快速制备。双方研究除集中于提高增材制造产量以外,还将聚焦于降低成本方面,同时将改善多种工业领域关键金属部件的大规模增材制造的产品质量。

“与林肯电气合作是推进美国制造业的重要一步。”橡树岭实验室能源与环境科学实验室副主任Moe Khaleel说。“大约60-80%用于制造金属部件的模具是在海外生产的。有了这一新的合作,美国制造商将能够展示他们低成本、短周期、高效率、优质化的制造工具、模具以及模具增材制造的能力。

橡树岭国家实验室

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)是美国能源部所属的一个大型国家实验室,成立于1943年,最初是作为美国曼哈顿计划的一部分,以生产和分离铀和钚为主要目的建造的,原称克林顿实验室。2000年4月以后由田纳西大学和Battelle纪念研究所共同管理。他们的使命是攻克美国当下面临的最严峻的科学难题,并且开发新技术,为人类创造更加美好的生活,保护人类。

——摘自百度百科

本文摘自:Welding Journal 《焊接杂志》2019年7月刊

译者:郑州机械研究所 秦建

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明智!这样焊接铝合金就对了

材料状态和保护气体气体的选择是铝合金焊接成功的关键因素
由于重量低、强度高、耐腐蚀性能优异,铝合金逐渐成为现代工业领域广受欢迎的材料(如图1所示)。尤其是对于那些想通过轻量化实现节能减排的车辆来说,铝合金更是理想的制备材料,因此,铝合金正在逐渐成为节能公路运输的重要组成部分。铝合金有多种合金系,每一种合金系都是针对特定的使用条件和结构负荷而设计的。

图1-由于重量低、强度高、耐腐蚀性能优异,铝合金逐渐成为现代工业领域广受欢迎的材料,更是节能减排车辆的理想制备材料
工业应用中大部分铝合金都需要连接,而最为普遍的方式就是焊接。适合铝合金的焊接方式有很多种,最为常见的方法是钨极氩弧焊和熔化极气保护电弧焊。

虽然焊接铝合金涉及到许多参数变量,但在本文中着重介绍两个特别重要的变量,分别是保护气体和材料状态。在某些特定情况下,保护气体会影响焊缝的宽度和熔透深度,而材料状态则决定了你的焊前准备以及后续的焊接步骤。

重新斟酌下铝合金的焊接保护气的选择
焊接铝合金时,保护气体是十分必要的。保护气的供应商发现,气体的选择受气体的使用方便性、热输入需求和采购成本息息相关。由于铝合金的的导热系数较高,因此在焊接厚度较大的铝合金部件时,往往需要使用较高的焊接热输入才能顺利的完成焊接,如图2所示。

图2-厚重铝合金的部件在焊接时需要使用较大的焊接热输入才能获得理想的焊缝
工程应用中我们看到许多客户会选择在他们的正常保护气体中(比如100%的氩气)添加氦气。氦气的加入使得在恒流的情况下焊接电压更高,这无疑会增加焊接热量,因此使用起来效果不错。但是从保护气的采购成本上来看,由于氦气的价格远高于氩气,因此类似50%甚至75%这样比例的氦-氩混合气体的价格将会变得更加昂贵。

虽然氦是一种不可再生资源,但是其在不同的应用领域需求却一直在稳步增长,使得氦气产品在全球范围内的供应非常紧张。此外,随着需求量日益逐渐超出全球的可供应量,导致其价格稳步上涨。

那么如何才能以较低的成本实现加入氦气一样的效果呢?你可以试着在氩气中加入少量的氮气。例如,在使用熔化极气保护焊时在氩保护气中加入600ppm氮气的效果与氩气中加入~30%的氦气相当,焊接过程中加入氮气会生成氮化铝,而氮化铝会使焊接电弧释放出更多的热能,从而达到加入氦气的效果,并且成本非常的低。

保护气体纯度是另一个重要的考虑因素,因为使用质量较差的保护气体会很快污染焊缝,尤其是在焊接铝合金时,保证保护气具有高质量纯度是至关重要的。

确保保护气体质量的一种方法是在采购气体时应该遵循美国焊接学会(AWS) A5.32《焊接保护气体规范》或AWS D1.2《铝合金结构焊接规范》中的相关要求对铝合金进行检验。

对于纯氩来说,AWS A5.32要求其湿度小于40ppm,不过这绝对应该是可容忍的最大值。AWS D1.2:2008要求氩气的纯度应在99.997%以上,并且湿度应该在PPM级别。在2014年的版本中,这些值分别具体确定为99.99%和40ppm。值得注意的是,即使满足这些要求的氩气可能还是不能满足使用要求,为了达到最佳效果,建议使用含水量小于3ppm和O2含量小于5ppm的保护气体产品。

关键点
下面两条保护气体的选择建议可以让你更好的焊接铝合金:

焊接铝合金时,考虑在保护气体中加入氮气而不是氦气

气体纯度应遵循AWS标准的相关要求,推荐的保护气产品湿度应控制在3PPM以下,氧含量应低于5PPM

控制材料状态
众所周知,铝合金的优异耐腐蚀性能源自于其表面非常薄的氧化铝(Al2O3)层,这层氧化层能够保证其下面的母材免受伤害。虽然这从某些方面来说具有一定的好处,但是氧化层的存在却为铝合金的焊接带来难题。由于铝合金的熔化温度在1100℉,而氧化铝的熔化温度却达到3700℉,因此铝合金的氧化层在焊接过程中十分坚韧,难以有效破膜,所以在焊接铝合金前,应尽可能多地去除氧化物,使电弧能将其热量正确地传递到焊接工上。

氧化物的清除可以通过刮、磨或刷来完成,但是必须注意防止那些过于粗糙的表面处理方式将氧化物更深地嵌入到母材之中(如图3所示)。此外,使用剪板机剪过的铝必须仔细检查,要确保边缘没有被工具表面的微量沉积物所污染,并且待焊接的部位不应该有氧化物污染源以及其他污染物。
图3-焊接铝合金时,必须尽可能多地去除氧化物,使电弧能将其热量正确地传递到焊件上。这可以通过刮、磨或刷来实现,但必须注意不要将氧化物更深地嵌入母材金属中。
如果想获得质量特别好的焊缝,建议使用合格的溶剂擦拭待焊区域,去除任何残留的油和水。异丙醇就是理想的溶剂,因为它是非极性化合物溶剂,并且是一种加快水分去除的快速干燥剂。

焊接铝合金时,任何形式的水或湿气以及碳氢化合物的存在都是一个重要的问题,因为它们在焊接电弧中分解为氢,由于氢在熔融铝合金和固态铝合金中的溶解度不同,因此焊接过程中容易产生气孔。

水分污染可能会以不明显的方式发生。简单地将一块铝从一个凉爽的、有空调的空间移到一个潮湿的生产环境中,就会导致金属表面水气凝结。更糟的是,氧化铝很容易吸收水分,这就使得氢元素来源的消除变得更加困难。

碳钢工具的的磨削残留物也会嵌入铝合金表面,造成焊接质量的降低,从而对工件的使用寿命带来极大的影响。

关键点
以下关于材料控制的建议可以让你更好的焊接铝合金:

无论使用任何类型的加工设备来制备工件,都应该清除所有残留的润滑油脂。

仔细检查剪板机剪切过的铝合金,确保边缘没有“污迹”,防止氧化物和其他污染物附着在要焊接的边缘上。

当准备焊接铝合金时,应适当地储存原材料,最好是放置在室内。

总结
铝合金的成功使用和焊接涉及的变量有多种,其中最重要的就是材料状态和保护气体的正确选择。但是在铝合金焊接时,即使一些细枝末节也可能会导致出现严重的焊接问题。焊接前对铝合金进行仔细的清洗和制备至关重要,合理选择保护气体可以使焊接过程变的更为稳健,减少焊接气孔的出现,并且能够为焊接电弧提供更多需要的能量。

作者简介:

FRED SCHWEIGHARDT (fred.schweighardt@ airgas.com) 是美国德克萨斯州休斯敦液化空气公司Airgas先进制造技术国家项目的负责人。

本文摘自:Welding Journal 《焊接杂志》2019年7月刊

作者:FRED SCHWEIGHARDT

译者:郑州机械研究所 秦建

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展会 | 2019年墨西哥金属加工展为蒙特雷带来尖端技术

在5月7日至9日举行的墨西哥金属加工展展会上(墨西哥Febtech展),近15.6万平方英尺的净展览面积吸引了近500家参展公司和逾1.1万名与会者
5月7日至9日,拉美先进金属成形、制造、焊接和精加工制造业盛会墨西哥金属加工展(2019年墨西哥Febtech展)在蒙特雷新特玫斯举行。展会迎来了近500家参展公司和11,090名与会者。

为期三天的展会让参观者有机会观看现场产品演示,与行业专家见面,并参加涵盖自动化、焊接、切割、成型、冲压、精加工和金属制造各个方面的培训课程。

“2019年墨西哥金属加工展取得了巨大成功。企业高管和业主占了34%以上的出席率,而且购买设备直接在展会场外实现,”美国焊接协会博览会主任马修•鲁宾表示。“对于我们的参展者和参展商来说,这次展览是一个非常重要的商业平台,我们很高兴能继续为双方提供高质量的展览。此次展会所覆盖的专业范围给人留下了很深的印象,这也是墨西哥金属加工展成为拉美同类展会中最大的一个因素。”

下次展会将于2020年5月12日至14日在墨西哥城举行。要了解更多关于展会的信息,请访问mexico.fabtechexpo.com。

本文摘自:Welding Journal 《焊接杂志》2019年7月刊

译者:郑州机械研究所 秦建
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招募 | AWS有偿译者队伍期待你的加入!

由于AWS在中国的发展需要,我们现有偿招募翻译人员,工作时间、地点都不限制,只要能在规定时间内完成任务即可。

你需要做

笔译,主要是英译中:AWS出版物文章(包含但不限于Welding Journal、Inspection Trends)

希望你

能够熟练掌握焊接专业英语

你将收获

免费获得当月最新电子版Welding Journal

你的翻译作品会被AWS在中国大陆、港澳台地区的会员、读者、粉丝浏览,打造你的影响力

我们将按文章篇幅、字数,进行报酬感谢

工作方式

全部通过邮件、微信等远程方式沟通,自由灵活

参与方式
如果你有兴趣加入我们的团队,请在9月30日前,不妨试试翻译以下任何1篇,我们将更了解你的能力:

1、Pipeline Hot Tapping(选自Inspection Trends 2019年第一季,第20页,点击查看完整文章)

2、AWS Student Chapters Help Grow the Next Generation of Welders(选自Welding Journal 2019年8月刊,第32页,点击查看完整文章)

请把译文发送到:txu@aws-asia.org
邮件题目:译者招募+您的姓名
为感谢参与者,我们将向您赠送8月、9月电子版Welding Journal

我们将以邮件方式回复您,是否正式入选AWS有偿译者队伍(预计在您投稿后4周内回复)。
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市场 | 线性摩擦焊在“面向未来轻量化创新中心”投入使用

美国制造技术公司将在密歇根州底特律的“面向未来轻量化创新中心”的工厂运行和维护这台线性摩擦焊机
据称,这是北美第一台也是唯一一台能够进行全尺寸部件开发的线性摩擦焊接机,现在已经完全投入使用,并为“面向未来轻量化创新中心(LIFT)”的项目工作做好了准备,面向未来轻量化创新中心是美国轻质材料创新研究所在密歇根州底特律运营的一家国家级制造工厂。

据称,这台由印第安纳州南本德的制造技术公司(MTI)制造并安装的机器拥有世界上最大的直线摩擦焊机的加工能力,可以实现最大的全尺寸部件生产。

目前,线性摩擦焊接技术被用于航空航天领域,以实现轻量化的整体叶盘和飞机发动机整体叶片转子的制备。随着这台机器的研发成功,面向未来轻量化创新中心及其合作伙伴将继续探索这项技术在造福于其他行业的可能性,特别是汽车和国防行业。制造技术公司(MTI)和面向未来轻量化创新中心(LIFT)将会和大家共享该设备的使用能力。

本文摘自:Welding Journal《焊接杂志》 2019年7月刊

译者:郑州机械研究所 秦建
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