如何焊接铸铝?

1. 介绍

焊接铸铝是汽车领域的一项常规维修和制造任务, 海军陆战队, 航空航天和工业环境 - 但它与焊接锻铝有本质上的不同. 成功的修复需要预先做出正确的决定, 有纪律的准备 (打扫, 预热, 装配), 适当的工艺和填料选择, 受控热量输入, 并有针对性地进行检查. 本指南解释了冶金, 实用的“操作方法”步骤, 参数引导, 常见故障模式和高级选项，使车间可以在铸件上生产可靠的焊缝.

2. 什么是铸铝?

“铸造铝” 是指将熔融铝合金倒入模具中并使其凝固而生产的部件.

常见的家庭包括:

• 铝硅铸造合金 (A356, 319, A413, “硅铝”) — 广泛用于发动机缸体, 外壳和结构铸件. 高硅含量可改善流动性并减少收缩，但会影响可焊性.
• 压铸 合金 (压铸中铜/锌含量通常较高) — 用于薄壁消费零件; 有限的可焊性.
• 沙 和熔模铸件 — 较厚的截面和较粗糙的表面; 通常需要更多的准备.

铸造合金可以是铸态的, 热处理 (例如。, A356 T6), 或含有铸造过程中残留的气体和收缩孔隙.

3. 为什么铸铝与众不同

铸件焊接的主要挑战:

• 孔隙率和缩孔: 夹带气体或收缩空隙很常见; 它们充当焊缝的应力集中器和孔隙源.
• 共晶相 (高硅): 如果热输入或填料选择错误，铝硅共晶会降低熔化范围并促进热/凝固裂纹.
• 可变截面厚度 / 高热质量: 厚的凸台将热量带走; 薄翅片加热和冷却迅速. 差异冷却会产生应力和变形.
• 预先存在的缺陷: 如果处理不当，铸造过程中形成的裂纹可能会延伸到焊缝中.
• 热处理敏感性: 许多铸件经过沉淀硬化 (T6). 局部焊接破坏回火; 修复可能需要完全热处理 (解决方案 + 重新老化), 维修通常不切实际.

了解这些限制是制定合理修复策略的第一步.

4. 如何决定铸件是否焊接

可行性清单 (是/否快速评估):

• 是否有缺陷 本地化 (裂缝, 孔隙率小) 而不是普遍存在? - 如果本地化, 焊接通常是可行的.
• 您能否接近并磨回完好的金属并创建合适的焊接坡口? - 如果没有, 可能需要更换.
• 组件能否预热并夹紧以控制变形? - 预热可提高成功率.
• 焊接区域是否位于 压力很大, 安全关键 地点 (压力容器, 主要结构构件)? - 如果是, 考虑更换或完全合格.
• 合金是否可识别 (A356, 319, ETC。) 并且是再应力/热处理的一种选择? - 未知合金会增加风险.

如果其中任何一项检查对于关键部分是否定的, 更换或非焊接修复解决方案 (粘合剂, 机械紧固) 应考虑.

5. 准备: 打扫, 装配, 接头设计和预热

打扫

• 去除油污, 使用碱性脱脂剂或丙酮进行润滑和油漆.
• 在焊接前立即用清洁剂去除氧化层和任何表面污染物 专用不锈钢丝刷 或为铝预留的砂轮. 避免使用碳钢刷 (铁污染会导致生锈和脆化).
• 用干净的溶剂擦拭并晾干.

装配和接头设计

• 磨掉裂纹，使金属完好——准备一个 v 或者 你 凹槽完全穿透缺陷. 在裂纹尖端钻小“止孔”以防止裂纹扩展.
• 提供足够的 root 访问权限; 对于较深的裂缝, 考虑使用铜散热器/支撑条来支撑水坑并消除热量.
• 避免过度约束接头——一定的自由度可以减少应力和开裂风险.

预热

• 强烈建议对铸件进行预热: 150–250°C (300–480°F) 是一个常见的实用范围. 使用热电偶监测温度.
• 预热可减少热梯度, 让氢气逸出, 并减少热裂的可能性. 做 不是 对于大多数铝硅铸件，除非遵循特定的冶金计划，否则超过约 300 °C — 过度预热会软化零件或改变回火状态.

层间温度

• 保持层间温度低于 250–300°C 避免冶金退化和不受控制的软化. 在继续之前，让零件冷却至可接受的层间温度.

6. 铸铝的焊接方法

为铸铝修复选择正确的焊接方法是您要做的最重要的决定之一. 该方法确定热输入, 扭曲风险, 沉积率, 可访问性, 接头外观及大部分下游检验要求.

提格 (GTAW) — 交流铝焊

何时使用: 小规模局部维修, 薄壁, 化妆品饰面, 需要严格控制.
为什么起作用: 交流模式交替电极极性以破坏 Al2O₃ 氧化物 (打扫) 并提供焊缝熔深; TIG 提供精确的热控制和出色的熔池可见度.
消耗品: ER4043 (铝硅铸件的默认设置), ER5356 需要强度/腐蚀的地方; 2% 氧化锆或 2% AC用稀土钨; 99.999% 氩气保护.

技术技巧:

• 短弧长, 有意的弧形行程; 将填料浸入水坑的前缘.
• 使用焊接缝合/后步控制热量; 避免长连续珠子.
• 平衡设定: 增加电极正极 % 短暂清洁, 然后减少渗透.
  优点: 最佳视觉控制, 正确使用时，薄区域的吹穿风险最低.
  缺点: 缓慢沉积; 依赖于操作员.

我 (田) — 线轴枪 / 推拉式 / 脉冲ME

何时使用: 较厚的铸件, 生产环境, 速度至关重要的大型维修.
为什么起作用: 更高的沉积速率; 脉冲模式减少平均热量输入并改善水坑控制. 线轴枪可避免铝线送丝问题.
消耗品: 固体ER4043 / ER5356电线; 氩气或 Ar/He 混合物. 常用线径 0.9 毫米 (0.035“”), 1.2 毫米 (0.045“”) 或者 1.6 毫米 (0.062“”).

技术技巧:

• 在手动或机器人系统上使用脉冲传输来减少孔隙率和飞溅.
• 使用线轴枪或推拉式送料器; 铝丝必须保持干燥并顺利送入.
• 保持保护气体流量 12–20 L/min; 对于较厚的部分使用 Ar/He 以增加穿透力.
  优点: 快速地; 适合多遍构建.
  缺点: 比 TIG 更高的热输入, 需要正确的送丝设置以避免鸟巢和孔隙.

脉冲ME & 热线 ME

何时使用: 当您需要比传统 MIG 更高的沉积和更好的热控制时. 热丝在进入水坑之前对填充焊丝进行电预热, 降低所需的电弧能量 (减少热影响区).
好处: 更快的沉积, 单位沉积质量的总热量较低, 改善珠子形状的控制.
申请: 必须限制变形的中厚至厚铸件.

激光焊接 & 激光-电弧混合

何时使用: 高价值维修, 精密局部焊接, 最小热影响区和变形至关重要的区域. 混合系统将电弧填充功能与激光穿透相结合.
为什么起作用: 高功率密度可实现较窄焊缝的深熔深和较低的总热输入.
笔记: 通常与预置填料或自生模式一起使用; 零件必须精确安装和固定. 最好在专门商店进行.
优点: 最少的焊后加工, 低失真.
缺点: 资本成本, 关节装配至关重要, 大型铸件的进入受到限制.

电子束 (EB) 焊接

何时使用: 专门, 小批量, 需要极高焊接质量和深熔深的关键维修或生产. 需要真空室.
优点: 极低的孔隙率, 深度融合, 小热影响区.
缺点: 真空要求, 高资本 & 零件尺寸实用性有限.

搅拌摩擦修复 (FSR)

何时使用: 当铸件几何形状允许旋转 FSW 工具沿缺陷进行加工时 (例如。, 可触及表面上的线性裂纹). 产生无熔合孔隙的固态接头.
优点: 优秀的机械性能; 在许多情况下不需要填充物.
缺点: 工具和夹具的复杂性; 工具访问和零件夹紧限制适用性; 不适用于内腔.

钎焊 / 火炬维修

何时使用: 薄壁非结构部件, 装饰性维修或不需要熔焊的地方. 钎焊接头采用铝钎焊合金 (带助焊剂) 和较低的温度.
优点: 低热输入, 简单的设备.
缺点: 接头强度比熔焊低得多; 必须清除助焊剂残留物; 不适合结构维修.

对比表

7. 消耗品 & 屏蔽: 填充合金, 电极选择, 气体 & 电线尺寸

填充合金

• ER4043 (Al-5Si): 广泛用于铝硅铸件 (A356, 319). 流动性好, 热裂纹倾向较小. 大多数铸铝维修的保守默认值.
• ER5356 (铝–5Mg): 更高的强度和更好的耐腐蚀性 (特别是海洋). 在高硅铸件上谨慎使用，因为它会增加裂纹敏感性.
• ER2319 / ER3125等: 适用于特定合金/条件的特种填料. 检查制造商的建议.

氩弧焊电极

• 2% 氧化锆 (ZR) 或者 2% 稀土化的 推荐用于交流铝焊接的钨. 锆化处理可在交流电下提供稳定的电弧. 钍 (2% 二氧化钍) 不适合交流电并且存在辐射问题.

保护气体

• 氩气 (99.995%) 标准. 流动: 10–20 升/分钟 (20–40 SCFH) 取决于喷嘴尺寸.
• 氩/氦混合物 (例如。, 75/25 氩气/氦气) 增加较厚部分的热输入和润湿——当需要更多渗透时非常有用; 氦气会增加成本，并且可能需要更高的流量并注意氧化.

线径 (我)

• 常用尺寸: 0.8 毫米 (0.030“”), 0.9 毫米 (0.035“”), 1.2 毫米 (0.045“”) 和 1.6 毫米 (0.062“”). 为薄切片选择较小的直径并更好的控制; 较大，适合重沉积.

8. 焊接技术和技巧

提格 (交流) 技术

• 使用 具有适当平衡的 AC (极性%EN/EP) — 更多的电极正极 (在) 增强清洁作用但降低渗透力; 氧化物去除和渗透的平衡.
• 交流频率 (60–120赫兹) 收紧电弧并改善对小焊缝的控制.
• 使用短弧长并保持一致的割炬角度 (通常为 10–15° 拖动或推动，具体取决于技术).
• 通过浸入水坑的前缘添加填料; 避免过热.

技术米格

• 使用 线轴枪 尽量减少喂养问题. 保持推力角度, 控制行驶速度以避免出现孔隙. 脉冲ME 有助于限制热量输入并改善润湿控制.

水坑管理

• 铸件冷却不均匀. 控制热量输入: 较短的运行 (叠焊) 针迹之间有停顿，可以散热，避免长连续的珠子产生压力.
• Backstep 技术和交替通道可减少失真.

喷丸

• 历史上用于减少残余拉应力和开裂风险. 如今，喷丸处理已很少使用，因为它可能会引入其他缺陷，并且不能替代正确的工艺选择.

支撑杆 / 铜背衬

• 使用铜背衬冷却水坑并支撑根部; 还有助于散热并减少烧穿.

9. 焊后处理: 冷却, 压力缓解, 修复磨削和焊后热处理注意事项

冷却

• 允许 控制冷却 至环境; 避免水淬. 快速冷却会增加热冲击, 残余拉应力和裂纹.

压力缓解

• 对于关键焊缝，低温应力消除烘烤 (例如。, 150–200 °C 1–2 小时) 可以减少残余应力——但要检查合金兼容性.

修磨

• 平滑地修整焊缝以去除咬边或重叠焊缝; 保持圆形过渡以避免缺口应力集中.

PWHT 和年龄恢复

• 许多铸件经过沉淀硬化 (例如。, A356 T6). 焊接局部破坏T6回火. 恢复全部机械性能可能需要 固溶热处理 (〜530–540°C), 淬火和人工时效 (〜155–180°C) - 通常需要完整零件拆卸的工艺，对于大型铸件很少实用. 如果需要全力以赴, 焊接后更换或全面热处理的计划.

10. 常见缺陷, 根本原因和补救措施

11. 检查, 测试和验收标准

视觉检查

• 检查珠子轮廓是否均匀, 无底切, 表面无裂纹, 可接受的孔隙率水平.

染料渗透剂

• 适合发现表面裂纹和未熔合迹象.

射线照相 (X射线)

• 可有效检测较厚修复中的内部孔隙和缩孔 - 在结构完整性至关重要的情况下使用.

超声波检测 (UT)

• 适用于较厚的铸件，可检测表面下缺陷.

压力 / 泄漏测试

• 适用于输送流体的外壳, 静水压或气压测试可能是最终验收结果.

硬度图和机械测试

• 机械性能至关重要的地方, 提取测试优惠券或进行硬度调查和, 如果可能的话, 对代表性接头进行拉伸测试.

12. 先进的焊接技术

• 激光焊接 / 混合激光-电弧: 极低的热输入和深度渗透——非常适合精确的局部修复, 最小化失真. 需要准备好边缘和专门的夹具.
• 电子束 (EB) 焊接: 真空中超高能量密度——非常适合小型, 在专业设施中进行厚铸件的关键修复.
• 搅拌摩擦修复 (FSR): 新兴技术; 产生无缺陷的固态接头，但需要 FSR 工具的通道和工具.
• 带同步预热功能的机器人脉冲 MIG: 适用于生产环境, 具有受控预热和冷却功能的自动脉冲 MIG 可为大系列维修提供可重复的结果.

13. 分步快速程序 (工作流程清单)

1. 识别合金 & 评估修复可行性.
2. 去除油漆, 腐蚀和油脂; 用溶剂清洗.
3. 磨掉缺陷，使金属完好; 创建适当的凹槽几何形状.
4. 将浇铸预热至 150–250°C (带热电偶的监控器).
5. 选择填料 (ER4043 默认用于铝硅铸件; ER5356 满足强度/腐蚀要求).
6. 安装机: 氧化锆/镧化钨 TIG AC; 氩气保护 12–20 L/min; 根据上表设置安培数.
7. 焊接前立即刷除氧化物; 使用定位序列和缝合图案开始焊接以控制变形.
8. 以受控的层间温度进行焊道 (<250–300°C). 保持胎圈轮廓光滑.
9. 允许受控冷却 <100 拆下夹具之前°C.
10. 焊后检查: 视觉的, 染料渗透剂, 根据需要进行压力或射线照相.
11. 如果需要的话, 执行 PWHT 或重新老化 (仅在有计划且可行的情况下).

14. 结论

焊接铸铝是一门技术学科，要求准备精确, 耗材选择, 和技术——但回报是丰厚的: 降低废品率, 延长部件寿命, 与其他产品相比，成本节省 40–60%. 替代品.

核心原则在不同应用程序中是一致的: 消除水分和氧化物, 将填充合金与基体金属相匹配, 控制热输入以防止开裂, 并通过标准化检查验证质量.

遵循 AWS D1.2 标准, 利用数据驱动的参数, 并解决铸铝的独特挑战 (孔隙率, 高热电导率), 焊工可以实现无缺陷, 结构完好焊缝.

是否修理汽车发动机缸体, 工业泵, 或航空航天部件, 本指南提供了掌握铸铝焊接的技术基础.

 

常见问题解答

我应该使用哪种填充剂来维修 A356?

ER4043 (Al-5Si) 是铝硅铸件的保守选择. ER5356 (铝–5Mg) 当需要更高强度或更好的耐腐蚀性时可以使用, 但可能会增加高硅铸件的裂纹敏感性.

焊接后可以恢复T6强度吗?

焊接局部破坏 T6 状态. 完全修复需要固溶处理 (〜530–540°C), 淬火和人工时效 (〜155–180°C), 这通常是不切实际的.

评估是否必须重新处理维修或更换零件.

TIG 总是比 MIG 更好吗?

TIG 为小型工件提供卓越的控制, 精确修复. 我 (带线轴枪或脉冲模式) 在较厚的部分上速度更快、效率更高. 根据接头尺寸选择, 可达性和生产需求.

我可以用钢填充金属焊接铸铝吗?

否——钢填料会导致电偶腐蚀 (腐蚀速率增加 10 倍) 和脆性金属间化合物 (焊接强度 <100 MPA). 始终使用铝填料 (AWS A5.10).

在寒冷的天气里可以焊接铸铝吗?

是——将组件预热至 100–120°C 并保护焊接区域免受气流影响 (使用挡风玻璃) 维持保护气体覆盖范围.

TIG 可以焊接的最大厚度是多少?

TIG 焊接对于 1–12 mm 厚度有效. 对于较厚的部分 (>12 毫米), 使用带预热的多道 TIG 焊接或改用 MIG 焊接以获得更高的沉积速率.

如何修复具有聚集孔隙的铸铝部件?

将多孔区域磨成固体金属 (通过超声波测试验证), 彻底清洁, 并用ER4047填料焊接 (高流动性) 填充空腔——可能需要多次通过.