不潔表面=鋁焊接的定時(shí)炸彈？！鋁焊縫里到底藏著多少隱患？
汽車輕量化成為使命，汽車制造商越發(fā)對輕質(zhì)材料情有獨(dú)鐘，以尋求降低能耗和最小化腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。汽車設(shè)施從鋼轉(zhuǎn)向鋁材，這些鋁材組件是需要焊接沖壓或機(jī)加工的。
然而，將鋼焊接技術(shù)應(yīng)用于鋁焊接時(shí)，事情就不是那么簡單了。雖然鋁焊接本身是最主要的任務(wù)，但必須滿足一個(gè)前提條件——保證焊接鋁材表面的清潔度。
對于從鋼焊接工藝過渡到鋁焊接工藝的設(shè)施，焊接前的表面處理是必須考慮的因素。不單單對于汽車制造而言，對精密工具制造、造船、軌道交通、航天航空、大型機(jī)械制造等行業(yè)的焊接準(zhǔn)備中都會清潔鋼和鋁表面。這也意味著過去從不需要零件清洗機(jī)的工廠將不得不將零件清洗系統(tǒng)集成到他們的制造過程中。
無論財(cái)務(wù)上允不允許，或者您愿不愿意，都有必要在焊接前做好足夠的表面準(zhǔn)備以確保良品率——相信您不愿意看見OEM未能完成所需的每日產(chǎn)量的罰款，以及大量廢品次品的出現(xiàn)。
圖源：Hoganas
鋁與鋼焊接
焊接鋼和鋁之間的根本區(qū)別在于鋁具有更高的電阻和熔化溫度。熔池中較高的溫度會產(chǎn)生足夠的熱能來增加氫的溶解度和擴(kuò)散率。
相對于快速冷卻速度而言，熱影響區(qū)中氫的流動速度較慢，這會導(dǎo)致焊件中氫濃度過高，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔或開裂。如果存在固體污染物，這些條件也會產(chǎn)生閃蒸。
鋁污染物的主要類型
從大規(guī)模零售制造鋁到達(dá)焊接工作室，鋁會暴露在幾種主要類型的污染物中。這些污染物可分為三大類：
1. 濕氣：
由于鋁的氧化速度極快，這意味著必須盡可能地使其遠(yuǎn)離濕氣。鋁在運(yùn)輸條件下和到達(dá)工作地的儲存條件下都可能暴露在潮濕環(huán)境中。這種濕氣可能來自直接暴露，例如泄漏到空氣中的環(huán)境濕氣中。由于冷凝，鋁也可能遭受直接的水分損壞。這經(jīng)常發(fā)生在濕度不受控制的存儲區(qū)域，因?yàn)榇鎯χ械臏囟炔▌訒?dǎo)致水在鋁表面凝結(jié)。
2. 潤滑劑：
建筑材料通常涂有潤滑劑或其他油，以增加它們的視覺吸引力，并保護(hù)它們免受濕氣的損害。不幸的是，如果在焊接過程中燃燒，這些潤滑劑和油會釋放出化學(xué)物質(zhì)，從而在焊縫中產(chǎn)生缺陷。如果長時(shí)間留在鋁上，這些潤滑劑也會通過釋放碳?xì)浠衔镆鹧趸?nbsp;
3. 氧化物：
氧化鋁是鋁暴露于水分和氧化物或銹蝕時(shí)形成的物質(zhì)。這種銹跡比純鋁合金具有更高的熔點(diǎn)，因此焊接工作將更加困難。鋁合金的熔點(diǎn)為12000F，而氧化鋁的熔點(diǎn)為37000F。
如您所見，如果鋁在使用前生銹，要使其熔化要困難得多。氧化不僅使焊接本質(zhì)上變得更加復(fù)雜，而且還會導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)多種氧化物夾雜類型的缺陷，使整個(gè)工作質(zhì)量降低，更容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障。
雖然這些是鋁可能受到的主要污染物類別，但仍不排除其他被列清單的污染物：油或者油脂、墨水、潤滑脂、顆粒污垢。
許多東西在焊接前都會弄臟和污染鋁，這種污染物的存在會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的持久影響。這就是為什么在焊接前對鋁進(jìn)行脫脂和脫氧如此重要的原因。
圖源：佳昊凱瑞
臟鋁焊縫的缺點(diǎn)
如果您不嚴(yán)格監(jiān)管或者不將鋁焊接前的清洗任務(wù)列入計(jì)劃清單，您手下的焊工可能會跳過焊接前清潔鋁的步驟，他們這樣做是不耐煩且愚蠢的。嘗試焊接臟鋁涉及許多風(fēng)險(xiǎn)，包括：
1. 不穩(wěn)定的電?。?/strong>
行為不當(dāng)?shù)碾娀⊥鶗w濺并將焊渣移動到難以去除的焊縫遠(yuǎn)邊緣。不穩(wěn)定的電弧會導(dǎo)致焊接工作丑陋且不專業(yè)。它們還使焊接本身的任務(wù)更難以控制。
2. 附加電阻：
附加電阻會增加焊接中的熱量，并可能導(dǎo)致焊接表面變得太寬。
3. 煙灰：
煙灰是由氧化物和其他污染物在鋁表面燃燒引起的。當(dāng)在焊接部位產(chǎn)生煙灰時(shí)，這會在焊接部位造成難看的黑色缺陷，而不是漂亮的光滑銀色邊框。
4. 未熔合：
鋁焊縫中的污染物會導(dǎo)致嚴(yán)重的未熔合問題，甚至在某些情況下會導(dǎo)致焊縫部位結(jié)構(gòu)失效（或至少無法通過產(chǎn)品驗(yàn)收）。
清潔表面對焊接的重要性
但如果您對您的工程師耐心講述焊接前專業(yè)的清洗知識并完成細(xì)致的培訓(xùn)，相信您交貨的鋁制產(chǎn)品會超出客戶的期盼。因?yàn)?，在精?xì)化制造要求下，清潔度一定意義上決定了您的焊接任務(wù)程度與否。清潔的表面助于實(shí)現(xiàn)成功焊接：
1. 一致性：
清潔焊接材料在制造實(shí)驗(yàn)室中提供了一定程度的一致性，并允許您將鋁用作焊接性能的控制變量。
2. 無孔隙率：
孔隙率是由碳?xì)浠衔锘蜓趸任廴疚锖附拥浇饘僦幸鸬慕饘俦砻尜|(zhì)量缺陷。如果金屬變得有多孔，它會形成結(jié)構(gòu)較差的接頭，如果金屬在焊接部位有足夠的多孔，則該接頭甚至可能因此而失效。但如果鋁是干凈的，焊縫就不會有隱藏的缺陷，接頭應(yīng)該能按預(yù)期工作。
3. 高強(qiáng)度：
因?yàn)闆]有污染物，所以用純鋁進(jìn)行的焊接比用受污染的鋁或含有氧化鋁的鋁進(jìn)行的焊接具有更高的抗拉強(qiáng)度。由于金屬焊縫在建造后承擔(dān)著建造項(xiàng)目的整體安全性和耐久性的責(zé)任，因此所使用的焊縫必須盡可能堅(jiān)固，以防止意外的結(jié)構(gòu)損壞。
4. 高質(zhì)量：
如果經(jīng)培訓(xùn)的焊接員工清潔過他們的鋁材，這會順利得到高質(zhì)量的焊接過程，并且高質(zhì)量的焊接工作比劣質(zhì)焊接工作得到更高的報(bào)酬和獎(jiǎng)勵(lì)。對于喜歡為自己的工作感到自豪的人來說，高質(zhì)量的焊接工作也是必不可少的，尤其是他們用自己的雙手建造的作品。
圖源：天躍化學(xué)
焊接前鋁表面清潔的通用方法
前面講了，焊接前清洗鋁對于確保最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固至關(guān)重要。有兩種方法可以為焊接做好接頭準(zhǔn)備。
1. 對鋁進(jìn)行脫脂以去除水分和殘留污染物
去除影響焊縫有效性的油、油脂、空氣中的灰塵或濕氣。雖然您可以使用抹布擦去油脂或油，但這不是一種有效的方法，而且您最終可能會將油擴(kuò)散到金屬的其他部分。為確保您已去除所有雜質(zhì)，請考慮使用堿性溶液和有機(jī)溶劑等液體脫脂劑。例如包括甲苯、甲乙酮、丙酮和漆稀釋劑。避免含有酒精的液體。
2. 清洗氧化層，可以自動化（激光）去除，可以機(jī)械（手動擦洗）去除
您要焊接前清潔鋁材，請收集以下物品：
用于對鋁進(jìn)行脫脂的溶劑或堿性清潔液：有多種選擇，包括普通洗潔精，但丙酮和清漆稀釋劑是流行的選擇。
氧化物去除噴霧（或醋）：商業(yè)上的氧化物去除溶液可以是瓶裝物質(zhì)或氣溶膠噴霧，但普通白醋也可用于去除鋁表面的氧化。
幾塊干凈、新鮮的超細(xì)纖維抹布（不要使用普通的編織抹布）：您需要抹布擦拭鋁以在潮濕時(shí)清潔它，并在清潔和脫氧完成后使用新鮮抹布徹底擦干鋁。使用過的普通抹布，即使已經(jīng)洗過，也不適合這項(xiàng)任務(wù)，因?yàn)樗鼈儾焕趯⒂秃吞細(xì)浠衔锏任廴疚镛D(zhuǎn)移到鋁的表面。
不銹鋼軟毛鋼絲刷：
在對一塊鋁進(jìn)行脫脂并用醋或脫氧溶液浸泡后，您需要使用鋼絲刷輕輕擦去鋁表面上的任何氧化跡象。選擇帶有軟毛的刷子以避免劃傷鋁。您可以找到手動和電動兩種不銹鋼鋼絲刷。
熱水：
許多用于清潔鋁的堿性溶液需要將鋁浸入熱水中以獲得最佳效果。準(zhǔn)備一盆熱水用于清潔鋁材，并配有用于沖洗的噴霧附件是理想的選擇。
棕色牛皮紙：
如果您不打算立即焊接一塊清潔過的鋁，建議將鋁包裹在棕色牛皮紙中，以防止它再次變臟或進(jìn)一步氧化。如果要立即進(jìn)行焊接，則可以安全地跳過此步驟。但是對于將要存放幾天的任何鋁材，都應(yīng)該將其包裹起來，以降低在清潔和準(zhǔn)備鋁時(shí)進(jìn)行的所有艱苦工作。
包裝膠布：
如果您決定將清潔過的鋁包裹起來供以后焊接使用，則需要用包裝膠帶將棕色牛皮紙固定在鋁上。確保沒有包裝膠帶接觸鋁的表面，因?yàn)檫@會破壞在焊接前清潔鋁的污染物的目的。
焊接前鋁表面清潔的高效方法
手動清洗固然很好，但很耗時(shí)。鍛造企業(yè)都采用人工去除氧化皮，而且清洗程度還不是那么干凈，無法保證氧化皮完全去除。對于許多焊工來說，尋找替代方法對于減少手動清潔時(shí)間至關(guān)重要。如果您的鋁材需要批量處理，當(dāng)面臨清除過程艱難、溫度高、耗費(fèi)時(shí)間長的問題時(shí)，可以選擇激光清洗，機(jī)器人清洗系統(tǒng)，以及電化學(xué)焊接清潔器。
1. 激光清洗去除氧化物
激光清潔，也稱為激光氧化物去除，可一次性去除所有類型的污染物。當(dāng)激光束照射到鋁表面時(shí)，油脂、油、污垢和氧化鋁都會蒸發(fā)成灰塵和煙霧。激光發(fā)送適量的能量來去除這些污染物，而不會在鋁中引入雜質(zhì)。正如焊接激光清潔的報(bào)告所示，激光清潔顯著減少了焊接接頭中孔隙的數(shù)量和大小。
鋁合金焊前激光清洗前后對比 | 圖源昆山創(chuàng)研科技
2. 智能機(jī)器人適用極端工作環(huán)境的清洗
如果您有足夠的預(yù)算，可以購置一套協(xié)作機(jī)器人，自動化比預(yù)期更容易。如果您還要焊接大量鋁制部件，這種智能化的機(jī)器人可以替您減輕手動焊工的負(fù)擔(dān)，并將其用于更苛刻的任務(wù)。即使在潮濕環(huán)境下，也能防水且耐受多種化學(xué)溶液，適應(yīng)酸性和堿性環(huán)境，適用于低壓和高壓清洗、極高壓去毛刺、去油脂、沖洗和干燥應(yīng)用。
圖源：Staubli
3. 電化學(xué)焊接清洗器
如果您不想對清洗機(jī)器人進(jìn)行投入，購置小型的電化學(xué)焊接清洗器也不錯(cuò)。它輕巧緊湊，專為日常車間使用而設(shè)計(jì)。電解清洗機(jī)采用獨(dú)特的電解化工藝，使用旋轉(zhuǎn)刷機(jī)械去除氧化物。在清除不銹鋼表面氧化著色層、除油脫脂的同時(shí)，能迅速恢復(fù)其表面原有光澤。還能清除焊接后金屬表面的變色、熱色和氧化物。沒有危險(xiǎn)的研磨粉塵和酸洗膏產(chǎn)生的危險(xiǎn)煙霧。
電解焊縫清洗設(shè)備。對金屬表面進(jìn)行電化學(xué)清洗、鈍化、拋光和打標(biāo)，比有害的酸洗和手工打磨更安全、更方便。 圖源：Cougartron
在調(diào)查焊接故障時(shí)，表面清潔度應(yīng)與焊接參數(shù)和幾何形狀同等考慮。當(dāng)直接從之前的過程中處理時(shí)，鋁制部件可能感覺不到它們涂有潤滑劑，但存在足夠的碳?xì)浠衔飦硖峁┙】档臍錃夤?yīng)。這種氫氣在高溫下準(zhǔn)備釋放，然后會想要遷移通過焊接熔池并在熔池立即冷卻時(shí)被困住。
大量來源可以幫助建立制造和焊接鋁組件的流程，包括姊妹工廠、零件清洗系統(tǒng)供應(yīng)商以及可能已經(jīng)提供其他金屬切削液的常駐化學(xué)品供應(yīng)商。像加工和焊接過程一樣小心地引入和處理清洗過程將確保無縫的生產(chǎn)線，并立即實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)。
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