不洁表面=铝焊接的定时炸弹？！铝焊缝里到底藏着多少隐患？
汽车轻量化成为使命，汽车制造商越发对轻质材料情有独钟，以寻求降低能耗和最小化腐蚀风险。汽车设施从钢转向铝材，这些铝材组件是需要焊接冲压或机加工的。
然而，将钢焊接技术应用于铝焊接时，事情就不是那么简单了。虽然铝焊接本身是最主要的任务，但必须满足一个前提条件——保证焊接铝材表面的清洁度。
对于从钢焊接工艺过渡到铝焊接工艺的设施，焊接前的表面处理是必须考虑的因素。不单单对于汽车制造而言，对精密工具制造、造船、轨道交通、航天航空、大型机械制造等行业的焊接准备中都会清洁钢和铝表面。这也意味着过去从不需要零件清洗机的工厂将不得不将零件清洗系统集成到他们的制造过程中。
无论财务上允不允许，或者您愿不愿意，都有必要在焊接前做好足够的表面准备以确保良品率——相信您不愿意看见OEM未能完成所需的每日产量的罚款，以及大量废品次品的出现。
图源：Hoganas
铝与钢焊接
焊接钢和铝之间的根本区别在于铝具有更高的电阻和熔化温度。熔池中较高的温度会产生足够的热能来增加氢的溶解度和扩散率。
相对于快速冷却速度而言，热影响区中氢的流动速度较慢，这会导致焊件中氢浓度过高，导致焊缝出现气孔或开裂。如果存在固体污染物，这些条件也会产生闪蒸。
铝污染物的主要类型
从大规模零售制造铝到达焊接工作室，铝会暴露在几种主要类型的污染物中。这些污染物可分为三大类：
1. 湿气：
由于铝的氧化速度极快，这意味着必须尽可能地使其远离湿气。铝在运输条件下和到达工作地的储存条件下都可能暴露在潮湿环境中。这种湿气可能来自直接暴露，例如泄漏到空气中的环境湿气中。由于冷凝，铝也可能遭受直接的水分损坏。这经常发生在湿度不受控制的存储区域，因为存储中的温度波动会导致水在铝表面凝结。
2. 润滑剂：
建筑材料通常涂有润滑剂或其他油，以增加它们的视觉吸引力，并保护它们免受湿气的损害。不幸的是，如果在焊接过程中燃烧，这些润滑剂和油会释放出化学物质，从而在焊缝中产生缺陷。如果长时间留在铝上，这些润滑剂也会通过释放碳氢化合物引起氧化。
3. 氧化物：
氧化铝是铝暴露于水分和氧化物或锈蚀时形成的物质。这种锈迹比纯铝合金具有更高的熔点，因此焊接工作将更加困难。铝合金的熔点为12000F，而氧化铝的熔点为37000F。
如您所见，如果铝在使用前生锈，要使其熔化要困难得多。氧化不仅使焊接本质上变得更加复杂，而且还会导致焊缝中出现多种氧化物夹杂类型的缺陷，使整个工作质量降低，更容易出现结构故障。
虽然这些是铝可能受到的主要污染物类别，但仍不排除其他被列清单的污染物：油或者油脂、墨水、润滑脂、颗粒污垢。
许多东西在焊接前都会弄脏和污染铝，这种污染物的存在会对焊接质量产生严重的持久影响。这就是为什么在焊接前对铝进行脱脂和脱氧如此重要的原因。
图源：佳昊凯瑞
脏铝焊缝的缺点
如果您不严格监管或者不将铝焊接前的清洗任务列入计划清单，您手下的焊工可能会跳过焊接前清洁铝的步骤，他们这样做是不耐烦且愚蠢的。尝试焊接脏铝涉及许多风险，包括：
1. 不稳定的电弧：
行为不当的电弧往往会飞溅并将焊渣移动到难以去除的焊缝远边缘。不稳定的电弧会导致焊接工作丑陋且不专业。它们还使焊接本身的任务更难以控制。
2. 附加电阻：
附加电阻会增加焊接中的热量，并可能导致焊接表面变得太宽。
3. 烟灰：
烟灰是由氧化物和其他污染物在铝表面燃烧引起的。当在焊接部位产生烟灰时，这会在焊接部位造成难看的黑色缺陷，而不是漂亮的光滑银色边框。
4. 未熔合：
铝焊缝中的污染物会导致严重的未熔合问题，甚至在某些情况下会导致焊缝部位结构失效（或至少无法通过产品验收）。
清洁表面对焊接的重要性
但如果您对您的工程师耐心讲述焊接前专业的清洗知识并完成细致的培训，相信您交货的铝制产品会超出客户的期盼。因为，在精细化制造要求下，清洁度一定意义上决定了您的焊接任务程度与否。清洁的表面助于实现成功焊接：
1. 一致性：
清洁焊接材料在制造实验室中提供了一定程度的一致性，并允许您将铝用作焊接性能的控制变量。
2. 无孔隙率：
孔隙率是由碳氢化合物或氧化等污染物焊接到金属中引起的金属表面质量缺陷。如果金属变得有多孔，它会形成结构较差的接头，如果金属在焊接部位有足够的多孔，则该接头甚至可能因此而失效。但如果铝是干净的，焊缝就不会有隐藏的缺陷，接头应该能按预期工作。
3. 高强度：
因为没有污染物，所以用纯铝进行的焊接比用受污染的铝或含有氧化铝的铝进行的焊接具有更高的抗拉强度。由于金属焊缝在建造后承担着建造项目的整体安全性和耐久性的责任，因此所使用的焊缝必须尽可能坚固，以防止意外的结构损坏。
4. 高质量：
如果经培训的焊接员工清洁过他们的铝材，这会顺利得到高质量的焊接过程，并且高质量的焊接工作比劣质焊接工作得到更高的报酬和奖励。对于喜欢为自己的工作感到自豪的人来说，高质量的焊接工作也是必不可少的，尤其是他们用自己的双手建造的作品。
图源：天跃化学
焊接前铝表面清洁的通用方法
前面讲了，焊接前清洗铝对于确保最终产品的结构坚固至关重要。有两种方法可以为焊接做好接头准备。
1. 对铝进行脱脂以去除水分和残留污染物
去除影响焊缝有效性的油、油脂、空气中的灰尘或湿气。虽然您可以使用抹布擦去油脂或油，但这不是一种有效的方法，而且您最终可能会将油扩散到金属的其他部分。为确保您已去除所有杂质，请考虑使用碱性溶液和有机溶剂等液体脱脂剂。例如包括甲苯、甲乙酮、丙酮和漆稀释剂。避免含有酒精的液体。
2. 清洗氧化层，可以自动化（激光）去除，可以机械（手动擦洗）去除
您要焊接前清洁铝材，请收集以下物品：
用于对铝进行脱脂的溶剂或碱性清洁液：有多种选择，包括普通洗洁精，但丙酮和清漆稀释剂是流行的选择。
氧化物去除喷雾（或醋）：商业上的氧化物去除溶液可以是瓶装物质或气溶胶喷雾，但普通白醋也可用于去除铝表面的氧化。
几块干净、新鲜的超细纤维抹布（不要使用普通的编织抹布）：您需要抹布擦拭铝以在潮湿时清洁它，并在清洁和脱氧完成后使用新鲜抹布彻底擦干铝。使用过的普通抹布，即使已经洗过，也不适合这项任务，因为它们不利于将油和碳氢化合物等污染物转移到铝的表面。
不锈钢软毛钢丝刷：
在对一块铝进行脱脂并用醋或脱氧溶液浸泡后，您需要使用钢丝刷轻轻擦去铝表面上的任何氧化迹象。选择带有软毛的刷子以避免划伤铝。您可以找到手动和电动两种不锈钢钢丝刷。
热水：
许多用于清洁铝的碱性溶液需要将铝浸入热水中以获得最佳效果。准备一盆热水用于清洁铝材，并配有用于冲洗的喷雾附件是理想的选择。
棕色牛皮纸：
如果您不打算立即焊接一块清洁过的铝，建议将铝包裹在棕色牛皮纸中，以防止它再次变脏或进一步氧化。如果要立即进行焊接，则可以安全地跳过此步骤。但是对于将要存放几天的任何铝材，都应该将其包裹起来，以降低在清洁和准备铝时进行的所有艰苦工作。
包装胶布：
如果您决定将清洁过的铝包裹起来供以后焊接使用，则需要用包装胶带将棕色牛皮纸固定在铝上。确保没有包装胶带接触铝的表面，因为这会破坏在焊接前清洁铝的污染物的目的。
焊接前铝表面清洁的高效方法
手动清洗固然很好，但很耗时。锻造企业都采用人工去除氧化皮，而且清洗程度还不是那么干净，无法保证氧化皮完全去除。对于许多焊工来说，寻找替代方法对于减少手动清洁时间至关重要。如果您的铝材需要批量处理，当面临清除过程艰难、温度高、耗费时间长的问题时，可以选择激光清洗，机器人清洗系统，以及电化学焊接清洁器。
1. 激光清洗去除氧化物
激光清洁，也称为激光氧化物去除，可一次性去除所有类型的污染物。当激光束照射到铝表面时，油脂、油、污垢和氧化铝都会蒸发成灰尘和烟雾。激光发送适量的能量来去除这些污染物，而不会在铝中引入杂质。正如焊接激光清洁的报告所示，激光清洁显著减少了焊接接头中孔隙的数量和大小。
铝合金焊前激光清洗前后对比 | 图源昆山创研科技
2. 智能机器人适用极端工作环境的清洗
如果您有足够的预算，可以购置一套协作机器人，自动化比预期更容易。如果您还要焊接大量铝制部件，这种智能化的机器人可以替您减轻手动焊工的负担，并将其用于更苛刻的任务。即使在潮湿环境下，也能防水且耐受多种化学溶液，适应酸性和碱性环境，适用于低压和高压清洗、极高压去毛刺、去油脂、冲洗和干燥应用。
图源：Staubli
3. 电化学焊接清洗器
如果您不想对清洗机器人进行投入，购置小型的电化学焊接清洗器也不错。它轻巧紧凑，专为日常车间使用而设计。电解清洗机采用独特的电解化工艺，使用旋转刷机械去除氧化物。在清除不锈钢表面氧化着色层、除油脱脂的同时，能迅速恢复其表面原有光泽。还能清除焊接后金属表面的变色、热色和氧化物。没有危险的研磨粉尘和酸洗膏产生的危险烟雾。
电解焊缝清洗设备。对金属表面进行电化学清洗、钝化、抛光和打标，比有害的酸洗和手工打磨更安全、更方便。 图源：Cougartron
在调查焊接故障时，表面清洁度应与焊接参数和几何形状同等考虑。当直接从之前的过程中处理时，铝制部件可能感觉不到它们涂有润滑剂，但存在足够的碳氢化合物来提供健康的氢气供应。这种氢气在高温下准备释放，然后会想要迁移通过焊接熔池并在熔池立即冷却时被困住。
大量来源可以帮助建立制造和焊接铝组件的流程，包括姊妹工厂、零件清洗系统供应商以及可能已经提供其他金属切削液的常驻化学品供应商。像加工和焊接过程一样小心地引入和处理清洗过程将确保无缝的生产线，并立即实现投资回报。
精彩预告
诚邀大家参加即将于2025年12月9日至11日在上海新国际博览中心举办的——第四届SurfacePME表面精密加工博览会暨同期专业论坛。
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