第五章_鋁合金焊接

1、第五章 鋁及其合金的焊接5-1 鋁及其合金的類型與特性一、 工業(yè)純鋁的特性含Al99%，F(xiàn)e、Si雜質(zhì)（Al-Fe-Si三元合金，面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)）熔點(diǎn)=660，耐蝕性良好，強(qiáng)度低，塑性好。二、 鋁合金的合金化及其特性焊接結(jié)構(gòu)中主要應(yīng)用的是變形鋁合金，應(yīng)用最為廣泛的是非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金（LF）鑄造Al只在結(jié)構(gòu)缺陷焊補(bǔ)時(shí)遇到。（只討論變形鋁合金） 一） 非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金耐蝕性良好，主要為固溶強(qiáng)化。1 Al-Mn系（LF21、3003）（含Mn量為1.01.6%）2 Al-Mg系（LF26、5000系列）Mg的固溶強(qiáng)化作用大于MnMg，強(qiáng)度，脆性相（Mg2Al3），耐蝕性。二） 時(shí)效強(qiáng)化鋁合金最為典

2、型的是LY系列和LC系列，LD系列1 硬鋁（LY系列，2000系列）1）LY12（Al-Cu-Mg系）應(yīng)用最早，2024（美） a主要強(qiáng)化相：（CuAl2），S相（Al2CuMg）， 其次：T相（CuAl5Mg5），相（Mg2Al3）。 b元素的作用 c缺點(diǎn)：（1） 耐蝕性不良，采用包鋁，但強(qiáng)度降低（2） 固溶強(qiáng)化溫度范圍窄（495503）易過燒與強(qiáng)化效果不佳。（3） 焊接裂紋傾向大2）LY16（Al-Cu-Mn系列，2219）為改善材料焊接性而設(shè)計(jì)Mg降低Al-Cu合金中的溶解度，提高脆性和凝固裂紋傾向，用Mn代替（見上圖）2 超硬鋁（LC，Al-Zn-Mg系列，7000系列）1） 特點(diǎn)：A

3、l-Zn-Mg-Cu系，強(qiáng)度最高，缺口敏感性高、耐蝕性低。2） 焊接性差，熔化焊接裂紋傾向大，接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材。焊接接頭：b=309Mpa，=34%母 材：b=536Mpa，=7%3） 耐蝕性降低：Zn、Mg含量增加3 Al-Zn-Mg合金（7475，7005）1）優(yōu)點(diǎn)：a取消Cu，b，但是，焊接性能優(yōu)異！b焊接裂紋傾向性c良好的自然時(shí)效性能，接頭b可以恢復(fù)到母材水平2）缺點(diǎn)：應(yīng)力腐蝕開裂敏感性大，Zn+Mg，耐蝕性，總量應(yīng)該低于7.5%。Zn在45%；Mg=13.5%，較為理想，常加入Cr、Mn、Ti、Zn細(xì)化晶粒。三、 鋁合金的耐蝕性耐酸不耐堿；一般，其總體上耐蝕性較好，保護(hù)膜一旦被破

4、壞（局部破壞），腐蝕加劇。尤其是冷作硬化態(tài)。當(dāng)Al及其合金存在雜質(zhì)或者析出相時(shí)，由于相間電極電位差，促使產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。注意：既要保證強(qiáng)度，又要提高耐蝕性。四、 鋁合金的物理性能導(dǎo)熱系數(shù)與線脹系數(shù)都很大，其密度較小。5-2 鋁及其合金的焊接性鋁及其合金焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，例如高速客車車體，儲(chǔ)油罐等。對(duì)其進(jìn)行焊接時(shí)，存在以下問題：1 焊縫中的氣孔；2 焊接熱裂紋； 主要問題3 接頭的“等強(qiáng)性”；4 變形；（材料線脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性強(qiáng)，傳熱快，HAZ較寬）5 焊縫夾雜；（Al2O3熔點(diǎn)高，達(dá)2050，但密度與Al相近） 次要問題 6 焊接未熔合（表面難熔氧化物+材料傳熱快）一、 焊縫中的氣孔一） 形成

5、氣孔的特點(diǎn)主要是H2氣孔。H來源于弧柱氣氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，特別是表面氧化膜中吸附的水分！1 弧柱氣氛中水分的影響（潮濕的空氣、保護(hù)氣氛）該氣孔具有白亮內(nèi)壁的特征。1) 原理 由圖11-4，在平衡狀態(tài)下，液態(tài)Al中溶解度為0.69ml/100g, 凝固點(diǎn)的溶解度為0.036ml/100g，相差約20倍， 而鋼的相差約2倍。溶解度變化的實(shí)際冷卻線為abca b：冷卻速度大，氣泡在液體凝固之前聚合上浮，被擱淺，形成粗大的“皮下氣孔”；a b：冷卻速度小，氣泡在液體凝固之前聚合浮出，不致產(chǎn)生氣孔。b c：冷卻速度大，結(jié)晶條件下，凝固點(diǎn)的氫的溶解度發(fā)生突變，枝晶交互生長，聚合的氣

6、孔生長受限，限制在枝晶前沿，沿枝晶層狀線分布，難以浮出，即“結(jié)晶層孔”b c：冷卻速度小，氣孔少。 2）不同的合金系統(tǒng)，對(duì)水分的敏感性不同（見圖11-5） 3）不同的焊接方法，敏感性不同MIGTIG （同樣的氣氛條件下）AMIG：細(xì)絲熔滴小，比表面積很大，弧柱溫度高于熔池，利于吸氫；B熔池深度大于TIG方法的深度，利于氣孔浮出。2 氧化膜中水分的影響（已限制弧柱水分的影響） 焊絲或工件的氧化膜中所吸附的水分將是生成焊縫氣孔的主要原因。 MgO，形成的氧化膜不致密，而純Al的氧化膜非常致密，吸水性差。MIG焊接方法：焊絲表面氧化膜的清理情況對(duì)H的影響較大，對(duì)Al-Mg合金焊絲，其影響更顯著，氣孔

7、傾向。坡口氧化膜被迅速溶化掉，水分排除，影響小。 TIG焊接方法：在熔透不足時(shí)，母材坡口端部未除凈的氧化膜所吸收的水分，是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。 焊前嚴(yán)格去除氧化膜。 而母材表面養(yǎng)化膜也會(huì)在近縫區(qū)引起“皮下氣孔”（Al-Mg合金）二） 防止焊縫氣孔的途徑兩方面著手：1）限制氫溶入熔融金屬（減少氫的來源）或減少熔池吸氫時(shí)間； 較為矛盾 2）盡量促使氫從熔池中逸出因而盡量限制氫的來源具有較為現(xiàn)實(shí)的意義！1 減少氫的來源1） 所有的焊接材料在使用之前必須干燥處理2） 焊前處理化學(xué)法和機(jī)械法，清除焊絲和母材表面的氧化膜。3） 坡口下端（根部）倒V型小坡口鏟根極為有利于減少焊縫氣孔的傾向。2 控制焊接

8、工藝1） 原理工藝參數(shù)的影響主要可以歸結(jié)為對(duì)熔池高溫時(shí)間的影響。T增加，氫利于逸出，也利于氫的溶入T減少，減少氫的溶入，但不利于其逸出。 矛盾，必須調(diào)整適當(dāng)2） 對(duì)TIG焊接，一方面盡量采用小線能量，減少熔池存在時(shí)間一方面，應(yīng)該充分保證根部熔透，利于氣泡浮出大電流高焊接速度比較有利。3) MIG焊（焊絲氧化膜的影響更為主要） 一般希望增大溶池存在時(shí)間以利氣泡的逸出 圖118 VH E線 有利于氣孔 圖119 對(duì)薄板影響大V冷對(duì)焊縫的氣體含量有較明顯的影響 必要時(shí)可采用預(yù)熱辦法VH，以利氣體逸出4） 混合氣體保護(hù)焊（P412）二、焊接熱裂紋 焊接金屬和近縫區(qū)發(fā)現(xiàn)的熱裂紋主要是凝固裂紋，也可在近縫

9、區(qū)見到液化裂紋一） 化合金焊接熱裂紋的特點(diǎn)1 易熔共晶體的存在，是焊縫產(chǎn)生凝固裂紋的重要原因2 Al合金，線脹系數(shù)大，比鋼大1倍，在拘束條件下焊接易產(chǎn)生大反應(yīng)，促使裂紋傾向原因（鋁合金屬于典型的共晶型合金）分析圖1110 易熔共晶成薄膜狀展開于晶界上時(shí)，必促使晶體分離，合金的熱裂傾向易熔共晶成球狀聚集在晶粒頂點(diǎn)間時(shí)，裂紋傾向。3 近縫區(qū)“液化裂紋”，亦是晶間易熔共晶存在有聯(lián)系（因偏折而形成）。 二)防止焊接熱裂紋的途徑 對(duì)于焊縫金屬的凝固裂紋，主要是通過合理選定焊縫的合金成份，并配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥磉M(jìn)行控制。1 焊縫合金系統(tǒng)的影響1） 調(diào)整成份的的著眼點(diǎn)：在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶T區(qū)間

10、，一般都是使主要合金元素含量超過Xm，以便能產(chǎn)生“愈合”作用。 有點(diǎn)類似于2520半耐熱鋼中雙相組織r+B1的B偏折與Fe Ni形成低熔共晶a） LT1絲抗裂對(duì)于一些裂紋傾向大的硬鋁之類的高強(qiáng)的合金，在原合金系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整以改善抗裂，不見效。不得不利用Si5的ALSi合金焊絲（LTI）,可形成較多的易熔共晶，流動(dòng)性好（愈合作用）抗裂性，b， 。b） 不同母材匹配不同焊絲，具不同的裂紋傾向 （圖1112）分析匹配情況 （圖1113Cu與Mg含量對(duì)AL-Zn-Mg熱裂的影響）。b（如6070 硬Al， LC系列，裂紋傾向）2變質(zhì)劑的影響 Ti ， Zr， V， B 微量元素，細(xì)化晶粒，ak.抗裂性

11、。 與AlTi形成一系列包晶反應(yīng)，生成難熔質(zhì)點(diǎn)（非自發(fā)凝固形核）， Al3Ti.Al3Zr，AlB2非自發(fā)凝固形格3、 焊接工藝參數(shù)的影響影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變?cè)鲩L速度，從而影響裂紋的產(chǎn)生。熱量集中的焊接方法，利于快速焊接，防止粗大的柱狀晶，抗裂性IH減小熔池過熱，抗裂性 VH，接頭的應(yīng)變速率 熱裂傾向 （大部分Al合金的裂紋傾向都比較大）熔合比大時(shí)，裂紋傾向（IH也是不利的.IH.熔合比）三焊接接頭的“等強(qiáng)性” 表1115典型的化合金焊接接頭母材的力學(xué)性能，可看出以下規(guī)律。1 非時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金 LF3（Al-Mg）退火態(tài)焊接：接頭與母材等強(qiáng)冷作硬化態(tài)

12、焊接：接頭強(qiáng)度低于母材，即有軟化現(xiàn)象。2 時(shí)效強(qiáng)化鋁合金 除了Al-Zn-Mg合金，均接頭母材而Al-Zn-Mg合金，焊接后自然時(shí)效時(shí)間越長，接頭強(qiáng)度顯著提高到接近母材水平。 所有時(shí)效強(qiáng)化的化合金，焊后不論處理否。接頭母材強(qiáng)度3 焊接時(shí)的不等強(qiáng)性，說明接頭存在軟化現(xiàn)象或有薄弱環(huán)節(jié)。 焊縫鑄造組織 焊接T再結(jié)晶（2003000C），產(chǎn)生明顯軟化（圖1116）軟化區(qū)，接頭明顯。（圖1117）接頭的軟化主要取決于加熱的T峰值，V冷影響不大。冷作硬化程度，軟化。二） 時(shí)效強(qiáng)化化合金的軟化問題1 問題主要是HAZ“過時(shí)效”軟化問題。2 影響因素：其嚴(yán)重程度決定于合金第二相的性質(zhì)，也與焊接熱循環(huán)特性有一定

13、關(guān)系，第二相易于脫溶解出并易于聚集長大，越易發(fā)生“過時(shí)效”。比較Al-Cu-Mg的自然時(shí)效 （圖1118，圖1119）3 采取措施1） 防止HAZ區(qū)軟化，宜采用小的焊接線能量2） 如果焊接后可以完全熱處理，則在固溶或退火態(tài)焊接較好。五、 焊接接頭的耐蝕性1 規(guī)律：接頭的耐蝕性一般都低于母材。 熱處理強(qiáng)化的合金焊接接頭的耐蝕性降低尤為明顯，則采用可包鋁提高耐蝕性。2 原因（影響因素）1） 主要與接頭的組織不均勻有關(guān)（尤其有析出相），可使接頭各部位的電極電位產(chǎn)生不均勻性。2） 焊縫金屬的純度和致密性是影響接頭耐蝕性因素之一。雜質(zhì)晶粒長大，脆性相析出，耐蝕性。3） 焊接應(yīng)力更是影響耐蝕性的敏感因素。

14、3 改善焊接接頭的耐蝕性措施1） 改善接頭組織的成分的不均勻性（焊縫合金化、細(xì)化晶粒，焊后熱處理，HAZ，防止過熱）2） 消除焊接應(yīng)力（局部表面拉應(yīng)力，可以采用局部錘擊消除）3） 采取保護(hù)措施（陽極氧化處理或涂層）5-3 Al及其合金的焊接工藝特點(diǎn)一、焊接工藝的一般特點(diǎn)1從物理性能方面的特點(diǎn)考慮 鋁及其合金導(dǎo)熱性好、熱容量和線脹系數(shù)大、熔點(diǎn)低、高溫強(qiáng)度低，焊接困難；焊接時(shí)無顏色變化，難以確定焊接的坡口是否熔化，焊接操作難；Mg、Zn、Mn易蒸發(fā)，影響接頭性能。1） 焊接熱源必須集中，以保證熔合良好；2） 要采用墊板和夾具，以保證裝配質(zhì)量，防止變形；2從化學(xué)性質(zhì)上考慮 難熔氧化物易于形成夾雜物，

15、而且還因?yàn)槲账衷斐珊缚p氣孔的產(chǎn)生。1） 焊接之前嚴(yán)格清理焊絲和母材表面的氧化膜；2） 加強(qiáng)保護(hù)，利用“陰極霧化”清理作用；（cleaning action）3） 氣焊或其他熔化焊接方法，需用釬劑（氯化物等），具有腐蝕性，焊后應(yīng)該立即徹底清除殘?jiān)?接頭形式及坡口準(zhǔn)備工作1） 手工焊接：厚度低于34mm內(nèi)，自動(dòng)焊接：6mm以內(nèi)不開坡口；2） 厚度低于3mm的接頭，可以卷邊焊接。主要考慮能夠充分而有效的去除氧化膜。二、焊接方法的選用薄件仍可以采用氣焊（需焊劑），大厚度鋁件則采用電渣焊接有效。氬弧焊接：薄板多用TIG焊接； 大于3mm多用MIG焊接。1TIG焊接方法 采用雙層氣體保護(hù) 一般采用交

16、流電源； 研究用于大厚度鋁合金焊接的直流正接TIG焊（熔深大、成型好，氣孔傾向?。?2MIG焊接法（DCRP）IH一般大于臨界電流值，獲得穩(wěn)定的噴射過渡電弧過程；板厚小于3mm，必須采用很細(xì)的焊絲，送絲難，一般不用MIG焊接；熔化極脈沖氬弧焊焊接薄板，1.62.0mm構(gòu)件 熱作用小，適于焊接熱處理強(qiáng)化鋁合金。IH大于300400A，焊縫表面易于產(chǎn)生“皺皮”（Purkering） 采用雙層氣體保護(hù)焊接可以解決。3焊接工藝參數(shù)的確定 主要根據(jù)接頭的尺寸、形狀和焊縫成型的要求，也必須考慮對(duì)氣孔、裂紋和HAZ軟化的影響。 IH與VH必須緊密的配合。1）TIG焊接：鎢極一定，IH，VH，氣體流量與焊接速度應(yīng)該相應(yīng)的調(diào)整， 功率一定，焊接速度與焊接厚度有關(guān)。2）MIG焊接：VH可以大范圍變動(dòng)，0.151.5mm/min; V送絲可以更大范圍變動(dòng)，1.110mm/min; IH 必須適當(dāng)，關(guān)鍵是確定臨界電流； 層間溫度，接頭，微裂紋傾向規(guī)律：Ic=75ds+20IH一定，V送絲=V熔化V送絲，粘絲現(xiàn)象