有色金屬的焊接(Al)

第5章有色金屬的焊接(Al)1一、鋁及其合金(變形)的類型和特性5.1鋁及鋁合金的焊接2二、鋁及鋁合金的焊接性(一)容易被氧化1、鋁易氧化生成氧化膜(A1203)，其熔點高達2050℃，遠超過鋁的熔點。Al203的密度是鋁的1.4倍，在焊接熔池中不易上浮，故導致容易形成夾渣。2、焊接鋁合金時，除鋁被氧化外，合金元素也易被氧化和蒸發(fā)；3、應對措施：由于鋁及鋁合金易被氧化，焊前必須將焊件、焊絲表面的氧化膜用化學或機械的方法清理干凈，并有效防止焊接熔池、熔滴不被繼續(xù)氧化。(二)熱導率和比熱容大

為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，必要時可采用預熱等工藝措施。

3(三)容易形成熱裂紋

熱裂紋是焊接熱處理強化鋁合金常遇到的缺陷。非熱處理強化鋁鎂合金，當接頭拘束大，焊縫成形控制不當時也會產(chǎn)生熱裂紋。常見到的熱裂紋主要是焊縫金屬的凝固裂紋，有時在近縫區(qū)可以見到液化裂紋。1．鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的原因

(1)低熔點共晶的存在是合金產(chǎn)生熱裂紋的重要原因之一。

4(2)鋁合金的線脹系數(shù)比鋼約大1倍，在拘束條件下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接應力，這也是促使鋁合金產(chǎn)生裂紋的原因之一。至于近縫區(qū)的“液化裂紋”，同焊縫的凝固裂紋一樣，也與晶間易熔共晶的存在有關(guān)。2．影響焊接熱裂紋的因素母材的合金系統(tǒng)及其具體成分，對焊接熱裂紋的產(chǎn)生有根本性的影響。對于硬鋁(Al-Cu-Mg)合金和超硬鋁(Al-Zn-Mg-Cu)合金，目前還很難采用熔焊方法得到?jīng)]有裂紋的優(yōu)質(zhì)接頭，所以一般不希望用熔焊的方法制造熱處理強化鋁合金的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。53．防止焊接熱裂紋的途徑防止鋁及鋁合金的熱裂紋最主要措施是選擇與金屬相匹配的焊接材料，同時要配合以適當?shù)暮附庸に嚒?1)選擇適當?shù)奶畛浣饘伲{(diào)整焊縫的化學成分

對于特定的鋁合金，正確的選擇焊絲是防止熱裂紋的關(guān)鍵。常采用的方法是通過增加焊縫金屬中低熔點共晶數(shù)量，實現(xiàn)對裂紋的“愈合”作用；加人變質(zhì)劑、細化晶粒等均可提高焊縫金屬的抗裂性。6(2)合理選擇焊接方法及焊接參數(shù)

A、選用熱能集中的焊接方法，加熱、冷卻的速度快，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，使晶粒細化，因而可以改善抗裂性。采用TIG或MIG焊接時的裂紋傾向比氣焊要小得多。

B、焊接裂紋傾向較大的鋁合金時，不宜采用大焊接電流和較快的焊接速度。(3)選用拘束度較小的結(jié)構(gòu)形式可以改善抗裂性

該問題可以6A02-T6鋁合金容器法蘭環(huán)焊縫焊接裂紋的預防為例進行分析。在一個鋁-硅-鎂合金6A02-T6(LD2CS)容器的封頭上需焊接一個法蘭，法蘭為鍛件經(jīng)機械加工，通孔直徑為≯12mm，法蘭座直徑為聲60mm，容器直徑為5500mm，法蘭座與封頭對接的厚度為5mm，法蘭座環(huán)縫采用V形坡口手工TIG氬弧焊，填絲材料為SAlSi-1。7容器試制時，法蘭座環(huán)縫曾多處發(fā)現(xiàn)沿熔合線走向的焊接裂紋，經(jīng)補焊及x射線照相檢查合格后，進行液壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)該環(huán)縫提前斷裂，斷裂沿環(huán)縫內(nèi)側(cè)發(fā)展至封頭上，其外觀如圖所示。經(jīng)取樣分析可見，斷裂起源于環(huán)縫內(nèi)側(cè)背面一條長約3mm，距背面約0.2-0.5mm的裂紋經(jīng)掃描電鏡分析，裂紋性質(zhì)為近縫區(qū)母材液化裂紋。為防治環(huán)縫焊接裂紋，提高其承載能力。決定將封頭向外翻邊，法蘭的基座改為管式，內(nèi)徑≯10mm，外徑≯20mm，兩者形成管一管對接。由于結(jié)構(gòu)拘束度減小，減小了焊接應力，消除了焊接裂紋，液壓試驗一舉成功。6A02-T6小容器法蘭座環(huán)縫斷裂外貌

8(四)容易形成氣孔1．氣孔產(chǎn)生的原因

鋁及鋁合金在焊接過程中產(chǎn)生的氣孔主要為氫氣孔。焊接時，氫的來源有兩方面：一是弧柱氣氛中的水分；二是焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分。在同樣條件下純鋁氣孔傾向較鋁合金要大。92．影響氣孔產(chǎn)生的因素

物理性能；焊接方法；表面氧化膜的致密性

3．防止氣孔的措施(1)限制氫的來源：所使用的焊接材料要嚴格限制含水量。10(2)控制焊接參數(shù)：首先應該制定合理的焊接參數(shù)。鋁及鋁合金TIG焊時，應采用大電流配合以較高的焊接速度，增加對熔池的攪拌作用，保證了根部熔透，這對于減少氫氣孔是有利的。MIG焊時焊絲表面的氧化膜對氣孔的影響更大。實踐證明，MIG焊時，應當采用大電流配合以較慢的焊接速度以提高焊接熱輸入。11(４)此外還可通過調(diào)整電弧氣氛減小氣孔傾向。(3)通過板厚和接頭形式調(diào)節(jié)焊縫氣體含量。12(五)焊接接頭力學性能下降

鋁及鋁合金焊接后，存在著不同程度的接頭軟化問題，特別是硬鋁和超硬鋁合金比較嚴重，強度降低較多。131．非熱處理強化鋁合金的軟化

（1）對純鋁和防銹鋁合金，在退火狀態(tài)下焊接，如果采用與母材化學成分相近的焊絲焊接時，基本上不存在軟化問題。但在冷作硬化狀態(tài)下焊接時，加熱溫度超過一定溫度時，將發(fā)生再結(jié)晶軟化，導致接頭強度降低。（2）產(chǎn)生的原因：主要是HAZ晶粒粗大和接頭局部冷作硬化效果的減退或消失造成的。（3）解決：應采用熱量集中的焊接方法來防止粗晶區(qū)增寬。焊后冷態(tài)敲擊接頭，有一定冷作硬化效果。2．熱處理強化鋁合金的軟化

（1）焊接硬鋁及超硬鋁等熱處理強化鋁合金時，無論是退火狀態(tài)下焊接還是時效狀態(tài)下焊接，焊后不經(jīng)熱處理，其接頭強度都要低于母材。接頭性能下降區(qū)域主要在焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)。

14熱影響區(qū)的軟化主要是在焊接最高溫度作用下發(fā)生“過時效”造成的，即熱影響區(qū)第二相(強化相)脫溶析出聚集長大使強化效果消失的結(jié)果。（2）防止：宜采用較小的熱輸入，或焊后重新進行固溶和人工時效處理，才能較徹底解決軟化問題。15(六)焊接接頭耐蝕性下降

鋁及鋁合金焊接接頭的耐蝕性一般都低于母材，熱處理強化鋁合金(如硬鋁)接頭的耐蝕性降低尤其明顯。1．接頭耐蝕性降低的原因

1）接頭組織不均勻；2）焊接缺陷的存在：氣孔、夾雜、裂紋等；3）鑄態(tài)組織；4）焊縫表面氧化膜的連續(xù)性和致密性較差；5）焊接接頭中的殘余應力162．防止接頭耐蝕性降低的措施

1)通過焊縫金屬合金化細化晶粒，同時調(diào)整焊接工藝以減小熱影響區(qū)，并防止過熱，焊后熱處理對改善接頭組織有很好的效果。2)消除焊接應力，錘擊焊縫。可選用冷態(tài)錘擊和熱態(tài)錘擊。冷態(tài)錘擊能使焊縫金屬表面冷作硬化，錘擊后生成的氧化膜致密性較好，對提高耐蝕性有一定效果；熱態(tài)錘擊，即在300～750℃下錘擊，能改善焊縫金屬的鑄造組織，雖無冷作硬化，但比冷態(tài)錘擊效果好。3)通過焊后人工時效處理，有利于改善接頭耐蝕性。17焊接方法特點應用范圍氣焊設備簡單，操作方便，但火焰的熱功率較低，熱量分散，焊件變形大，生產(chǎn)率低適用于焊接質(zhì)量要求不高的薄板(0.5～10mm)結(jié)構(gòu)或鑄件的補焊焊條電弧焊電弧熱量比較集中，焊接速度快。但形成焊縫的致密性和表面粗糙度較粗，接頭質(zhì)量差實際生產(chǎn)中應用較少，僅用于板厚大于4mm且要求不高的焊件補焊及修復鎢極氬弧焊(TIG焊)有氬氣保護，熱量較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫金屬致密，接頭的強度和塑性高，可獲得優(yōu)質(zhì)接頭。但設備費用高主要用于一些重要結(jié)構(gòu)的中厚板(1-20mm)焊接熔化極氬弧焊（MIG焊）電弧功率大，熱量集中，焊接速度快，熱影響區(qū)小，生產(chǎn)效率較高，焊接質(zhì)量好。但設備費用高可用于焊厚件（δ<50mm的純鋁及鋁合金板材）三、鋁及鋁合金的焊接工藝(一)焊接方法的選擇

需要根據(jù)鋁及鋁合金的牌號、焊件厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件以及焊接接頭質(zhì)量要求等因素合理選擇。18(二)焊接材料的選擇

目前，鋁及鋁合金的焊絲可分為同質(zhì)焊絲和異質(zhì)焊絲。1．同質(zhì)焊絲

有時可以將母材上切下的板條作為填充金屬。當母材為純鋁、3A21(LF21)、5A06(LF6)、2A16(LY16)和Al-Zn-Mg合金時，可以采用同質(zhì)焊絲。

2．異質(zhì)焊絲

主要是為適應抗裂性的要求而研制的焊絲，其成分與母材有較大的差異。這種異質(zhì)焊絲有的已列入標準，有的屬于非標準。為了保證不產(chǎn)生裂紋，常不得不采用“超合金化”焊絲；但從耐蝕性考慮，往往須限定某些合金元素含量。焊絲牌號用S表示焊絲，如SAlMg-5，表示w(Mg)為5％左右的Al-Mg合金焊絲。192．焊后清理

1)將焊件放人40～50℃熱水槽中浸漬，最好用流動的熱水，用硬毛刷清刷焊縫及焊縫附近殘留熔劑、焊渣的地方，直至清除干凈。2)將焊件浸漬在質(zhì)量分數(shù)為15％-25％的硝酸溶液中，當室溫為25℃時，浸漬時間為10-15min。室溫為l0～15℃，溶液質(zhì)量分數(shù)為20％-25％時，浸漬時間為15min。3)放入溫度為40～50℃的流動熱水槽中浸漬5-10min。4)用冷水沖洗5min。5)將焊件自然干燥，也可放在干燥箱中烘干或用熱空氣吹干。(三)焊前準備和焊后清理1．焊前準備

化學清洗:效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及尺寸不大、成批生產(chǎn)的工件。機械清理:與去除氧化膜的方法相同。一般不宜采用紗布砂紙或砂輪打磨，因殘留沙子會在焊接時產(chǎn)生夾渣等缺陷。對接頭形式要考究一些(尤其氬弧焊)。20(四)焊接工藝要點1．火焰氣焊(1)適用范圍及接頭形式：一般只限在難以供應惰性氣體或缺乏電源的地區(qū)，焊接純鋁、鋁一錳合金等焊接性良好、厚度不大、質(zhì)量要求不高的焊件。氣焊鋁及鋁合金時，接頭形式最好采用對接接頭。(2)噴嘴和火焰的選用：噴嘴的大小可據(jù)焊件的厚度、坡口形式、焊接位置及焊工的技術(shù)水平而定。氣焊宜采用中性焰或乙炔稍多的微弱碳化焰，嚴禁采用氧化焰，它會使鋁氧化。

(3)氣焊操作：A、開始焊接的時機：觀察加熱表面由光亮銀白色變成暗淡的銀白色，表面的氧化膜起皺，加熱處金屬有波動現(xiàn)象時，即達熔化溫度，可以施焊；或者用蘸有熔劑的焊絲的端頭觸及加熱處，焊絲與母材能熔合時，即達熔化溫度，可以施焊；母材邊棱有倒下現(xiàn)象時，也說明母材達到熔化溫度，可以施焊。21Ｂ、預熱：氣焊厚度大于5mm以上的鋁材時，需進行預熱，預熱溫度在100-300℃之間；C、焊接方向：氣焊薄板可以采用左焊法，有利于防止熔池過熱、熱影響區(qū)金屬晶粒長大和燒穿。當母材厚度大于5mm時，可采用右焊法；D、焊炬傾角：焊接3mm以下薄壁板材及管材時，焊炬應向焊接方向后方傾斜15o至30o，焊絲向焊接方向前方傾斜40o--50o。隨著焊件溫度升高，焊炬傾角相應減小。E、焊炬擺動：為預防熔池溫度過高而發(fā)生燒穿缺陷，焊炬可作周期性的上下擺動(幅度3-4mm)。氣焊厚度大于3mm的鋁材時，應先使焊炬向焊接方向后方傾斜90o左右，隨著焊件溫度不斷升高，傾角可降至45o-70o。焊接厚度在8mm以上的焊件時，焊炬可作橫向或縱向擺動。

22(4)焊后清理：A、時間要求：氣焊后，殘留在焊縫表面及其兩側(cè)的焊劑及熔渣（會破壞鋁材表面氧化膜保護層，從而引起接頭腐蝕）應在焊后1～6h內(nèi)將其清洗去除。B、方法有下三種：

1)在60～80℃熱水中用硬毛刷從焊縫正反面仔細刷洗。

2)重要的焊件，經(jīng)上述刷洗后，再放人60-80℃、質(zhì)量分數(shù)為2％-3％的稀鉻酸水溶液中浸洗5-10min，然后用熱水沖洗并干燥。

3)先用60-80℃熱水刷洗，再用質(zhì)量分數(shù)為5％的硝酸和質(zhì)量分數(shù)為2％的重鉻酸的混合液清洗5～10min，最后用熱水沖洗、干燥。232．鎢極氬弧焊(TIG焊)

(1)適用范圍及預熱

最適于焊接厚度小于3mm的薄板，焊件變形明顯小于氣焊和焊條電弧焊。通過試驗發(fā)現(xiàn)，預熱溫度接近300℃時，接頭表面的腐蝕程度大大增加，故預熱溫度一般為150～250℃。(2)接頭與坡口形式

2425(3)焊接參數(shù)：鋁合金鎢極氬弧焊常采用交流電源。手工交流TIG焊適于焊接小尺寸焊件的短焊縫、角焊縫及大尺寸構(gòu)件的不規(guī)