有色金属焊接.ppt

6 有色金属有色金属焊接接一、概述一、概述 1 1、铝的性能特点的性能特点 密度小密度小;导电及及导热性能好性能好;抗大气腐抗大气腐蚀性好性好;塑性高塑性高;强度低度低;无磁性无磁性;无打无打击火花火花;加工工加工工艺性好等。性好等。1.铝合金的焊接 线膨膨胀系数大，比系数大，比热大，是大，是钢的的1倍；倍；比比热大，是大，是钢的的2倍；倍；密度小；密度小；晶型是面心立方，没有同素异构晶型是面心立方，没有同素异构转变，塑性好，塑性好，无低温脆性无低温脆性转变，但，但强度比度比较低。低。2.2 2、铝合金的分合金的分类按合金化系列，按合金化系列，按合金化系列，按合金化系列，铝铝及其合金分及其合金分及其合金分及其合金分为为：工工工工业纯铝业纯铝（1111系）、系）、系）、系）、铝铜铝铜合金（合金（合金（合金（2222系）、系）、系）、系）、铝锰铝锰合金（合金（合金（合金（3333系）、系）、系）、系）、铝铝硅合金硅合金硅合金硅合金（4444系）、系）、系）、系）、铝镁铝镁合金（合金（合金（合金（5555系）、系）、系）、系）、铝镁铝镁硅合金硅合金硅合金硅合金（6666系）、系）、系）、系）、铝锌镁铜铝锌镁铜合金（合金（合金（合金（7777系）。系）。系）。系）。按按按按热处热处理方式，理方式，理方式，理方式，铝铝合金分合金分合金分合金分为为：非非非非热处热处理理理理强强化化化化铝铝合金和合金和合金和合金和热热处处理理理理强强化化化化铝铝合金。前者只能合金。前者只能合金。前者只能合金。前者只能变变形形形形强强化，后者既能化，后者既能化，后者既能化，后者既能变变形形形形强强化，也可化，也可化，也可化，也可热处热处理理理理强强化。化。化。化。按按按按产产品成形方法不同，分品成形方法不同，分品成形方法不同，分品成形方法不同，分为为：变变形形形形铝铝及及及及铝铝合金、合金、合金、合金、铸铸造造造造铝铝合金合金合金合金。3.4.Cu Cu、MgMg和和MnMn能提高能提高强度，度，TiTi能能细化晶粒，化晶粒，MgMg能防止海水的腐能防止海水的腐蚀，NiNi能提高耐能提高耐热性。性。5.铝合金合金的分的分类形形变铝合金合金铸造造铝合金合金不能不能热处理理强化化铝合合金金:主要在主要在1、3、5系系列列 能能热处理理强化化铝合合金金:2、6、7和和8系列系列（合金元素及（合金元素及加工工加工工艺性）性）6.3 3、常用的、常用的铝合金合金A、防、防锈铝合金合金(LF):Al Al Mn Mn 通通过固溶固溶强化提高化提高铝合金的合金的强度和抗度和抗蚀性性 (比比纯铝好好 )。例如例如:LF21:LF21。Al Al Mg Mg 通通过固溶固溶强化提高化提高铝合金的合金的强度和抗度和抗蚀性性 (比比纯铝轻 )。例如例如:LF2:LF2、LF6LF6等。等。按化学成分和性能特点，分按化学成分和性能特点，分为防防锈铝、硬、硬铝、超硬、超硬铝和和锻铝。不能不能热处理理强化。化。7.飞机翼梁机翼梁(腹板腹板为硬硬铝合金合金)B B、硬、硬铝合金合金 (LY)(LY)Al Al Cu Cu Mg Mg 通通过时效效强化提化提铝合金合金强度度,但耐但耐蚀性不高。性不高。LY1LY1、LY11LY11、LY12LY12。C C、超硬、超硬铝合金合金 (LC)(LC)Al Al Zn Zn Mg Mg Cu Cu 通通过时效效强化和形成的化和形成的强化相化相,使使铝合金达到最高的硬度和合金达到最高的硬度和强度。但耐度。但耐蚀性性较差。差。LC4LC4、LC9LC9。飞机主起落架机主起落架8.D D、锻铝合金合金 (LD):(LD):Al Al Mg Mg Si Si Cu Cu 具有良好的具有良好的热塑性塑性,通通过固溶固溶处理和人工理和人工时效效来提高来提高铝合金的力学性能。合金的力学性能。LD5LD5、LD6LD6、LD10LD10。压气机叶片气机叶片制造形状复制造形状复杂的大型的大型锻件，如内燃机的活件，如内燃机的活塞、汽缸等。塞、汽缸等。9.铝合金的分合金的分类分分类合金名称合金名称合金系合金系性能特点性能特点牌号示例牌号示例变形形铝合合金金非非热处理理强化化铝合合金金防防锈铝Al-MnAl-Mn抗抗蚀性、性、压力加工性与力加工性与焊接性接性能好，但能好，但强度度较低低3A213A21Al-MgAl-Mg5A055A05热处理理强化化铝合金合金硬硬铝Al-Cu-MgAl-Cu-Mg力学性能高力学性能高2A112A11超硬超硬铝Al-Cu-Mg-ZnAl-Cu-Mg-Zn强度最好度最好7A047A04锻铝Al-Mg-Si-CuAl-Mg-Si-Cu锻造性能好，耐造性能好，耐热性能好性能好6A026A02Al-Cu-Mg-Fe-NiAl-Cu-Mg-Fe-Ni2A702A70铸造造铝合金合金铝硅合金硅合金Al-SiAl-Si铸造性能好，不能造性能好，不能热处理理强化，化，力学性能力学性能较低低ZL102ZL102特殊特殊铝合金合金Al-Si-MgAl-Si-Mg铸造性能良好，可造性能良好，可热处理理强化，化，力学性能力学性能较高高ZL101ZL101Al-Si-CuAl-Si-CuZL107ZL107铝铜铸造合造合金金Al-CuAl-Cu耐耐热性好，性好，铸造性能与抗造性能与抗蚀性性差差ZL201ZL201铝镁铸造合造合金金Al-MgAl-Mg力学性能高，抗力学性能高，抗蚀性好性好ZL301ZL30110.铝及其合金的牌号、成分及性能纯铝牌号以国际四位数字体系表达：如1A99表示铝的质量分数为 99.99 的原始纯铝；1B99表示铝的质量分数为 99.99的改型纯铝；1070表示杂质极限含量无特殊控制、铝的质量分数为 99.70的纯铝；11.常用的纯铝牌号有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、1200。纯铝的主要用途是代替贵重的铜合金，制作导线、电器元件及换热器件；制作各种要求质轻、导热、耐大气腐蚀但强度不高的器具；配制各种铝合金。12.变形铝合金的牌号也用四位国际字符体系来表示。例如，2A11表示铝铜原始合金；5A05表示铝镁原始合金，5B05表示铝镁改型合金。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母、或其他字母（有时也用数字）。第一位数字为29，表示变形铝合金的不同组别，其中“2”表示铝铜合金，“3”表示铝锰合金，“4”表示铝硅合金等；最后两位数字为合金的编号，没有特殊意义，仅用来区分同一组别中的不同合金；如果第二位字母为A，则表示原始合金，如果是B或其他字母，则表示原始合金的改型合金，如果是数字，则0表示原始合金，19表示改型合金。13.二、二、铝和和铝合金的合金的焊接性接性1 1、容易氧化、容易氧化 铝的化学性的化学性质活活泼，与氧的，与氧的亲和力很和力很强，在空气中极易与氧，在空气中极易与氧结合生成合生成致密的氧化致密的氧化铝（AlAl2 2O O3 3）膜，氧化膜）膜，氧化膜对焊接接过程造成以下影响：程造成以下影响：熔点高达熔点高达20502050（而（而铝只有只有600600），易形成未熔合；），易形成未熔合；密度大（密度大（AlAl2 2O O3 3为3.965g/cm3.965g/cm3 3），），约为铝的的1.41.4倍，易形成倍，易形成夹渣；渣；氧化氧化铝膜存在于熔池表面膜存在于熔池表面时，影响，影响电弧的弧的稳定燃定燃烧，阻碍，阻碍焊接接过程的程的正常正常进行；行；氧化膜氧化膜对水分有很高的吸附能力，在水分有很高的吸附能力，在焊接接时会促使会促使焊缝中生成气孔。中生成气孔。预防：防：严格清理格清理焊件表面的氧化物；件表面的氧化物；对熔池及高温区金属熔池及高温区金属应进行有效保行有效保护，防止在，防止在焊接接过程中的再氧化。程中的再氧化。14.2 2、焊接接时耗能大耗能大 铝合金的熔点合金的熔点虽低，但其比低，但其比热容高（容高（约是是钢的的2 2倍），倍），热导率大（率大（约是是钢的的3 3倍），倍），线膨膨胀系数大（系数大（约是是铁的的2 2倍）。因此，倍）。因此，焊接接铝及及铝合金合金比比焊接接钢要消耗更多的要消耗更多的热量，量，为防止防止变形，必形，必须采用能量集中、功率密采用能量集中、功率密度大的度大的热源，有源，有时还需采用需采用预热等工等工艺措施。措施。3 3、气孔、气孔倾向性大向性大 氢是是铝在熔在熔焊时产生气孔的主要原因。生气孔的主要原因。氢气孔易气孔易产生的原因：生的原因：（1 1）氢在液在液态和固和固态铝中的溶解度相差很大（近中的溶解度相差很大（近2020倍），高温下溶入的大倍），高温下溶入的大量气体，在量气体，在焊后冷却凝固后冷却凝固过程中由于溶解度的程中由于溶解度的变化要析出大量气体。化要析出大量气体。（2 2）铝和和铝合金的合金的导热能力能力强，焊后冷却速度快，不利于气体的析出；后冷却速度快，不利于气体的析出；（3 3）铝和和铝合金的密度小，气泡上浮速度慢。合金的密度小，气泡上浮速度慢。15.氢的来源：的来源：（1 1）弧柱气氛中的水分、）弧柱气氛中的水分、焊材及母材所吸附的水分；材及母材所吸附的水分；氢在在铝中的溶解度（中的溶解度（pH2=101kPa)16.铝合金合金焊接中的接中的“皮下气孔皮下气孔”（LF6LF6，TIGTIG）冷却速度很大冷却速度很大时，在凝固点以上溶解度差形成的气孔，在凝固点以上溶解度差形成的气孔虽然不多，但来不及逸出，形成粗大孤立的皮下气孔。然不多，但来不及逸出，形成粗大孤立的皮下气孔。17.冷却速度冷却速度较小，在凝固点溶解度小，在凝固点溶解度发生突生突变，沿，沿结晶的晶的层状状线形成均布形式的形成均布形式的“结晶晶层气孔气孔”。铝合金合金焊缝中均布形式的中均布形式的“结晶晶层气孔气孔”（Al-Zn-Mg,TIGAl-Zn-Mg,TIG）18.不同合金系不同合金系对弧柱气氛中水分的影响不同：弧柱气氛中水分的影响不同：纯铝对气氛中的水分最敏气氛中的水分最敏感。感。Al-MgAl-Mg合金合金MgMg含量增高，含量增高，氢的溶解度和引起气孔的的溶解度和引起气孔的临界界氢分分压p pH H2 2随随之增大，因而之增大，因而对吸收气氛中水分不太敏感。吸收气氛中水分不太敏感。同同样焊接条件下，接条件下，纯铝焊缝产生气孔的生气孔的倾向要大些。向要大些。不同的不同的焊接方法接方法对弧柱气氛中水分的敏感性也不同：弧柱气氛中水分的敏感性也不同：MIGMIG焊时，焊丝以以细小熔滴形式通小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，大，熔滴金属易于吸收熔滴金属易于吸收氢；TIGTIG焊时，熔池金属表面与气体，熔池金属表面与气体氢反反应，因比表面，因比表面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如的条件不如MIGMIG焊时容易。同容易。同时，MIGMIG焊的熔深一般大于的熔深一般大于TIGTIG焊的熔深，也不利于气泡的浮出。所以，的熔深，也不利于气泡的浮出。所以，在同在同样的气氛条件下，的气氛条件下，MIGMIG焊时焊缝气孔气孔倾向比向比TIGTIG焊时大。大。19.（2 2）氧化膜中水分的影响）氧化膜中水分的影响 在正常的在正常的焊接条件下，接条件下，对于气氛中的水分已于气氛中的水分已严格限制，格限制，这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔气孔的主要原因。氧化膜不致密、吸水性的主要原因。氧化膜不致密、吸水性强的的铝合金（如合金（如Al-MgAl-Mg合合金），比氧化膜致密的金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔具有更大的气孔倾向。向。MIGMIG焊由于由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多。气孔的影响就小得多。纯铝焊丝表面清理方法对焊缝含氢量的影响 处理方法未处理不完全的机械刮削15%NaOH（2min）+15%HNO3（8min）+水洗干燥沸腾蒸馏水中加热1h，室内存放1d气体总量/mL100g-12.81.61.08.7氢量/mL100g-12.11.30.76.9氢体积比率(%)74.981.370.079.320.TIGTIG焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除净的氧化膜所吸附的水分是的氧化膜所吸附的水分是产生生焊缝气孔的主要原因。气孔的主要原因。这种种氧化膜不氧化膜不仅提供了提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着。的来源，而且能使气泡聚集附着。刚形形成熔池成熔池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，则氧化膜中水分因受氧化膜中水分因受热而分解出而分解出氢，并在氧化膜上萌生气泡；，并在氧化膜上萌生气泡；由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡是在熔化早期形成的，有条件是在熔化早期形成的，有条件长大，所以常造成集中的大气大，所以常造成集中的大气孔。孔。这种气孔在种气孔在焊缝根部未熔合根部未熔合时就更就更严重。坡口端部氧化重。坡口端部氧化膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口边缘分布，内壁呈氧化分布，内壁呈氧化色，色，这是其重要特征。由于是其重要特征。由于Al-MgAl-Mg合金比合金比纯铝更易于形成疏更易于形成疏松而吸水性松而吸水性强的厚氧化膜，所以的厚氧化膜，所以Al-MgAl-Mg合金比合金比纯铝更容易更容易产生生这种集中的氧化膜气孔。因此，种集中的氧化膜气孔。因此，焊接接铝镁合金合金时，焊前前须仔仔细清除坡口端部的氧化膜。清除坡口端部的氧化膜。21.铝合金的焊接 焊缝气孔的影响因素气孔的影响因素 1）焊接方法的影响接方法的影响 MIG焊时，焊丝以以细小熔滴形式向熔池小熔滴形式向熔池过渡，渡，弧柱弧柱温度高，熔滴比表面温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸大，熔滴易于吸氢；TIG焊时，主要是熔池金属表面与，主要是熔池金属表面与氢反反应，比表面，比表面积小，熔池温度小于弧柱，吸小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如条件不如MIG有利；有利；另外，另外，MIG焊熔池深度大于熔池深度大于TIG焊，不利于，不利于氢气泡的气泡的逸出。逸出。22.铝合金的焊接 2）极性的影响）极性的影响 TIG焊时，直流反接，具有阴极，直流反接，具有阴极雾化作用，可以避免化作用，可以避免氢的的产生，但生，但钨极易极易烧损，形成缺陷；正接，形成缺陷；正接时无阴极无阴极雾化作用，化作用，熔深大，熔深大，对气泡逸出不利，所以采用交流。气泡逸出不利，所以采用交流。MIG焊时，采用直流反接，无阴极，采用直流反接，无阴极雾化作用，也没有化作用，也没有钨极极烧损。23.铝合金的焊接 3）焊接工接工艺参数参数 焊接接规范主要影响熔池在高温的停留范主要影响熔池在高温的停留时间，从而，从而对氢的溶入的溶入时间和析出和析出时间产生影响。生影响。TIG焊时，采用小，采用小线能量，采用能量，采用较大的大的规范，高的范，高的焊速，减速，减少熔池存在少熔池存在时间，减小，减小氢的溶入；的溶入；MIG焊时，焊丝氧化膜的影响更氧化膜的影响更为显著，不能通著，不能通过减少熔池减少熔池时间来防止来防止氢向熔池的溶入，所以通向熔池的溶入，所以通过降低降低焊速和提高速和提高焊接接线能能量来增大溶池存在量来增大溶池存在时间，有利于减少，有利于减少焊缝中的气孔。中的气孔。24.铝合金的焊接 4）保）保护气体中的水分和氧化性影响气体中的水分和氧化性影响 采用高采用高纯Ar或采用或采用Ar+He改改变（即提高）（即提高）热容量，改容量，改变溶池形状，使尖溶池形状，使尖“V”型型变为圆底型，延底型，延长溶池停留溶池停留时间，有利于气孔逸出；有利于气孔逸出；或者采用或者采用Ar+0.51%O2，Ar+25%CO2，增增强保保护气氛气氛的氧化性，减少的氧化性，减少氢。25.铝合金的焊接 5）表面状）表面状态的影响的影响 不同的不同的焊材、母材，其氧化膜性材、母材，其氧化膜性质不同，不同，对气气孔的影响有差孔的影响有差别。MgO疏松，易吸水，疏松，易吸水，产生气孔生气孔倾向大；向大；MnO致密，不易吸水，气孔致密，不易吸水，气孔倾向小。向小。26.铝合金的焊接 母材氧化膜引起的气孔（母材氧化膜引起的气孔（LF6LF6，TIG)TIG)27.铝合金的焊接 6）环境因素的影响境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。境因素主要是指温度和湿度。0 C以下，湿度不影响气孔的以下，湿度不影响气孔的产生；生；0 C以上，温度越高，湿度越大，越易以上，温度越高，湿度越大，越易对气孔敏感。气孔敏感。另外，表面油另外，表面油污也可以也可以导致气孔。致气孔。28.防止防止产生气孔的途径：生气孔的途径：（1 1）减少）减少氢的来源：烘干的来源：烘干焊接材料；接材料；焊前清理氧化膜等；前清理氧化膜等；（2 2）控制）控制焊接参数：即接参数：即通通过焊接参数的接参数的调整影响熔池高温存在整影响熔池高温存在时间，从而，从而影响影响氢溶入溶入时间和析出和析出时间来控制气孔来控制气孔产生生。TIGTIG焊：小：小热输入入-减少熔池存在减少熔池存在时间-减少减少氢的溶入的溶入 同同时为保保证根部熔透，需用大根部熔透，需用大电流，所以流，所以应：I I大，大，V V大；大；MIGMIG焊：水分主要来自氧化膜：水分主要来自氧化膜-增大熔池存在增大熔池存在时间-气泡析出，所以气泡析出，所以应：I I大，大，V V小，必要小，必要时预热。（3 3）改）改变弧柱气氛性弧柱气氛性质。如。如氩弧弧焊中，中，ArAr中加入少量中加入少量COCO2 2或或O O2 2，是，是氢发生氧生氧化从而减小化从而减小氢的分的分压。29.铲根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn，MIG）1未铲根 2铲根30.TIG 焊焊接参数接参数对焊缝中中扩散散氢H的影响的影响母材母材为5A06（LF6）31.MIG焊焊接参数接参数对焊缝气孔的影响气孔的影响32.4 4、焊接接热裂裂纹倾向大向大 纯铝和非和非热处理理强化化铝合金（如合金（如Al-MnAl-Mn、Al-MgAl-Mg合金等），一般是不容易合金等），一般是不容易产生裂生裂纹的。而硬的。而硬铝及大部分及大部分热处理理强化化铝合金，合金，产生裂生裂纹的的倾向向较大。大。对含有含有铜的硬的硬铝（Al-Cu-MgAl-Cu-Mg）和超硬）和超硬铝（Al-Zn-Cu-MgAl-Zn-Cu-Mg）合金，目前很）合金，目前很难用熔用熔焊方法方法获得没有裂得没有裂纹的的焊接接接接头，所以一般不能，所以一般不能选用熔用熔焊方法制造硬方法制造硬铝和超硬和超硬铝焊接接结构。构。铝及及铝合金常合金常见的的热裂裂纹主要是主要是焊缝凝固裂凝固裂纹和近和近缝区区液化裂液化裂纹。33.铝合金的焊接 铝合金接合金接头中的中的结晶裂晶裂纹34.铝合金的焊接 铝合金接合金接头热影响区中的液化裂影响区中的液化裂纹35.铝合金的焊接 液化裂液化裂纹产生原因生原因 在母材的在母材的热影响区中，成影响区中，成分分为XC的的铝合金在平衡状合金在平衡状态下，下，t1温度下温度下组织为+，t2时 中的中的组元开始向元开始向 固溶体溶解，固溶体溶解，t3时全部全部转化化为 固溶体。固溶体。36.铝合金的焊接 在在焊接快速加接快速加热条件下，条件下，在在t2 来不及溶解，达不到平衡，来不及溶解，达不到平衡，到到t3时仍可能仍可能为+两相状两相状态，t4时已超已超过共晶温度，共晶温度，中的中的组元元还未完全溶入未完全溶入 固溶体，固溶体，则在在 和和 两相界面出两相界面出现共晶液相，共晶液相，这种局部液化在种局部液化在焊接接应力下沿力下沿晶界液膜形成晶界液膜形成“液化裂液化裂纹”。37.铝合金的焊接（2）热裂裂纹的形成原因的形成原因 1）拘束度的影响；）拘束度的影响；2）液固相距离）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状，生成柱状晶，柱状晶之晶之间产生成分偏析，生成分偏析，导致容易致容易产生裂生裂纹；3）材料因素的影响：）材料因素的影响：a）铝合金合金为共晶合金，裂共晶合金，裂纹倾向与向与合金合金结晶温度区晶温度区间大小有关系；大小有关系；38.铝合金的焊接 几种几种铝合金合金热裂裂倾向最大向最大时的合金的合金组元元浓度度(x m)：Al-Mg：x m=2%Mg；Al-Zn：x m=1012%Zn；Al-Si：x m=0.72%Si；Al-Cu：x m=2%Cu。如果存在其他元素或如果存在其他元素或杂质时，可能出，可能出现三元共三元共晶，其熔点比二元更低，晶，其熔点比二元更低，结晶温度区晶温度区间更大，更容更大，更容易易产生生热裂裂纹。39.铝合金的焊接 b)线膨膨胀系数大，是系数大，是钢的的1倍，在拘束条倍，在拘束条件下件下焊接，容易接，容易产生生较大的大的焊接接应力，增大裂力，增大裂纹倾向；向；c)铝合金合金焊接接过程中无相程中无相变，柱状晶粗大，柱状晶粗大，容易偏析。容易偏析。40.铝合金的焊接（3）热裂裂纹的影响因素的影响因素 1）焊缝合金系合金系统的影响的影响 控制适量的易熔共晶，控制适量的易熔共晶，缩小小结晶温度区晶温度区间。少量的易熔共晶增大少量的易熔共晶增大热裂裂倾向，增大主要合金元素向，增大主要合金元素x m，对热裂裂纹产生愈合作用。生愈合作用。焊接接Al-Mg合金合金时采用采用Mg含量超含量超过3.55%的的焊丝；LF21（Al-Mn）采用）采用Mg含量超含量超过8%的的焊丝；对热裂裂倾向大的向大的LY合金采用含合金采用含5%Si的的Al-Si焊丝解决抗裂解决抗裂问题。41.Al-Mg合金焊缝凝固裂纹与含Mg量的关系（T形角接接头）1连续焊道 2断续焊道42.从抗裂角度考从抗裂角度考虑，焊缝合金系在于控制合金系在于控制适量的易熔共晶并适量的易熔共晶并缩小小结晶温度区晶温度区间。由。由于于铝合金合金为共晶型合共晶型合金，少量易熔共晶会金，少量易熔共晶会增大凝固裂增大凝固裂纹倾向，向，所以，一般都是使主所以，一般都是使主要合金元素含量超要合金元素含量超过x xm m，以便能，以便能产生生“愈愈合合”作用。作用。000020242219(a)Al-Cu焊丝40434343(b)Al-Si545450525083焊丝5356、5183(c)Al-Mg60636061(d)Al-Mg2Si焊缝合金元素 /%裂纹敏感性 /%铝合金的裂纹敏感性43.不同不同焊丝成分成分对母材母材焊缝裂裂纹倾向的影响向的影响 1-Al-MnAl-Mn合金（合金（3A213A21）2-Al-Mg 2.5 2-Al-Mg 2.5 3-Al-Mg 3.5 4-Al-Mg5.23-Al-Mg 3.5 4-Al-Mg5.244.2 2）焊丝成分的影响成分的影响 不同的母材配合不同的焊丝，在刚性T形接头试样上进行TIG焊，具有不同的裂纹倾向。采用成分与母材相同的焊丝时，具有较大的裂纹倾向。采用Al-5%Si焊丝（国外牌号4043）和Al-5%Mg焊丝（5A05或5556）的抗裂效果是较好。Al-Zn-Mg合金专用焊丝X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）也具有相当高的抗裂性能。45.母材与焊丝组合的抗热裂性试验(刚性T形接头；TIG)（括号中数字为母材代号，无括号的数字为焊丝代号）46.铝合金的焊接 3）变质剂的影响的影响 Ti、Zr、V、B微量元素作微量元素作为变质剂，在，在焊接接过程程中生成中生成细小小难熔熔质点，作点，作为结晶晶时的非自的非自发形核核心，形核核心，细化晶粒，改善塑性，化晶粒，改善塑性，还能能显著改善抗裂性能。著改善抗裂性能。47.铝合金的焊接 4）焊接接规范的影响范的影响 采用采用热能集中的能集中的焊接方法，有利于快速接方法，有利于快速进行行焊接，防止形接，防止形成方向性成方向性强的粗大柱状晶，改善抗裂性。的粗大柱状晶，改善抗裂性。采用小采用小电流施流施焊，减小熔池，减小熔池过热；增大增大焊速和提高速和提高电流都不利于抗裂。流都不利于抗裂。因因为提高提高焊速，促使速，促使焊接接接接头的的应变速率，增大速率，增大热裂裂倾向向。48.5.5.铝合金合金焊接中接接中接头的等的等强性性问题（1）不可）不可热处理合金（理合金（Al-Mg）不可不可热处理理铝合金的主要合金的主要问题是晶粒粗化是晶粒粗化（焊接接热影响区温度超影响区温度超过再再结晶温度，一般晶温度，一般为200300 C，引起晶粒引起晶粒长大大）而降低塑性，表）而降低塑性，表现为接接头强度低于母材。度低于母材。49.铝合金的焊接 冷作硬化冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接接头软化与化与焊接峰接峰值温度的关系温度的关系50.铝合金的焊接 不可不可热处理理铝合金合金焊接前后接前后强度度变化化51.铝合金的焊接 影响因素影响因素 1）热影响区温度峰影响区温度峰值越高，越高，软化越明化越明显；2）焊前冷作前冷作强化程度越高，化程度越高，焊后失后失强越越明明显，而且，而且这种种软化无法消除；化无法消除；3）冷却速度）冷却速度对软化影响不大。化影响不大。52.铝合金的焊接 2）热处理理强化合金化合金 热处理理铝合金的合金的软化化问题主要是主要是“过时效效”软化。化。严重程度取决于第二相的性重程度取决于第二相的性质，也和，也和热循循环特性有一定关系。特性有一定关系。53.铝合金的焊接 时效效强化：化：固溶度固溶度变化大的合金，加化大的合金，加热至高温后急冷，至高温后急冷，都可形成都可形成过饱和固溶体和固溶体SS，即固溶，即固溶处理。然后常理。然后常温或稍高温度加温或稍高温度加热，即可，即可产生所生所谓的的“时效效”过程而程而强化。化。54.铝合金的焊接 时效效过程：程：时效初期，效初期，SS中中发生溶生溶质原子偏聚形成局部富集原子偏聚形成局部富集GP区，区，随温度或随温度或时间延延长，发展展为一种共格一种共格过渡相渡相，其成，其成分与平衡非共格相分与平衡非共格相 相同，但点相同，但点阵不同而且未脱溶，随不同而且未脱溶，随温度或温度或时间延延长，转化化为 而脱溶析出。而脱溶析出。“过时效效”：一般在一般在GP区合金区合金发生生强化，化，微微细共格相共格相，开始出开始出现时强度度进一步提高，一旦一步提高，一旦发生生，向向 转化，化，强化作用降低，化作用降低，转变结束束时强化作用消失，成化作用消失，成为“过时效效”。55.铝合金的焊接 焊接接过程中，程中，焊接温度超接温度超过过时效温度，效温度，产生生过时效和效和脱溶，所以脱溶，所以导致致强度度损失。失。无无论退火退火态还是是时效效态下下焊接，接，焊后不后不经热处理，接理，接头强度均低于母材，特度均低于母材，特别是在是在时效效态下下焊接超硬接超硬铝，焊后即使后即使进行人工行人工时效，接效，接头强度系数（度系数（接接头/母材母材）也没有超）也没有超过60%。56.热处理理强化化铝合金合金焊接接接接头组织示意示意图57.铝合金的焊接 上海交通大学上海交通大学焊接工程研究所接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 58.铝合金的焊接 Al-Cu-Mg硬硬铝的的时效效过程是很快的，而程是很快的，而Al-Zn-Mg合金的合金的时效效过程是很慢的，程是很慢的，说明前者比后者的第二相易于脱溶，所以在明前者比后者的第二相易于脱溶，所以在焊后后强度度损失大。失大。另外另外Al-Cu-Mg在在焊后后560天自然天自然时效效对强度改善不明度改善不明显，而，而Al-Zn-Mg则在在焊后后4天自然天自然时效，效，软化开始化开始显著消失，著消失，30天后基天后基本消失。本消失。Al-Zn-Mg合金的合金的这种自然种自然时效消除效消除焊接接软化化问题值得注意。得注意。小件采用人工小件采用人工时效，大件采用自然效，大件采用自然时效。效。59.Al-Cu-Mg（2A12）合金焊接热影响区的硬度变化（手工TIG）Al-4.5Zn-1.2Mg合金焊接热影响区的硬度变化（焊前自然时效，MIG）Tm峰值温度 1、2、3、4表示不同的焊后自然时效时间 13h 24d 330d 490d60.6 6、焊接接接接头耐耐蚀性下降性下降 纯铝和防和防锈铝多用于要求耐腐多用于要求耐腐蚀的的场合合 ，但生，但生产实践践证明：即使采明：即使采用可靠的用可靠的焊接方法（如接方法（如氩弧弧焊），配以），配以纯度度较高的高的焊丝，严格按照操作格按照操作规程程焊接，接，焊接接接接头的耐的耐蚀性一般仍低于母材。原因：性一般仍低于母材。原因：（1 1）接）接头的的组织不均匀不均匀 由于由于焊接接热过程的影响，使得程的影响，使得焊缝和和热影响区影响区组织不均匀，并且不均匀，并且还存存在着偏析，会使接在着偏析，会使接头各部位各部位产生生电极极电位差，在腐位差，在腐蚀介介质中形成微中形成微电池，池，产生生电化学腐化学腐蚀，从而破坏了氧化膜的完整性和致密性，使腐，从而破坏了氧化膜的完整性和致密性，使腐蚀过程加速。程加速。（2 2）焊接接接接头存在有存在有焊接缺陷接缺陷 在在焊接接接接头中中总是或多或少地存在有是或多或少地存在有焊接缺陷，如咬接缺陷，如咬边、气孔、气孔、夹杂物、未物、未焊透等。透等。这些缺陷破坏了接些缺陷破坏了接头表面氧化膜的表面氧化膜的连续性。性。61.（3 3）焊缝金属金属铸造造组织的影响的影响 焊缝组织较母材粗大疏松，表面也不如母材光滑，表面氧化膜的母材粗大疏松，表面也不如母材光滑，表面氧化膜的连续性和致密性差。另外，性和致密性差。另外，焊缝为铸造造组织，具有明，具有明显的枝状晶特点。由的枝状晶特点。由于存在着枝晶偏析，具有很大的于存在着枝晶偏析，具有很大的组织和成分不均匀性，以及和成分不均匀性，以及焊缝金属枝金属枝状晶的状晶的结晶方向，晶方向，对其耐其耐蚀性均有一定的影响。性均有一定的影响。（4 4）焊接接应力的影响力的影响 焊接接应力的存在，容易力的存在，容易产生生应力腐力腐蚀。预防措施：防措施：A A、选用用纯度高于母材的度高于母材的焊丝，以减少，以减少焊缝金属中的金属中的杂质含量；含量；B B、选择合适的合适的焊接方法及接方法及焊接参数，以减小接参数，以减小HAZHAZ，防止接，防止接头过热；C C、焊后碾后碾压或或锤击焊缝表面，使表面，使焊缝铸造造组织趋于致密，消除局部拉于致密，消除局部拉应力；力；D D、调节工工艺条件，改善条件，改善焊缝柱状晶成柱状晶成长方向。方向。62.7 7、塌陷、塌陷 铝及及铝合金的熔点低，高温合金的熔点低，高温强度低，而且熔化度低，而且熔化时没有没有显著的著的颜色色变化化，因此，因此焊接接时常因温度常因温度过高无法察高无法察觉而而导致致塌陷。塌陷。为了防止塌陷，可在了防止塌陷，可在焊件坡口下面放置件坡口下面放置垫板，并控制板，并控制好好焊接工接工艺参数。参数。加加热表面由光亮表面由光亮银白色白色变成暗淡的成暗淡的银白色，表面氧白色，表面氧化膜起化膜起皱，加，加热处金属有波金属有波动63.三、三、铝和和铝合金的合金的焊接工接工艺1 1、焊前准前准备：包括包括焊前清理、前清理、设置置垫板和板和预热；A A、焊前清理前清理 ：去除坡口表面的油去除坡口表面的油污和氧化膜等和氧化膜等污物。氧化膜的清理有机物。氧化膜的清理有机械清理和化学清理两种方法。在清除氧化膜之前，械清理和化学清理两种方法。在清除氧化膜之前，应先用有机溶先用有机溶剂（丙（丙酮或酒精）将坡口及其两或酒精）将坡口及其两侧（各（各约30mm 30mm 内）的油内）的油污、脏物清洗干物清洗干净。（1 1）机械清理：坡口两）机械清理：坡口两侧303040mm40mm范范围内的氧化膜去除，直到露出金属内的氧化膜去除，直到露出金属光光泽为止。止。（2 2）化学清理：用酸或碱溶液来溶解金属表面的氧化膜，最常用的方法）化学清理：用酸或碱溶液来溶解金属表面的氧化膜，最常用的方法是，用（是，用（5 51010）%体体积的的NaOHNaOH溶液（溶液（约7070），浸泡坡口两），浸泡坡口两侧各各100mm100mm范范围，303060s60s后先用清水冲洗，然后在后先用清水冲洗，然后在约15%15%的的HNOHNO3 3水溶液（常温）中浸泡水溶液（常温）中浸泡2min2min，用温水冲洗后再用清水洗干，用温水冲洗后再用清水洗干净，最后，最后进行干燥行干燥处理。理。氧化膜清除后，通常氧化膜清除后，通常应在在2h2h之内之内焊接，否接，否则会有新的氧化膜生成。会有新的氧化膜生成。64.B B、设置置垫板板 垫板由板由铜或不或不锈钢板制成，用以控制板制成，用以控制焊缝根部形状和余高量。根部形状和余高量。垫板表面开有板表面开有圆弧形或方形槽。弧形或方形槽。C C、预热 薄、小薄、小铝件可不件可不预热；厚度超；厚度超过5 58mm8mm的的铝件件焊前前应预热至至150150300300；多；多层焊时，注意控制，注意控制层间温度不低于温度不低于预热温度。温度。2 2、焊接方法接方法选择 需要采用需要采用热量集中的量集中的热源。否源。否则，将会造成未，将会造成未焊透或者因加透或者因加热不不集中而集中而变形形严重。就熔重。就熔焊而言，国内最常而言，国内最常见的方法是气的方法是气焊、氩弧弧焊，焊条条电弧弧焊应用用较少。少。65.（1 1）气）气焊：功率低，功率低，热量分散，量分散，HAZHAZ及工件及工件变形大，生形大，生产率低，率低，焊后接后接头晶粒粗大，容易晶粒粗大，容易产生生夹渣、裂渣、裂纹等缺陷，用于厚度等缺陷，用于厚度0.50.510mm10mm的不重要的不重要结构，构，铸铝件件焊补；（2 2）焊条条电弧弧焊：电弧弧稳定性定性较大，大，飞溅大，接大，接头质量量较差，差，仅用于板用于板厚大于厚大于4mm4mm且要求不高的工件且要求不高的工件焊补及修复。及修复。（3 3）TIGTIG焊：电弧弧热量集中，燃量集中，燃烧稳定，定，焊缝成形美成形美观，接，接头质量量较好，好，广泛用于厚度广泛用于厚度6mm 6mm 以下薄板件的以下薄板件的焊接。接。（4 4）MIGMIG焊：电弧功率大，弧功率大，热源集中，源集中，焊件件变形及形及HAZHAZ小，生小，生产效率高，效率高，用于用于焊接接50mm50mm以下中厚板。以下中厚板。（5 5）电子束子束焊：功率密度大，功率密度大，焊缝深深宽比大，比大，HAZHAZ及及焊件件变形极小，生形极小，生产效率高，接效率高，接头质量好，用于厚度量好，用于厚度3 375mm75mm的板材的板材焊接。接。（6 6）电阻阻焊：利用工件内部利用工件内部电阻阻产生生热量，量，焊缝在外在外压下凝固下凝固结晶，不晶，不需要需要焊接材料，生接材料，生产率高，用于率高，用于焊接接4mm4mm以下的以下的铝薄板。薄板。66.3 3、焊接材料接材料选择 铝及及铝合金的合金的焊接材料包括接材料包括铝焊丝、铝气气焊熔熔剂和和焊条条等；等；铝焊丝通常分通常分为：（1 1）专用用焊丝 是是专用于用于焊接与其成分相同或相近的母材，可根据母材成接与其成分相同或相近的母材，可根据母材成分分选用。若无用。若无现成成焊丝，也可从母材上切下窄条作，也可从母材上切下窄条作为填充金属。填充金属。（2 2）通用）通用焊丝 其中其中HS311HS311（铝硅硅焊丝）是一种通用）是一种通用焊丝，主要成分，主要成分为Al+Si5Al+Si5。用。用这种种焊丝焊接接时，焊缝金属流金属流动性好，抗裂性能好，并能保性好，抗裂性能好，并能保证一定的接一定的接头性能。但用它性能。但用它焊接接铝镁合金合金时，焊缝中会出中会出现脆性相，降低脆性相，降低接接头的塑性和耐腐的塑性和耐腐蚀性，因此用来性，因此用来焊接除接除铝镁合金以外的其他各种合金以外的其他各种铝合金。合金。（3 3）特种）特种焊丝 是是为焊接各种硬接各种硬铝、超硬、超硬铝而而专门冶冶炼的的焊丝，这类焊丝的成分与母材相近，一般是在母材的基的成