铝及其合金的焊接大全

第五章 铝及其合金的焊接

§5-1 铝及其合金的类型与特性

一、        工业纯铝的特性 肯倍焊机

含Al>99%，Fe、Si杂质（Al-Fe-Si三元合金，面心立方点阵结构）

熔点=660℃，耐蚀性良好，强度低，塑性好。

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二、           铝合金的合金化及其特性

焊接结构中主要应用的是变形铝合金，应用最为广泛的是非时效强化铝合金（LF）

铸造Al只在结构缺陷焊补时遇到。

（只讨论变形铝合金）

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一）   非时效强化铝合金

耐蚀性良好，主要为固溶强化。

1．Al-Mn系（LF21、3003）

（含Mn量为1.0～1.6%）

2．Al-Mg系（LF2～6、5000系列）

Mg的固溶强化作用大于Mn

Mg↑，强度↑，脆性β相（Mg₂Al₃）↑，δ↓，耐蚀性↓。

二） 时效强化铝合金 肯倍焊机

最为典型的是LY系列和LC系列，LD系列

1．硬铝（LY系列，2000系列）

1）LY12（Al-Cu-Mg系）应用最早，2024（美）

   a．主要强化相：（CuAl₂），S相（Al₂CuMg），

         其次：T相（CuAl₅Mg₅），β相（Mg₂Al₃）。

   b．元素的作用

   c．缺点：

（1）    耐蚀性不良，采用包铝，但强度降低

（2）    固溶强化温度范围窄（495～503℃）易过烧与强化效果不佳。

（3）    焊接裂纹倾向大

2）LY16（Al-Cu-Mn系列，2219）

为改善材料焊接性而设计

Mg降低Al-Cu合金中的溶解度，提高脆性和凝固裂纹倾向，

用Mn代替（见上图）

2．超硬铝（LC，Al-Zn-Mg系列，7000系列）肯倍焊机

1）特点：

Al-Zn-Mg-Cu系，强度最高，缺口敏感性高、耐蚀性低。

2）焊接性差，熔化焊接裂纹倾向大，接头强度远远低于母材。

焊接接头：σb=309Mpa，δ=3～4%

母    材：σb=536Mpa，δ=7%

3）耐蚀性降低：Zn、Mg含量增加

3．Al-Zn-Mg合金（7475，7005）

1）优点：

a．取消Cu，σb↓，但是，焊接性能优异！

b．焊接裂纹倾向性↓

c．良好的自然时效性能，接头σb可以恢复到母材水平

2）缺点：

应力腐蚀开裂敏感性大，

Zn+Mg↑，耐蚀性↓，总量应该低于7.5%。

Zn在4～5%；Mg=1～3.5%，较为理想，

常加入Cr、Mn、Ti、Zn细化晶粒。

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三、        铝合金的耐蚀性

耐酸不耐碱；

一般，其总体上耐蚀性较好，

保护膜一旦被破坏（局部破坏），腐蚀加剧。尤其是冷作硬化态。

当Al及其合金存在杂质或者析出相时，由于相间电极电位差，促使产生电化学腐蚀。

注意：既要保证强度，又要提高耐蚀性。

四、            铝合金的物理性能

导热系数λ与线胀系数α都很大，其密度较小。

§5-2 铝及其合金的焊接性

铝及其合金焊接结构应用广泛，例如高速客车车体，储油罐等。肯倍焊机

对其进行焊接时，存在以下问题：

1．焊缝中的气孔；

2．焊接热裂纹；                                             主要问题

3．接头的“等强性”；

4．变形；（材料线胀系数大，导热性强，传热快，HAZ较宽）

5．焊缝夹杂；（Al₂O₃熔点高，达2050℃，但密度与Al相近）      次要问题 

6．焊接未熔合（表面难熔氧化物+材料传热快）

一、                          焊缝中的气孔

一） 形成气孔的特点

主要是H₂气孔。

[H]来源于弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，

特别是表面氧化膜中吸附的水分！

1．弧柱气氛中水分的影响（潮湿的空气、保护气氛）

该气孔具有白亮内壁的特征。

1)      原理

由图11-4，在平衡状态下，液态Al中溶解度为0.69ml/100g, 凝固点的溶解度为0.036ml/100g，相差约20倍， 而钢的相差约2倍。

溶解度变化的实际冷却线为abc

a      b：冷却速度大，气泡在液体凝固之前聚合上浮，被搁浅，形成粗大的“皮下气孔”；

a      b’：冷却速度小，气泡在液体凝固之前聚合浮出，不致产生气孔。

b     c：冷却速度大，结晶条件下，凝固点的氢的溶解度发生突变，枝晶交互生长，聚合的气孔生长受限，限制在枝晶前沿，沿枝晶层状线分布，难以浮出，即“结晶层孔”

b’   c’：冷却速度小，气孔少。

   2）不同的合金系统，对水分的敏感性不同（见图11-5）

   3）不同的焊接方法，敏感性不同

MIG>TIG （同样的气氛条件下）

A．MIG：细丝熔滴小，比表面积很大，弧柱温度高于熔池，利于吸氢；

B．熔池深度大于TIG方法的深度，利于气孔浮出。

2. 氧化膜中水分的影响（已限制弧柱水分的影响）

 焊丝或工件的氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。

MgO↑，形成的氧化膜不致密，

而纯Al的氧化膜非常致密，吸水性差。

MIG焊接方法：焊丝表面氧化膜的清理情况对[H]的影响较大，

对Al-Mg合金焊丝，其影响更显著，气孔倾向↑↑。

坡口氧化膜被迅速溶化掉，水分排除，影响小。

    TIG焊接方法：在熔透不足时，母材坡口端部未除净的氧化膜所吸收的水分，是产生焊缝气孔的主要原因。

                 焊前严格去除氧化膜。

    而母材表面养化膜也会在近缝区引起“皮下气孔”（Al-Mg合金）

二）防止焊缝气孔的途径

两方面着手：1）限制氢溶入熔融金属（减少氢的来源）

或减少熔池吸氢时间；                  较为矛盾 

2）尽量促使氢从熔池中逸出

因而尽量限制氢的来源具有较为现实的意义！

1．  减少氢的来源

1）所有的焊接材料在使用之前必须干燥处理

2）焊前处理

化学法和机械法，清除焊丝和母材表面的氧化膜。

3）坡口下端（根部）倒V型小坡口

铲根极为有利于减少焊缝气孔的倾向。

2．  控制焊接工艺

1）原理

工艺参数的影响主要可以归结为对熔池高温时间的影响。

T增加，氢利于逸出，也利于氢的溶入

T减少，减少氢的溶入，但不利于其逸出。       矛盾，必须调整适当

2）对TIG焊接，一方面尽量采用小线能量，减少熔池存在时间

一方面，应该充分保证根部熔透，利于气泡浮出

大电流高焊接速度比较有利。

3) MIG焊（焊丝氧化膜的影响更为主要）

   一般希望增大溶池存在时间以利气泡的逸出

   图11—8  V_H↓  E线↑  有利于气孔↓

   图11—9  对薄板影响大

V_冷对焊缝的气体含量有较明显的影响

  必要时可采用预热办法↓VH，以利气体逸出

4）混合气体保护焊（P412）

二、焊接热裂纹

    焊接金属和近缝区发现的热裂纹主要是凝固裂纹，也可在近缝区见到液化裂纹

一）    化合金焊接热裂纹的特点

1．易熔共晶体的存在，是焊缝产生凝固裂纹的重要原因

2．Al合金，线胀系数大，比钢大1倍，在拘束条件下焊接易产生大反应，促使裂纹倾向原因（铝合金属于典型的共晶型合金）分析图11—10

   易熔共晶成薄膜状展开于晶界上时，必促使晶体分离，↑合金的热裂倾向

易熔共晶成球状聚集在晶粒顶点间时，裂纹倾向↓。

3．近缝区“液化裂纹”，亦是晶间易熔共晶存在有联系（因偏折而形成）。

   二)防止焊接热裂纹的途径

        对于焊缝金属的凝固裂纹，主要是通过合理选定焊缝的合金成份，并配合适当的焊接工艺来进行控制。

1． 焊缝合金系统的影响

1）调整成份的的着眼点：在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶T区间，

一般都是使主要合金元素含量超过Xm，以便能产生“愈合”作用。

  有点类似于25—20半耐热钢中双相组织r+B₁的B偏折与Fe Ni形成低熔共晶

a）LT1丝抗裂

对于一些裂纹倾向大的硬铝之类的高强的合金，在原合金系统中进行调整以改善抗裂，不见效。

不得不利用Si5％的AL—Si合金焊丝（LTI）,可形成较多的易熔共晶，流动性好（愈合作用↑）抗裂性↑，σb， δ↓。

b）不同母材匹配不同焊丝，具不同的裂纹倾向

        （图11—12）分析匹配情况

   （图11—13Cu与Mg含量对AL-Zn-Mg热裂的影响）。

σb↑（如6070 硬Al， LC系列，裂纹倾向↑）

2．变质剂的影响

  Ti ， Zr， V， B 微量元素，细化晶粒，↑δ，ak.↑↑抗裂性。

  与AlTi形成一系列包晶反应，生成难熔质点（非自发凝固形核），

   Al₃Ti.Al₃Zr，AlB₂非自发凝固形格

3、    焊接工艺参数的影响

影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，从而影响裂纹的产生。

·热量集中的焊接方法，利于快速焊接，防止粗大的柱状晶，抗裂性↑

·I_H↓减小熔池过热，抗裂性↑

· V_H↑，接头的应变速率↑ 热裂倾向↑

   （大部分Al合金的裂纹倾向都比较大）

·熔合比大时，裂纹倾向↑（↑I_H也是不利的.I_H↑.熔合比↑）

三．焊接接头的“等强性”肯倍焊机

    表11—15典型的化合金焊接接头母材的力学性能，可看出以下规律。

1．非时效强化的铝合金  LF3（Al-Mg）

退火态焊接：接头与母材等强

冷作硬化态焊接：接头强度低于母材，即有软化现象。

2．时效强化铝合金

①  除了Al-Zn-Mg合金，均σ接头<σ母材

而Al-Zn-Mg合金，焊接后自然时效时间越长，接头强度显著提高到接近母材水平。

②  所有时效强化的化合金，焊后不论处理否。δ接头<δ母材。

③    退火态母材+焊后处理，有些接头强度>母材强度

3．焊接时的不等强性，说明接头存在软化现象或有薄弱环节。

①  焊缝

·铸造组织  δ焊接<δ母材

·焊缝性能主要决定于所选用的焊材（异质焊缝）

·为保证焊缝σb与δ，固溶强化型合金系统要优于共晶型合金系统

·E↑焊缝性能↓

②  熔合区

非时效化合金主要问题：晶粒粗化，δ↓

时效化合金主要问题：晶粒粗化，可能晶界液化产生裂纹    恶化δ

③  HAZ区

主要表现为强化效果的损失（软化）

一）非时效强化铝合金的软化问题：

主要发生在冷作硬化合金上。

·当HAZ的T_峰值>T_再结晶（200—300⁰C），产生明显软化（图11—16）

·软化区↑，σ接头↓明显。（图11—17）

·接头的软化主要取决于加热的T_峰值，V_冷影响不大。

·冷作硬化程度↑，软化↑。

二） 时效强化化合金的软化问题

1．问题主要是HAZ“过时效”软化问题。

2．影响因素：

其严重程度决定于合金第二相的性质，也与焊接热循环特性有一定关系，

第二相易于脱溶解出并易于聚集长大，越易发生“过时效”。

比较Al-Cu-Mg的自然时效  （图11—18，图11—19）

3．  采取措施

1）防止HAZ区软化，宜采用小的焊接线能量

2）如果焊接后可以完全热处理，则在固溶或退火态焊接较好。

五、     焊接接头的耐蚀性

1．规律：接头的耐蚀性一般都低于母材。

         热处理强化的合金焊接接头的耐蚀性降低尤为明显，则采用可包铝提高耐蚀性。

2．原因（影响因素）

1）主要与接头的组织不均匀有关（尤其有析出相），可使接头各部位的电极电位产生不均匀性。

2）焊缝金属的纯度和致密性是影响接头耐蚀性因素之一。

杂质↑晶粒长大，脆性相析出，耐蚀性↓↓。

3）焊接应力更是影响耐蚀性的敏感因素。

3．     改善焊接接头的耐蚀性措施

1）改善接头组织的成分的不均匀性

（焊缝合金化、细化晶粒，焊后热处理，↓HAZ，防止过热）

2）消除焊接应力（局部表面拉应力，可以采用局部锤击消除）

3）采取保护措施（阳极氧化处理或涂层）

§5-3 Al及其合金的焊接工艺特点

一、焊接工艺的一般特点

1．从物理性能方面的特点考虑

   ·铝及其合金导热性好、热容量和线胀系数大、熔点低、高温强度低，焊接困难；

·焊接时无颜色变化，难以确定焊接的坡口是否熔化，焊接操作难；

·Mg、Zn、Mn易蒸发，影响接头性能。

1）焊接热源必须集中，以保证熔合良好；

2）要采用垫板和夹具，以保证装配质量，防止变形；

2．从化学性质上考虑

    难熔氧化物易于形成夹杂物，而且还因为吸收水分造成焊缝气孔的产生。

1）焊接之前严格清理焊丝和母材表面的氧化膜；

2）加强保护，利用“阴极雾化”清理作用；（cleaning action）

3）气焊或其他熔化焊接方法，需用钎剂（氯化物等），具有腐蚀性，焊后应该立即彻底清除残渣。

3．接头形式及坡口准备工作

1）手工焊接：厚度低于3～4mm内，自动焊接：6mm以内不开坡口；

2）厚度低于3mm的接头，可以卷边焊接。

主要考虑能够充分而有效的去除氧化膜。

二、焊接方法的选用

薄件仍可以采用气焊（需焊剂），大厚度铝件则采用电渣焊接有效。

氩弧焊接：薄板多用TIG焊接；

         大于3mm多用MIG焊接。

1．TIG焊接方法                           采用双层气体保护

    一般采用交流电源；             

    研究用于大厚度铝合金焊接的直流正接TIG焊（熔深大、成型好，气孔倾向小）

    2．MIG焊接法（DCRP）

·I_H一般大于临界电流值，获得稳定的喷射过渡电弧过程；

·板厚小于3mm，必须采用很细的焊丝，送丝难，一般不用MIG焊接；

·熔化极脉冲氩弧焊焊接薄板，1.6～2.0mm构件

    热作用小，适于焊接热处理强化铝合金。

·I_H大于300～400A，焊缝表面易于产生“皱皮”（Purkering）

                    采用双层气体保护焊接可以解决。

3．焊接工艺参数的确定

    主要根据接头的尺寸、形状和焊缝成型的要求，也必须考虑对气孔、裂纹和HAZ软化的影响。

    I_H与V_H必须紧密的配合。

1）TIG焊接：φ_钨极一定，I_H↑，V_H↑，气体流量与焊接速度应该相应的调整，

             功率一定，焊接速度与焊接厚度有关。

2）MIG焊接：·V_H可以大范围变动，0.15～1.5mm/min;

            ·V_送丝可以更大范围变动，1.1～10mm/min;

            ·I_H 必须适当，关键是确定临界电流；

            ·层间温度↑，σ接头↓，δ↓，微裂纹倾向↑

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