5A03焊接性分析.doc

沈阳工学院金属焊接性课程设计说明书金属材料焊接性课程设计说明书题 目： 铝合金5A03的焊接性分析 材 料： 5A03 班级学号： 13130501 姓 名： 王玮 专 业： 焊接技术及其自动化 金属材料焊接性课程设计任务书学生： 王玮 班级：13130501 指导教师：李增荣题 目： 铝合金5A03的焊接性分析 材 料： 5A03 要求：1、分析材料的化学成分，机械力学性能；2、利用碳当量法计算并分析材料的焊接性；3、根据材料的特性分析材料焊接时出现的各种缺陷；4、提出解决措施并推荐适当的焊接方法；5、制定字数在5000字左右的说明书。目录第一章 绪论第二章 铝合金5A03的化学成分及物理性能2.1铝合金5A03的化学成分42.2铝合金5A03的物理性能4第三章 铝合金在应用中的问题3.1铝合金在热加工时的问题 6 第四章 金属材料5A03的焊接性分析4.1金属材料焊接性简介84.25A03铝合金焊接性分析94.215A03在焊接中遇到的问题及解决方案124.22铝合金5A03的焊接工艺特点15第五章 5A03铝合金在生活中的应用附录117附录219第一章 绪论铝及铝合金原来只有皇帝用的的起的有色金属，而今它不仅在我们日常生活中起着重要的作用。而且随着现代工业的发展其应用前景也越来越广阔。特别是近代工业对工业材料的要求也越来越向着质量轻，强度高，易加工的方向发展。而铝及铝合金材料具有这一系列的优良特性，因此被广泛用于国民经济的各个领域，如：航空航天，交通运输，机械电器，石油化工，能源动力，家电五金，文体卫生的行业。它已成为发展国民经济和提高人民物资生活的重要基材料。近二十年来，我国的铝加工业也发展的十分迅速，不但其产量成几何倍增加。同时，出现了许多新材料，新技术，新工艺以及新设备。我国已成为名副其实的铝业大国。铝及铝合金渗透到了社会的各个角落。铝合金保持了质轻的特点，但其机械性能明显提高。铝合金材料在日常生活中的应用主要有：一，作为受力构件；二，作为装饰门 窗 盖 壳等的材料；三，作为装饰材料和绝缘材料。铝合金板材，型材表面可以防腐，轧花，喷漆，印刷等二次加工，制成各种装饰板材。因为铝合金具有易加工和高的散热性。特别是车辆的发动机部分特别适合使用铝合金材料。此外，在航空航天方面，它是运载火箭和各种航天器的主要结构材料。放眼未来，铝及铝合金家族会不断壮大，你会在社会的更多领域见到它出现的身影。其应用前途不可估量。第二章 铝合金5A03的化学成分及物理性能2.1铝合金5A03的化学成分如下： 化学成分CuMgMnFeSiZnNiCrTi含量0.103.23.80.300.360.500.500.80.20-0.152.2铝合金5A03的物理性能如下：（单位：基本单位）合金密度比热容热导率线膨胀系数电导率5A032.670.881.4623.54.96总结：5A03属于AIMg系合金，使用范围广泛，特别是建筑业离不开此合金，是最有前途的合金。耐腐蚀性好，焊接性优良，冷加工性较好，并具有中等强度。5A03的主要合金元素为镁，具有良好的成形加工性能，抗腐蚀性和焊接性以及中等强度，用于制造飞机油箱，油管，以及交通车辆，船舶的钣金件，仪表，街灯支架与铆钉，电器外壳等。它是应用最广泛的防锈铝。第三章 铝合金应用中的问题31铝合金在热加工时的问由于铝及铝合金所所具有的独特的物理化学性能，在焊接过程中会产生一系列的困难和特点，具体的表现有以下几点：1 强的氧化能力 铝和氧的亲和能力很大，在空气中极易与氧结合生成致密的氧化铝薄膜。氧化铝的熔点高达2050C。远远超过铝合金的熔点，而且密度约为铝的1.4倍。在焊接过程中氧化铝薄膜阻碍了金属之间的良好结合。易造成夹杂。而且氧化膜还易吸收水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，为保证焊接质量，焊前必须保证严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，对熔化的金属和处于高温下的金属进行有效保护。2 有较大的导热系数和比热容 铝和铝合金的比热容和导热系数都很大。因此，焊接铝及铝合金比焊接钢时消耗的能量要多很多。为了获得高质量的焊接接头必须采用能量集中，功率大的热源。有时还需采用预热的工艺措施。3 焊接热裂纹倾向大 铝及铝合金的膨胀系数约为刚的俩倍，凝固时收缩率大，因此在焊接接头中容易形成较大的拘束应力。因此，在焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。4 焊缝容易产生气孔 在较高的温度下，焊接区周围的水 油污 空气中的水蒸气和水分子等侵入焊机电弧中很容易分解成氢原子和质子，融入过热的熔融状态金属中。由于氢在液态和固态铝中溶解度相差很大，因此，高温下融入的大量气体，在焊后冷却凝固过程中来不及溢出，因而聚集在焊缝中形成气孔。5 焊接接头的力学性能下降 对于热处理的强化铝合金，无论焊接前是时效状态还是退火状态，焊后的接头处的力学性能都比母材低。即使焊后需进行人工时效处理，往往也达不到母材的强度。6 焊接接头的耐腐蚀的性下降 铝及铝合金焊接接头耐腐蚀性降低的主要原因是：接头组织不均匀；焊接接头存在有焊接缺陷；焊缝金属铸造组织的影响和焊接应力的影响。第四章 金属材料5A03焊接性分析4.1金属材料的焊接性简介所谓金属焊接性是金属是否具有合适焊接加工而形成完整的，具有一定使用性能的焊接接头的能力。换句话说，焊接性是材料对焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头是否在使用条件下可靠运行。材料焊接性的概念有两个方面的含义：一是材料在焊接加工中是否容易形成接头和产生缺陷；二是焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。也就是说，焊接性不仅包括结合能力，而且包括结合后的使用能力。对焊接工作者来说，充分理解“焊接”和“焊接性”的含义十分重要。“焊接性”是从英文“Weldability”得来的，它的深刻含义把焊接、结构材料本身的性能以及材料的发展结合在一起。从20世纪40年代初从“焊接”中派生出“焊接性”概念以来，“焊接性”的含义一直在不断发展着，人们曾给它下了很多定义，这是由于理解角度的不同、分析目的不同和由于焊接技术本身不断发展而引起。分析和研究焊接性的目的，在于查明一定材料在制定焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。因此，必须对整体焊接过程中的材料和焊接接头区的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和焊后接头的使用性能等，进行系统地研究。4.2 5A03焊接性的分析 强的氧化能力 铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄，厚度约0.1m。Al2O3的熔点高达2050，远远超过铝及铝合金的熔点(约660)，而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并加强焊接区域的保护。 较大的热导率和比热容 铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。因此，焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量，焊前常需采取预热等工艺措施。 热裂纹倾向大 线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%左右，因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而产生热裂纹。生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹，如使用焊丝HS311。 容易形成气孔 形成气孔的气体是氢。氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g，而在660凝固温度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g，使原来溶解于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝和铝合金的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及逸出，留在焊缝内成为气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是氢的主要来源，因此焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。 接头不等强度 铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75%100%；热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材的40%505。 焊穿 铝及铝合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材温度，施焊时常会因温度过高无法察觉而导至焊穿。4.2.1焊接中产生的问题及解决方案 （1）铝合金在生产过程中，容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。如何修复铝合金铸件气孔等缺陷呢？如果用电焊、氩焊等设备来修补，由于放热量大，容易产生热变形等副作用，无法满足补焊要求。冷焊修复机是利用高频电火花瞬间放电、无热堆焊原理来修复铸件缺陷。由于冷焊热影响区域小，不会造成基材退火变形，不产生裂纹、没有硬点、硬化现象。而且熔接强度高，补材与基体同时熔化后的再凝固，结合牢固，可进行磨、铣、锉等加工，致密不脱落。冷焊修复机是修补铝合金气孔、砂眼等细小缺陷的理想方法。（2）还有的问题就是焊接接头处的氧化铝问题，铝有高温时会氧化，形成三氧化二铝，氧化的溶点比纯铝或铝合金高很多，使接头溶合不好，严重时根本就不溶合。因此，在焊接前要很认真地清洁接头处表面，主要有机械清理和化学清理两种方法。在焊接的整个加热过程中，还会产生氧化铝，因此要使用焊铝专用的焊剂，不同牌号的铝合金焊丝都有配套的焊剂。焊接的时候，如果接头处的表面金属仍然会有氧化的现象存在，这时表面看起来好象金属还没溶化但其实是表面没溶化，但接头内部已经处于溶熔状态了，没经验时就很容易发生坍塌，造成焊穿。所以要特别注意观察。还有铝的导热性能比较好，散热会比钢铁等快，所以要用比焊接钢铁材料时更大的电流。 4.2.2 铝合金5A03的焊接工艺特点5A03系铝合金是以Mg为主要添加元素的铝合金，由于抗蚀性好，又称为防锈铝合金。5A03铝合金中含有Mg的含量较多，具有较好的焊接性能、抗蚀性以及强度，占主要用作焊接结构件。5A03在温度为350-420之间基本符合一般塑性变形规律，即在反应速率和应变一致的情况下，塑性随温度升高有所增加；在温度和应变一致时，随着应变的速率增加，塑性有所下降。但是从420-440时发生塑性的突变，且塑性在本实验最高温度的条件下反而最低，但是应变速率的影响规律依然存在，估计是440左右5A12内部发生某些相变，有沿晶界的相析出，或者晶类粗化引起。温度为350，应变速率为0.1s每小时，可用90%的变形量；应变速率为1s每小时，变形量控制在85%-90%之间。温度为380，应变速率为1s每小时，变形量控制在在85%-90%之间，应变速率为0.1每小时，可使用90%的变形量。温度为400时，应变速率为1s每小时，应变量可在85%-90%之间，应变速率为0.1s每时，最大可使用88%左右的变形量。温度为420，应变速率为1s每时，应变量应小于88%，参照400，1s每时的结果，应可以使用85%-88%之间的变形量；应变速率为0.1s每时，变形量最大可达到90%。温度为440时，在应变速率为0.1-1s每时范围内，应变尽可能低，可取的变形量范围为70%-75%。不同变形的条件下，5A12合金不发生开裂的最大变形，5A03铝合金最优先生产工艺参数为温度400-420，应变速率0.1-1s每时，此时变形量可在86%-90%之间取值，加工塑性较好。5A03合金的应力随着温度升高而降低；随应变速率的增加而增大。在420-440之间，5A03铝合金发生塑性的突变，随着温度的升高，其塑性加工性能反而降低，但是应变速率的影响规律依然存在，估计是440左右5A03内部发生某些粗变，有沿晶界的相析出，或者晶类粗化引起的。实验条件下，5A03铝合金最优先生产工艺参数为温度400-420，应变速率0.1-1s，此时变形量最高可达90%，具有良好的加工塑性。、第五章 5A03铝合金在生活中的应用铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围。并还有一重要特点是强度与比重的比值胜过很多合金钢，则广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。铝合金材料的应用还有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。 铝合金是应用最广的一种防锈铝，它的强度不高，不能热处理强化，在退火状态下有高的塑性，而蚀性好，焊接性好，切削加工性不良。用於制造要求高可塑性和良好焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件如油箱、油管、液体容器等；线材可制作铆钉。附录一 焊接工艺评定卡编号HSJ06135208-01 工艺评定编号HPD06135208-01评定项目： 船舶钣金的焊接焊接方法 ： 自动MIG焊 自动等级：自动 焊接位置： 水平直焊缝母材： 牌号 5A03 规格 壁厚10mm焊接材料： 焊丝牌号HS331 规格1.6mm 保护气 氩气（氩气量高于95%）接头形式焊接层数焊接接头的力学性能s/Mpab/Mpa(%)弯曲角度（d=3a）冲击实验缺口形式实验温度/Akv/Jcm32555020/施焊要求1. 焊前将待焊区域及附近20mm范围内的水分、油污及赃物去除干净。2. 焊角尺寸如图所示。预热温度 /焊后热处理 /层间温度 150清根手段 砂轮打磨焊接参数层次焊接电流/A电弧电压/V电流种类焊接速度/cm/min焊丝直径/（mm）气体流量/L/min焊丝伸出长度/（mm） 1120 30直流反接30 1.6 2115 30直流反接301.6 焊接设备型号： ZDK-500焊接操作1. 采用适当的温度预热2. 做好焊前的清理，焊材烘干，焊缝处氧化膜和油污清理干净3. 焊接过程中采用短电弧，集中热源输入。4. 双面焊，正面二层反面一层焊后检验1.外观检验，全焊透且形成无缺陷，无焊瘤、咬边，成形良好的焊接接头。2.X射线检验照相20%，焊缝表面做100%磁粉探伤。编制 王玮日期 2015.6.17校对日期审核日期附录2 焊接工艺评定报告沈阳理工大学应用技术学院(焊评序号WPS 09135103) 单位名称：沈阳工学院 焊接工艺评定报告编号： WPS-09135103 焊接工艺指导书编号： WPS2006-01 焊接方法： MAG焊 机械化程度： 自动 接头简图：母材： 5A03材料标准： GB4237 钢号： - 类、组别号： 与类、组别号： 焊厚度： 10mm 直径： 3000mm 其它： - 焊后热处理：热处理温度（）： 低于90度 保温时间（h）： - 保护气体： 气体种类 混合比 流量（L/h） - 尾部保护气 - - - 背部保护气 - 填充金属：焊材标准： 焊材牌号： HS331 焊材规格： 1.6 焊缝金属厚度： 10mm 其它： - 电特性：电流种类： 直流 极性： 反接 钨极尺寸： - 焊接电流（A）： 130 A 电弧电压（V）： 25V 焊接位置： 对接焊缝位置： 平位 方向（向上、向下）角焊缝位置： - 方向（向上、向下）技术措施： 焊接速度（m/h）： 25 摆动或不摆动： 摆动 摆动参数： - 多道焊或单道焊（每面）： 多道焊 多丝焊或单丝焊： - 其它： - 预热：预热温度（）： 低于90C - 层间温度（）： 其它： - (焊评序号WPS2006-1) 共 1页 第 1 页外 观 和 无 损 检 测 记 录 表焊评编号（PQR 09135103）WPS2006-01焊 缝 外 观 检 查表面裂纹无单面焊根部未焊透无表面气孔无单面焊根部未熔合无弧 坑无单面焊根部凹陷无咬 边无焊 脚-焊缝余高0.5mm焊 脚 差-检验员：