第五章_铝合金焊接

1、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、 工业纯铝的特性含Al99%，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。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） 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1.01.6%）2 Al-Mg系（LF26、5000系列）Mg的固溶强化作用大于MnMg，强度，脆性相（Mg2Al3），耐蚀性。二） 时效强化铝合金最为典

2、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），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（495503）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）1） 特点：A

3、l-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：b=309Mpa，=34%母 材：b=536Mpa，=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，b，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b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45%；Mg=13.5%，较为理想，常加入Cr、Mn、Ti、Zn细化晶粒。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

4、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与线胀系数都很大，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。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

5、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abca 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

6、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MIGTIG （同样的气氛条件下）AMIG：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

7、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

8、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118 VH E线 有利于气孔 图119 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

9、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1110 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

10、，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2520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ALSi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，b， 。b） 不同母材匹配不同焊丝，具不同的裂纹倾向 （图1112）分析匹配情况 （图1113Cu与Mg含量对AL-Zn-Mg热裂的影响）。b（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，ak.抗裂性

11、。 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IH减小熔池过热，抗裂性 VH，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（IH也是不利的.IH.熔合比）三焊接接头的“等强性” 表1115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

12、焊接：接头强度低于母材，即有软化现象。2 时效强化铝合金 除了Al-Zn-Mg合金，均接头母材而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。 所有时效强化的化合金，焊后不论处理否。接头母材强度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。 焊缝铸造组织 焊接T再结晶（2003000C），产生明显软化（图1116）软化区，接头明显。（图1117）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

13、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1118，图1119）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。

14、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，

15、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34mm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。1TIG焊接方法 采用双层气体保护 一般采用交

16、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） 2MIG焊接法（DCRP）IH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，1.62.0mm构件 热作用小，适于焊接热处理强化铝合金。IH大于300400A，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。 IH与VH必须紧密的配合。1）TIG焊接：钨极一定，IH，VH，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：VH可以大范围变动，0.151.5mm/min; V送丝可以更大范围变动，1.110mm/min; IH 必须适当，关键是确定临界电流； 层间温度，接头，微裂纹倾向规律：Ic=75ds+20IH一定，V送丝=V熔化V送丝，粘丝现象