第5章有色金属的焊接

第5章有色金属的焊接_5.1铝及铝合金的焊接_5.2铜及铜合金的焊接_5.3钛及钛合金的焊接_5.1铝及铝合金的焊接_

5.1.1铝及铝合金的分类、成分及性能_

1、铝及铝合金的分类2、铝及铝合金的牌号、成分及性能

5.1.2铝及铝合金的焊接性_

1、焊缝中的气孔2、焊接热裂纹3、焊接接头的“等强性”

4、焊接接头的耐蚀性

5.1.3铝及铝合金的焊接工艺_

1、焊接方法2、焊接材料3、焊前清理和预热4、焊接工艺要点5.1铝及铝合金的焊接铝及铝合金特点：密度小、比强度高，良好耐蚀性、导电性、导热性、低温力学性能应用：航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防5.1.1铝及铝合金的分类、成分及性能1.铝及铝合金的分类1）根据合金化系列：工业纯铝、铝铜合金、铝锰合金、铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金、铝锌镁铜合金等2）按强化方式：非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金3）按铝制产品形式不同：变形铝合金和铸造铝合金图5-1铝合金分类示意图1—变形铝合金2—铸造铝合金3—非热处理强化铝合金4—热处理强化铝合金表5-1铝合金分类分类合金名称合金系性能特点牌号示例变形铝合金非热处理强化铝合金防锈铝Al-Mn抗蚀性、压力加工性与焊接性能好、但强度较低3A21Al-Mg5A05热处理强化铝合金硬铝Al-Cu-Mg力学性能高2A11超硬铝Al-Cu-Mg-Zn强度最高7A04锻铝Al-Mg-Si-Cu锻造性能好、耐热性能好6A02Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A70铸造铝合金铝硅合金Al-Si铸造性能好，不能热处理强化，力学性能较低ZL102特殊铝硅合金Al-Si-Mg铸造性能良好，可热处理强化，力学性能较高ZL101Al-Si-CuZL107铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好，铸造性能与抗蚀性差ZL201铝镁铸造合金Al-Mg力学性能高，抗蚀性好ZL301非热处理强化铝合金：可通过加工硬化、固溶强化提高力学性能特点：强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝焊接性良好是焊接结构中应用最广的铝合金热处理强化铝合金：通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能经热处理：可显著提高抗拉强度焊接性较差：熔焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能下降包括：硬铝、超硬铝、锻铝等类别牌号主要化学成分(质量分数)（%）原牌号CuMgMnFeSiZnNiCrTiBeAlFe+Si工业纯铝1A990.05——0.0030.002—————99.99—LG51A970.05——0.0150.015—————99.97—LG41A850.01——0.100.08—————99.85—LG110700.040.030.030.250.20.04——0.03—99.8——10350.05——0.350.40—————99.300.60L412000.05——0.050.050.10——0.05—99.001.00L58A060.100.100.100.500.550.10余量1.00L6防锈铝5A020.102.0~2.80.15~0.40.40.4———0.15—余量0.6LF25A030.103.2~3.80.30~0.60.500.50~0.80.20——0.15——LF350520.12.2~2.80.10.40.250.1—0.15~0.35————50830.104.0~4.90.4~1.00.400.400.25—0.05~0.250.15——LF45A050.104.8~5.50.30~0.60.500.500.20—————LF55B050.204.7~5.70.20~0.60.40.4———0.15—0.6LF105A120.058.3~9.60.40~0.80.300.300.200.10Sb0.004~0.050.05~0.150.05—LF1230030.05~0.21.0~1.50.70.60.10——————3A210.200.051.0~1.60.700.60.10——0.15——LF21表5-2常用铝及铝合金的牌号及化学成分2、铝及铝合金的牌号、成分及性能硬铝2A022.6~3.22.0~2.40.45~0.70.300.300.10——0.15余量—LY22A043.2~3.72.1~2.60.5~0.80.300.300.10——0.05~0.40.001~0.005—LY42A063.8~4.31.7~2.30.5~1.00.500.500.10——0.03~0.150.001~0.005—LY62B113.8~4.50.4~0.80.40~0.80.500.500.10——0.15——LY82A103.9~4.50.15~0.30.30~0.50.200.250.10——0.15——LY102A113.8~4.80.40~0.80.40~0.80.700.700.300.10—0.15—Fe+Ni0.7LY112A123.8~4.91.2~1.80.30~0.90.500.500.300.10—0.15—Fe+Ni0.5LY122A134.0~5.00.30~0.5—0.600.700.600.10—0.15——LY13锻铝6A020.2~0.60.45~0.9或Cr0.15~0.350.500.50~1.20.2____0.15__余量__LD22A701.9~2.51.4~1.80.20.9~1.50.350.30.9~1.5—0.02~0.1—__LD72A903.5~4.50.4~0.80.20.5~1.00.5~1.00.31.8~2.3—0.15—__LD92A143.9~4.80.4~0.80.4~1.00.70.6~1.20.30.1—0.15____LD10超硬铝7A031.8~2.41.2~1.60.100.200.206.0~6.7__0.050.02~0.08__余量__LC37A041.4~2.01.8~2.80.20~0.60.500.505.0~7.0__0.10~0.25______LC47A091.2~2.02.0~3.00.150.50.55.1~6.1__0.16~0.30______LC97A100.5~1.03.0~4.00.20~0.350.300.303.2~4.2__0.10~0.20.05____LC10特殊铝4A010.20____0.64.5~6.0Zn+Sn0.10____0.15__余量__LT14A17Cu+Zn0.150.050.50.511.0~12.5______0.15__Ca0.10LT17类别合金牌号材料状态抗拉强度b/MPa屈服强度s

/MPa伸长率

(%)断面收缩率(%)布氏硬度HB工业纯铝1A99固溶态450.2=105=50—178A06退火903030—251035冷作硬化14010012—32防锈铝3A21退火冷作硬化130160501302010705530405A02退火冷作硬化200250100210236——45605A055B05退火27015023——70硬铝2A11淬火+自然时效退火包铝的，淬火+自然时效包铝的，退火420210380180240110220110181818183558——10045100452A12淬火+自然时效退火包铝的，淬火+自然时效包铝的，退火470210430180330110300100171818183055——10542105422A01淬火+自然时效退火30016017060242450—7038锻铝6A02淬火+人工时效淬火退火323.4215.6127.4274.4117.660122224205065956530超硬铝7A04淬火+人工时效退火588254.8539127.41213——150—表5.3常用铝及铝合金的力学性能合金密度ρ/g·cm3比热容C/J·g-1·℃-1热导率λ/J·cm-1·s-1·℃-1线膨胀系数α/×10-6℃-1电导率ρ/×10-6Ω·cm100℃25℃20100℃20℃纯铝3A215A035A062A122A166A022A142.72.6932.672.642.782.702.802.850.901.000.880.920.920.880.790.832.211.801.461.171.171.381.751.5923.623.223.523.722.722.623.522.52.6653.454.966.735.796.103.704.30表5-4铝及铝合金的物理性能5.1.2铝及铝合金的焊接性①化学活性很强：表面极易形成难熔氧化膜Al2O3熔点2050℃，MgO熔点2500℃②导热性强——1）焊接时易造成不熔合现象氧化膜密度与铝的密度接近：——2）易成为焊缝金属的夹杂物氧化膜(特别MgO存在不很致密氧化膜)可吸收较多水分——3）焊缝气孔线膨胀系数大——4）焊接时容易产生翘曲变形焊接方法焊接性及适用范围说明工业纯铝铝锰合金铝镁合金铝铜合金适用厚度/mm1070110030033004508350565052545420142024推荐可用TIG焊(手工、自动)好好好好很差1~100.9~25填丝或不填丝，厚板需预热。交流电源MIG焊(手工、自动)好好好好差≥8≥4焊丝为电极，厚板需预热和保温。直流反接脉冲MIG焊(手工、自动)好好好好差≥21.6~8适用于薄板焊接气焊好好很差差很差0.5~100.3~25适用于薄板焊接焊条电弧焊尚好尚好很差差很差3~8—直流反接，需预热，操作性差电阻焊(点焊、缝焊)尚好尚好好好尚好0.7~30.1~4需要电流大等离子弧焊好好好好差1~10—焊缝晶粒小，抗气孔性能好电子束焊好好好好尚好3~75≥3焊接质量好，适用于厚件表5-5部分铝及铝合金的相对焊接性1、焊缝中的气孔焊缝气孔：熔焊时最常见缺陷，特别纯铝、防锈铝（1）铝及其合金熔焊时形成气孔原因氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因氢的来源：①弧柱气氛中的水分②焊材及母材所吸附的水分①弧柱气氛中水分的影响由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热熔融金属中，凝固时来不及析出成为焊缝气孔。图5-2氢在铝中的溶解度（pH2=101kPa）平衡条件下：沿实线变化凝固点时：0.69↓→0.036及：铝导热性强，熔合区冷却速度快，不利于气泡浮出原因：氢在铝中的溶解度气孔特征：具有白亮内壁不同合金系对弧柱气氛中水分的影响：纯铝：对气氛中的水分最为敏感Al-Mg合金：Mg含量↗→氢的溶解度、引起气孔的临界氢分压pH2↗→不太敏感即：同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些不同焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性：TIG焊：熔池金属表面与气体氢反应，因比表面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如MIG焊时容易MIG焊：焊丝以细小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴金属易于吸收氢同时：MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深→不利于气泡的浮出因而，在同样的气氛条件下，MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大②氧化膜中水分的影响正常焊接条件：气氛中的水分已严格限制生成焊缝气孔主要原因：焊丝或工件氧化膜中所吸附水分氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。Al-Li合金的氧化膜更易吸收水分而促使产生气孔MIG焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多表5.6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/mL•100g-12.81.61.08.7氢量/mL•100g-12.11.30.76.9氢体积比率

(%)74.981.370.079.3

若为Al-Mg合金焊丝，对焊缝含氢量影响更显著严格限制弧柱气氛水分的MIG条件下，用Al-Mg合金焊丝比用纯铝焊丝时具有更大气孔倾向TIG焊：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气孔的主要原因氧化膜：提供了氢的来源能使气泡聚集附着坡口端部氧化膜引起的气孔：分布：沿着熔合区原坡口边缘分布颜色：内壁呈氧化色Al-Mg合金：比纯铝更易于形成疏松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-Mg合金更易产生这种氧化膜气孔焊接铝镁合金时，焊前须仔细清除坡口端部的氧化膜皮下气孔：Al-Mg合金气焊或TIG焊慢速焊条件下，母材表面氧化膜也会在近缝区引起“气孔”以表面密集的小颗粒状的“鼓泡”形式呈现出来（2）防止焊缝气孔的途径1）减少氢的来源a、焊材要严格限制含水量，使用前需干燥处理b、焊前处理：焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除化学或机械方法，或两者并用（化学清洗后应及时施焊）表5-7铝合金化学清洗溶液及处理方法示例

作用配方处理方法脱脂去油Na3PO450gNa2CO350gNa2SiO330gH2O1000g在60℃溶液中浸泡5~8min，然后在30℃热水中冲洗、冷水中冲洗，用干净的布擦干清除氧化膜NaOH（除氧化膜）5%~8%HNO3（光化处理）30%~50%50~60℃；NaOH中浸泡（纯铝20min，铝镁合金5~10min），用冷水冲洗。然后在30%HNO3中浸泡（≤1min）。最后在50~60℃热水中冲洗，放在100~110℃干燥箱中烘干或风干c、正反面全面保护，配以坡口刮削d、将坡口下端根部刮去一个倒角(成为倒V形小坡口)防止根部氧化膜引起的气孔图铲根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn，MIG）1—未铲根2—铲根e、焊接时铲焊根f、MIG焊时，采用粗直径焊丝气孔倾向小2）控制焊接工艺焊接参数的影响：对熔池高温存在时间的影响即对氢溶入时间和氢析出时间影响熔池高温存在时间增长：有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶入；熔池高温存在时间减少：可减少氢的溶入，但也不利于氢的逸出焊接参数不当：如造成氢溶入量多而又不利于逸出时气孔倾向势必增大TIG焊参数选择：一方面采用小热输入以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，因而须适当提高焊接速度；同时又要保证根部熔合，以利根部氧化膜中的气泡浮出，又须适当增大焊接电流图5-3焊接工艺参数对气孔倾向的影响（5A06，TIG）大电流配合较高焊速MIG焊：焊丝氧化膜的影响更明显增大熔池时间以利气泡逸出图5-5MIG焊接时焊缝气孔倾向与焊接工艺参数的关系（板Al-2.5%Mg，焊丝Al-3.5%Mg）降低焊速和提高热输入图5-5板厚及接头形式对焊缝气体含量的影响（MIG）1—对接接头2—T形接头薄板焊接：热输入增大→减少焊缝中气体含量中厚板焊接：热输入增大影响不明显接头冷却条件：可采取预热来降低接头冷却速度，以利气体逸出，减少焊缝气孔倾向T形接头的冷却速度是对接接头的1.5倍改变弧柱气氛的性质如氩弧焊时，Ar中+少量CO2或O2等氧化性气体→使氢发生氧化而减小氢分压→减少气孔生成倾向CO2或O2的数量要适当控制：数量少时无效果过多时又会使焊缝表面氧化严重而发黑2、焊接热裂纹热裂纹：焊缝凝固裂纹、近缝区液化裂纹1）铝合金焊接热裂纹的特点理论上：最大裂纹倾向与合金最大凝固温度区间相对应实际上：图5-6Al-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—断续焊道焊缝裂纹倾向最大时成分xm：2%Mg附近并非凝固温度区间最大（l5.36%Mg）的合金易熔共晶的存在，是焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一原因：焊接加热和冷却过程都很快，使合金来不及建立平衡状态，固相与液相之间的扩散来不及进行，先凝固的固相中合金元素含量少，而液相中却含较多合金元素，以致可在较少的平均浓度下就出现共晶

铝合金线膨胀系数大，在拘束条件下焊接时易产生较大焊接应力，是促使其具有较大裂纹倾向原因之一近缝区液化裂纹：与晶间易熔共晶有联系，是在不平衡焊接加热条件下因偏析而形成的2）防止焊接热裂纹的途径焊缝金属的凝固裂纹：合理确定焊缝的合金成分，并配合适当焊接工艺来进行控制①合金系的影响Al+Cu、Mn、Si、Mg、Zn等→获得不同性能合金→裂纹敏感性不同调整焊缝合金系的着眼点：从抗裂角度考虑：在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间图5-9焊丝成分对不同母材焊缝热裂倾向的影响1—3A212—Al-2.5%Mg3—Al-3.5%Mg4—Al-5.2%MgAl-Mg合金焊接：焊丝：wMg%>3.5%或>5%为好Al-Mn合金焊接：焊丝：wMg%>8%→改善焊缝抗裂性高强铝合金：如硬铝，裂纹倾向大在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性，成效不大采用含wSi=5%的Al-Si合金焊丝（4A01）来解决抗裂问题原因：可形成较多易熔共晶，流动性好，具有很好“愈合”作用，有很高抗裂性能图5-10Al-Cu-Mg及Al-Cu-Mn系合金的凝固裂纹倾向与合金组成的关系（铸环抗裂试验）a）Al-Cu-Mg合金b）Al-Cu-Mn合金Al-Cu系硬铝合金：为改善焊接性而设计硬铝合金2A122A2A162A16：Al-Cu-Mn合金Mg可降低Al-Cu合金中Cu的溶解度，促使增大脆性温度区间，故取消Al-Cu-Mg中的Mg，添加少量Mn(wMn<1%)Al-Cu-Mn合金:wCu=6%~7%时，正处裂纹倾向不大区域Mn：能提高再结晶温度而改善热强性，可作耐热铝合金应用wTi=0.1%~0.2%：细化晶粒

wFe＞0.3%：降低强度和塑性

wSi＞0.2%时：增大裂纹倾向特别Si、Mg同时存在时，裂纹倾向更严重限制wMg＜0.05%超硬铝：焊接性差，尤其熔焊时易产生裂纹

且接头强度远低于母材Cu：影响最大，在Al-6%Zn-2.5%Mg中只加入

wCu=0.2%即可引起焊接裂纹Al-Zn-Mg系合金：焊接裂纹倾向小

所用焊丝不许含Cu，且应提高Mg含量，同时要求wMg＞wZnZn及Mg增多时，强度增高但耐蚀性下降

焊后仅靠自然时效，接头强度即可基本恢复到母材水平高强铝合金焊丝：含Ti、Zr、V、B等微量元素

→细化晶粒、改善塑性、韧性显著提高抗裂性能图5-11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）②焊丝成分的影响1）采用成分与母材相同焊丝时，具有较大裂纹倾向2）Al-5%Si焊丝4043、Al-5%Mg焊丝5A05或5556抗裂效果满意3）Al-Zn-Mg合金专用焊丝X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）具有相当高的抗裂性能③焊接参数的影响焊接参数影响凝固过程不平衡性凝固组织状态应力变化影响裂纹产生热能集中焊接方法：

可防止形成方向性强的粗大柱状晶→可以改善抗裂性小焊接电流：可减少熔池过热，有利于改善抗裂性焊接速度提高：促使增大焊接接头应力，增大热裂倾向大部分铝合金的裂纹倾向都比较大即使采用合理焊丝，熔合比大时，裂纹倾向也必然增大增大焊接电流是不利的，而且应避免断续焊接3、焊接接头的“等强性”表5-8铝合金母材及焊接接头（MIG焊）的力学性能比较合金母材（最小值）接头（焊缝余高削除）状态σb/MPaσs/MPaδ(%)焊丝焊后热处理σb/MPaσs/MPaδ(%)Al-Mg(5052)退2009618冷作23417865356—19382.318Al-Cu-Mg(2024)退火220109164043—207109155356—20710915固溶+自然时效427275154043—2802013.15356—2951943.9同母材—2892754同母材自然时效1个月371—4AL-Cu(2219)固溶+人工时效463383102319—2852083Al-Zn-Mg-Cu(7075)固溶+人工时效53648274043人工时效3092003.7Al-Zn-Mg(X7005)固溶+自然时效35222518X5180自然时效1个月3162147.3固溶+人工时效35230415X5180自然时效1个月3122146.2Al-Zn-Mg(7039)—461402115356—3241968Al-Cu-Li(weldalite049)固溶+人工时效—650—2319—3432373.9非时效强化铝合金如Al-Mg合金：

冷作状态下焊接时接头有软化现象时效强化铝合金：

焊后不经热处理，接头强度均低于母材特别硬铝：即使焊后经人工时效处理接头强度系数<60%Al-Zn-Mg合金：接头强度与焊后自然时效的时间长短有关系焊后仅依靠自然时效的时间增长，接头强度即可提高到接近母材的水平，这是Al-Zn-Mg合金值得注意的特点1）强度2）塑性：

所有时效强化的铝合金，焊后不论是否经过时效处理，其接头塑性均未能达到母材水平铝合金焊接时的不等强性表明焊接接头发生了某种程度的软化或性能上的削弱1）焊缝a、在退火状态以及焊缝成分与母材一致条件下

强度可能差别不大，但焊缝塑性都不如母材b、焊缝成分不同于母材

焊缝性能将主要决定于所选用的焊接材料保证焊缝强度与塑性：固溶强化型合金系优于共晶型合金系c、焊接工艺条件影响：

①多层焊时，后一焊道可使前一焊道重熔一部分，会发生缺陷的积累，特别是在层间温度过高时，可能使层间出现热裂纹②焊接热输入越大，焊缝性能下降的趋势也越大2）熔合区非时效强化铝合金焊接时：晶粒粗化而降低塑性时效强化铝合金焊接时：晶粒粗化、因晶界液化而产生显微裂纹3）热影响区（HAZ）

非时效强化合金或时效强化合金，HAZ都表现出即软化4、焊接接头的耐蚀性铝合金焊接接头耐蚀性：一般低于母材热处理强化铝合金（如硬铝）接头耐蚀性降低尤其明显影响接头耐蚀性的因素：1）接头组织越不均匀，越易降低耐蚀性2）焊缝金属的纯度和致密性：杂质较多、晶粒粗大以及脆性相(如FeAl3)析出等，耐蚀性会明显下降出现：局部表面腐蚀、晶间腐蚀3）焊接应力改善接头耐蚀性措施：1）改善接头组织成分的不均匀性

主要通过焊材使焊缝合金化，细化晶粒并防止缺陷；同时通过限制焊接热输入以减小热影响区，并防止过热。2）消除焊接应力

表面拉应力可采用局部锤击办法来消除焊后热处理3）采取保护措施

例如，采取阳极氧化处理或涂层等5.1.3铝及铝合金的焊接工艺1、焊接方法常用的焊接方法：氩弧焊（TIG、MIG）、等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等也可采用：冷压焊、超声波焊、钎焊等较为合适焊接方法：热功率大、能量集中和保护效果好气焊、电弧焊：仅用于修复和焊接不重要的焊接结构在铝合金焊接中已逐渐被氩弧焊（TIG、MIG）取代

2、焊接材料铝及铝合金焊丝：同质焊丝、异质焊丝选择焊丝：首先考虑焊缝成分要求其次考虑抗裂性、力学性能、耐蚀性等选择熔化温度低于母材的填充金属：

可减小热影响区液化裂纹倾向非热处理强化铝合金的焊接接头强度：

按1000系、4000系、5000系焊丝的次序增大wMg>3％的5000系的焊丝：

避免在使用温度65℃以上的结构中采用因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感牌号化学成分(质量分数)(%)SiFeCuMnMgCrZnV、ZrTi其他Al每种合计1070—≤0.20≤0.25≤0.04≤0.03≤0.03—≤0.04—≤0.03≤0.03—≤99.701100HS301Si+Fe≤1.00.05~0.2≤0.05——≤0.10——≤0.05≤0.15≥99.001200—Si+Fe≤1.0≤0.05≤0.05——≤0.10—≤0.05≤0.05≤0.15≥99.002319—≤0.20≤0.305.8~6.80.2~0.4≤0.02—≤0.10V0.05~0.15Zr0.10~0.250.10~0.20≤0.05≤0.15余量4043HS3114.5~6.0≤0.8≤0.30≤0.05≤0.05—≤0.10—≤0.20≤0.05≤0.15余量4047HL40011.0~13.0≤0.8≤0.30≤0.15≤0.10—≤0.20——≤0.05≤0.15余量4145HL4029.3~10.7≤0.83.3~4.7≤0.15≤0.15≤0.15≤0.20——≤0.05≤0.15余量5554—≤0.25≤0.40≤0.100.50~1.02.4~3.00.05~0.20≤0.25—0.05~0.20≤0.05≤0.15余量5654—Si+Fe≤0.45≤0.05≤0.013.1~3.90.15~0.35≤0.20—0.05~0.15≤0.05≤0.15余量5356—≤0.25≤0.40≤0.100.05~0.24.5~5.50.05~0.20≤0.10—0.06~0.20≤0.05≤0.15余量5556HS331≤0.25≤0.40≤0.100.50~1.04.7~5.50.05~0.20≤0.25—0.05~0.20≤0.05≤0.15余量5183—≤0.40≤0.40≤0.100.50~1.04.3~5.20.05~0.25≤0.25—≤0.15≤0.05≤0.15余量表5.9铝及铝合金焊丝的化学成分焊接气体：Ar、He

Ar技术要求：φAr＞99.9%，wO＜0.005%，wH＜0.005%，

w水分＜0.02mg/L，wN＜0.015%

wO、wN

↗→恶化阴极雾化作用wO：＞0.3%使钨极烧损加剧>0.1%使焊缝表面无光泽或发黑TIG焊：交流加高频焊接选用纯Ar，适用大厚板；直流正极性焊接选用Ar+He或纯HeMIG焊：

板厚＜25mm时，采用纯Ar；板厚=25~50mm时，10%~35%He的Ar+He混合气体；板厚=50~75mm时，35%~50%He的Ar+He混合气体；板厚＞75mm时，添加50%~75%He的Ar+He混合气体3、焊前清理和预热1）化学清理效率高，质量稳定适用于：清理焊丝以及尺寸不大、批量生产的工件溶液浓度温度/℃容器材料工序目的硝酸50%水50%硝酸18~24不锈钢浸15min，在冷水中漂洗，然后在热水中漂洗，干燥去除薄的氧化膜，供熔焊用氢氧化钠+硝酸5%氢氧化钠95%水70低碳钢浸10~60s，在冷水中漂洗去除厚氧化膜，适用于所有焊接方法和钎焊方法浓硝酸18~24不锈钢浸30s，在冷水中漂洗，然后在热水中漂洗，干燥硫酸铬酸硫酸CrO3水70~80衬铝的钢罐浸2~3min，在冷水中漂洗，然后在热水中漂洗，干燥去除因热处理形成的氧化膜磷酸铬酸磷酸CrO3水93不锈钢浸5~10min，在冷水中漂洗，然后在热水中漂洗，干燥去除阳极化处理镀层表5-10去除铝表面氧化膜的化学处理方法焊丝清洗后：在150~200℃烘箱内烘焙0.5h，然后存放在100℃烘箱内随用随取焊件清洗过：应立即进行装配、焊接2）机械清理先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污，然后根据零件形状采用切削方法，也可使用刮刀、锉刀等。较薄的氧化膜可采用不锈钢钢丝刷清理，不宜采用砂纸或砂轮打磨。清理后的焊丝、工件焊前存放时间一般不要超过12h3）焊前预热焊前最好不预热，因为预热可加大热影响区的宽度，降低铝合金焊接接头的力学性能。厚度>5~8mm的厚大铝件焊前需进行预热：以防变形和未焊透，减少气孔等缺陷通常预热到90℃即足以保证在始焊处有足够的熔深wMg=4.0%~5.5%的铝镁合金的预热温度不应超过90℃4、焊接工艺要点1）铝及铝合金的气焊用于：0.5~10mm厚的铝及铝合金件对质量要求不高或补焊的铝及铝合金铸件①气焊的坡口形式及尺寸②气焊溶剂的选用③气焊操作④焊后处理2）铝及铝合金的钨极氩弧焊（TIG焊）

适于：厚度<3mm的铝及铝合金薄板交流TIG焊：①具有去除氧化膜的清理作用②不用熔剂，避免了焊后熔剂残渣对接头的腐蚀，③接头形式不受限制，④焊缝成形良好、表面光亮

⑤氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织性能，适于全位置焊接

⑥不用熔剂，焊前清理要求比其他焊接方法严格焊接铝及铝合金最适宜：交流TIG焊和交流脉冲TIG焊交流TIG焊：可在载流能力、电弧可控性以及电弧清理等方面实现最佳配合大多数采用交流电源

直流正接时：热量产生于工件表面，熔深大即使厚截面也不需预热，母材几乎不变形直流反接时：对连续焊或补焊壁厚2.4mm以下的铝合金件仍有着熔深浅、电弧易控制等优点板厚/mm钨极直径/mm焊接电流/A焊丝直径/mm氩气流量//Lmin-1喷嘴孔径/mm焊接层数正面/背面预热温度/℃备注1240~601.67~98正1—卷边焊22~390~1202~2.58~128~12对接焊44180~200310~1510~121~2/1—65240~280416~2014~161~2/1—10280~3404~53~4/1~2100~150145~6340~3805~620~2416~20180~20016~206340~38025~3016~222~3/2~3200~26022~256~7360~40030~3520~223~4/3~4表5-11纯铝、铝镁合金手工TIG焊的工艺参数为了防止起弧处及收弧处产生裂纹等缺陷，有时需要加引弧板和引出板焊件厚度/mm焊件层数钨极直径/mm焊丝直径/mm喷嘴直径/mm氩气流量/Lmin-1焊接电流/A送丝速度/mh-1111.5~21.68~105~6120~160—231.6~212~14180~22065~7041~252~310~1414~18240~28070~756~82~35~6314~1818~2475~808~1263~4300~34080~85表5-12自动TIG焊的工艺参数交流脉冲TIG焊：特别适用于焊接铝合金精密零件增加脉冲可减小热输入，有利于薄铝件的焊接加热速度快、高温停留时间短、对熔池有搅拌作用，焊接薄板、硬铝可得到满意的结果对仰焊、立焊、管子全位置焊、单面焊双面成形等，也可得到较好的焊接效果表5-13铝及铝合金交流脉冲TIG焊的工艺参数母材板厚/mm钨极直径/mm焊丝直径/mm电弧电压/V脉冲电流/A基值电流/A脉宽比(%)气体流量/Lmin-1频率/Hz5A031.532.51480453351.72.515955025A06221083442.52A122.513140523682.6表5-14铝及铝合金TIG焊的常见缺陷及防止措施

缺陷产生原因防止措施气孔氩气纯度低，焊丝或母材坡口附近有污物；焊接电流和焊速选择过大或过小；熔池保护欠佳，电弧不稳，电弧过长，钨极伸出过长保证氩气纯度，选择合适气体流量；调整好钨极伸出长度；焊前认真清理，清理后及时焊接；正确选择焊接参数裂纹焊丝成分选择不当；熔化温度偏高；结构设计不合理；高温停留时间长；弧坑没填满选择成分与母材匹配的焊丝；加入引弧板或采用电流衰减装置填满弧坑；正确设计焊接结构；减小焊接电流或适当增加焊接速度未焊透焊接速度过快，弧长过大，焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过小，钝边过大；工件坡口边缘的毛刺、底边的污垢焊前没有除净；焊炬与焊丝倾角不正确正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接参数；加强氧化膜、熔剂、焊渣和油污的清理；提高操作技能等焊缝夹钨接触引弧所致；钨极末端形状与焊接电流选择的不合理，使尖端脱落；填丝触及到热钨极尖端和错用了氧化性气体采用高频高压脉冲引弧；根据选用的电流，采用合理的钨极尖端形状；减小焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极伸出长度；更换惰性气体咬边焊接电流太大，电弧电压太高，焊炬摆幅不均匀，填丝太少，焊接速度太快降低焊接电流与电弧长度；保持摆幅均匀；适当增加送丝速度或降低焊接速度3）铝及铝合金的熔化极氩弧焊（MIG焊）MIG焊：采用直流反极性焊接薄、中等厚度板材时，可用纯Ar作保护气体；焊接厚大件时，采用（Ar+He）混合气体，也可采用纯He保护焊前一般不预热，板厚较大时，也只需预热起弧部位根据焊件厚度：选择坡口尺寸、焊丝直径和焊接电流等工艺参数板材牌号焊丝型号(牌号)板材厚度/mm坡口尺寸焊丝直径/mm喷嘴直径/mm氩气流量/Lmin-1焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/mh-1备注钝边/mm坡口角度/(º)5A05SAlMg-5(HS331)5——2.0222824021~2242单面焊双面成形10601050ASAl-3(HS39)6~8——2.52230~35230~26026~2725正反面均焊一层81216202548121621100300~32024~283.04.04.04.028320~34028~291540~45380~42029~3117~2050~60450~500490~55017~19—5A025A03SAlMn(HS331)121825814161203.04.04.022282830~3550~6050~60320~350450~470490~52028~3029~3029~302418.716~192A11SAlSi-5(HS311)506~875—28—450~50024~2715~18采用双面U形坡口,钝边6~8mm表5-15纯铝、铝镁合金和硬铝自动MIG焊的工艺参数注：1.正面层焊完后必须铲除焊根，然后进行反面层的焊接；2.焊炬向前倾斜10～15°。板厚/mm坡口形式坡口尺寸/mm焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V氩气流量/Lmin-1喷嘴直径/mm备注6对接间隙0~22.0230~27026~2720~2520反面采用垫板仅焊一层焊缝8~12单面V形坡口间隙0~2钝边2坡口角度70°2.0240~32027~2925~3620正面焊两层，反面焊一层14~18单面V形坡口间隙0~0.3钝边10~14坡口角度90°~100°2.5300~40029~3035~5022~24正面焊两层，反面焊一层20~25单面V形坡口间隙0~0.3钝边16~21坡口角度90°~100°2.5~3.0400~45029~3150~6022~24表5-16纯铝半自动MIG焊的工艺参数对于相同厚度的铝锰、铝镁合金焊接电流：降低20~30A氩气流量：增大10~15L/min脉冲MIG焊：可将熔池控制的很小，容易进行全位置焊接，尤其焊接薄板、薄壁管的立焊缝、仰焊缝和全位置焊缝是一种较理想的焊接方法脉冲MIG焊电源是直流脉冲表5-17纯铝、铝镁合金半自动脉冲MIG焊的工艺参数牌号板厚/mm焊丝直径/mm基值电流/A脉冲电流/A焊接电压/V脉冲频率/Hz氩气流量/Lmin-1备注10351.61.020110~13018~195018~20喷嘴孔径16mm焊丝牌号10353.01.2140~16019~2020焊丝牌号10355A031.81.020~25120~14018~1920喷嘴孔径16mm焊丝牌号5A035A054.01.2160~18019~2020~22喷嘴孔径16mm焊丝牌号5A055.2铜及铜合金的焊接_

5.2.1铜及铜合金的分类、成分及性能_1、铜及铜合金的分类2、铜及铜合金的牌号、成分及性能5.2.2铜及铜合金的焊接性_

1、难熔合及易变形2、热裂纹3、气孔4、焊接接头性能的变化5.2.3铜及铜合金的焊接工艺_

1、焊接方法和焊接材料2、焊前准备3、焊接工艺及参数5.2铜及铜合金的焊接5.2.1铜及铜合金的分类、成分及性能1.铜及铜合金的分类特点：优良的导电、导热性能、冷热加工性能好，高的强度、抗氧化性、抗腐蚀性应用：电气、电子、动力、化工等工业纯铜：wCu%≥99.5%，紫铜黄铜：Cu-Zn二元合金，表面淡黄色青铜：Cu+Sn、Al、Si、Pb、Be等再+Zn、P、Ti等→获得特殊性能白铜：wNi%<50%Cu-Ni合金，可+Mn、Fe、Zn等合金名称合金系性能特点牌号纯铜Cu导电性、导热性好、良好的常温和低温塑性，对大气、海水和某些化学药品的耐腐蚀性好T1T2黄铜Cu-Zn在保持一定塑性情况下，强度、硬度高，耐蚀性好H62H68青铜Cu-Sn较高的力学性能、耐磨性能、铸造性能和耐腐蚀性能，并保持一定的塑性焊接性能好QSn6.5-0.4Cu-AlQAl9-2Cu-SiQSi3-1Cu-BeQBe2.5白铜Cu-Ni力学性能、耐蚀性能较好，在海水、有机酸和各种盐溶液中具有较高的化学稳定性，优良的冷、热加工性能B10表5-18铜及铜合金的分类纯铜：退火状态（软态）下塑性好，但强度低——焊接结构用经冷加工变形后（硬态）→强度↗塑性↘经550~600℃退火→塑性回复黄铜：具有比紫铜高得多的强度、硬度和耐蚀性能，并保持一定的塑性青铜：除铍青铜外，导热性比紫铜、黄铜低几倍至几十倍，并具有较窄结晶区间，改善了焊接性白铜：结构铜镍合金：用于化工、精密机械、海洋工程电工铜镍合金：重要电工材料焊接结构：白铜不多，wNi=10%~30%的铜镍合金2、铜及铜合金的牌号、成分及性能表5-19铜及铜合金的牌号、化学成分材料名称牌号化学成分(质量分数)(%)CuZnSnMnAlSiNi+Co其他杂质≤纯铜T1≤99.95———————0.05无氧铜TU1≤99.97———————0.03黄铜压力加工黄铜H6867.0~70.0余量——————0.3C6260.5~63.5余量——————0.5铸造黄铜ZHSi80-379~81余量———2.5~4.5——2.8ZHMn58-2-257~60余量—1.5~2.5———Pb1.5~2.52.5青铜压力加工青铜QSn6.5-0.4余量—6.0~7.0—————0.1QBe2.5余量—————0.2~0.5Be2.3~2.60.5铸造青铜ZQSnP10-1余量—9~11————Pb0.3~1.20.75白铜B10余量—————29~33——材料名称牌号材料状态或铸模力学性能物理性能抗拉强度σb/MPa伸长率δ5(%)硬度HBS密度/g•cm-2线膨胀系数/10-6K-1热导率/W•m-1•K-1熔点/℃纯铜T1软态196~25350—8.941.68395.801300硬态329~4906—黄铜H68软态313.655—8.519.9117.04932硬态646.83150H62软态323.449568.4320.6108.68905硬态5883164ZHSi80-3砂模245101008.317.041.8900金属模29415110青铜QSn6.5-0.4砂模343~44160~7070~908.819.150.16995金属模686~7847.5~12160~200QAl9-2软态44120~4080~1007.617.071.061060硬态584~7844~5160~180QSi3-1软态343~39250~60808.415.845.981025硬态637~7351~5180白铜B10软态—————30.931149硬态———表5-20铜及铜合金的力学性能和物理性能5.2.2铜及铜合金的焊接性1、难熔合及易变形焊接结构：纯铜及黄铜熔焊表5-21铜和铁物理性能的比较金属热导率/w•(m•K)-1线膨胀系数/×10-6•K-1收缩率(%)熔点/℃20℃1000℃20~100℃Cu393.6326.616.44.71300Fe54.829.314.22.015801）铜导热性好，热容量大，母材和填充金属难以熔合——采用大功率热源、加热2）铜热膨胀系数和收缩率较大，易引起内应力、变形

2、热裂纹熔点326℃（Cu+Pb）1064℃（Cu2O+Cu）1067℃（Cu+Cu2S）270℃（Cu+Bi）铜与杂质形成低熔点共晶：图5-14铜-氧相图焊缝：wCu2O%>0.2%（wO%=0.02%）wPb>0.03%、wBi%>0.005%

会出现热裂纹

铜在高温形成低熔点共晶体，分布在晶界上，在应力作用下易产生热裂纹。

采取措施避免接头裂纹：1）严格限制铜中的杂质含量：

Pb、Bi、S等2）增强对焊缝的脱氧能力通过焊丝加入Si、Mn、C、P等合金元素C与O生成气体逸出，其余脱氧产物进入熔渣浮出3）选用能获得双相组织的焊丝，使焊缝晶粒细化，使易熔共晶物分散、不连续表5-22焊丝成分对铜焊缝热裂纹的影响母材牌号焊丝牌号焊剂牌号焊缝组织焊缝出现裂纹时的质量分数(%)PbBiT2HSCuHJ430α0.030.005H62HSCuHJ430α0.120.006QAl9-2HSCuHJ150α0.030.005QAl9-2HSCuAlHJ150α+β6.2(仍未裂)0.088(仍未裂)3、气孔出现：1）纯铜、黄铜及铝青铜埋弧焊时，只有氢及水蒸气易使铜及其合金焊缝出现气孔2）纯铜氩弧焊时，只要在氩气中加入微量的氢和水蒸汽，焊缝即出现气孔图5-15加入氩中水汽量对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响图5-16加入氩中氢气量对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响含氧铜焊缝（试板及焊丝wO=0.03%）比无氧铜焊缝（试板及焊丝wO=0.0007%）形成气孔的敏感性要强1）扩散气孔：由氢引起的气孔图5-17氢在铜中的溶解度和温度的关系（pH2=101kPa）

液态铜溶解氢能力强，凝固时溶解度急剧下降，易产生氢气孔消除扩散气孔方法：①焊接时控制氢的来源；②降低熔池冷却速度(如预热)，使气体易于析出2）反应气孔：通过冶金反应生成的气体引起的气孔Cu2O+2H=2Cu+H2O↑Cu2O+CO=2Cu+CO2↑

水蒸气和CO2不溶于铜中，铜导热性强，熔池凝固快，水蒸气和CO2来不及逸出而形成气孔防止途径：①减少O、H来源，对熔池进行适当脱氧②采取使熔池慢冷的措施氩弧焊：N也是形成气孔的原因Ar中N2↗→焊缝气孔数量↗防止措施：①采用含适量脱N元素(Ti、Al)的焊丝(如含wAl=0.20%及wTi=0.10%的铜焊丝）可防止氮气孔②铜合金中加入Al、Sn等元素也会获得良好效果4、焊接接头性能的变化1）纯铜焊接时焊缝与焊接接头抗拉强度可与母材接近但塑性比母材有一些降低如：纯铜焊条焊接纯铜时，伸长率只有10%~25%纯铜埋弧焊时，伸长率约为20%原因：①焊缝及热影响区晶粒粗大②为防止焊缝出现裂纹及气孔，加入一定量脱氧元素（如Mn、Si等），虽可提高焊缝强度，但在一定程度上降低了焊缝塑性并使焊接接头的导电性也有所下降2）接头导电能力3）接头耐蚀性降低埋弧焊和惰性气体保护焊时熔池保护良好，如果焊材选用得当，那么焊缝金属纯度高，导电能力可达到母材的90%~95%熔焊过程中，Zn、Sn、Mn、Ni、Al等合金元素蒸发和氧化烧损会不同程度地使接头耐蚀性降低焊接应力的存在使对应力腐蚀比较敏感的高锌黄铜焊接接头在腐蚀环境中过早地受到破坏4）黄铜焊接时，锌容易氧化和蒸发（锌的沸点为907℃）为防止锌的氧化和蒸发，可采取含硅的填充金属焊接时在熔池表面会形成一层致密的氧化硅薄膜，阻碍锌的氧化和蒸发铜合金中合金元素损失；铜在固态时无同素异构转变，晶粒较粗大5.2.3铜及铜合金的焊接工艺1、焊接方法和焊接材料1）焊接方法：大功率、高能束的焊接热源热效率越高、能量越集中对焊接越有利表5-23铜及铜合金熔焊方法的选用焊接方法（热效率η）纯铜黄铜锡青铜铝青铜硅青铜白铜说明钨极氩弧焊(0.65~0.75)薄板好较好较好较好好好用于薄板(小于12mm)，纯铜、黄铜、锡青铜、白铜采用直流正接，铝青铜用交流，硅青铜用交流或直流熔化极氩弧焊(0.70~0.80)好较好较好好好好板厚大于3mm可用，板厚大于15mm优点更显著，采用直流反接等离子弧焊(0.80~0.90)较好较好较好较好较好好板厚在3~6mm可不开坡口，一次焊成，最适合3~15mm中厚板焊接焊条电弧焊(0.75~0.85)可差可较好可好采用直流反接，操作技术要求高，使用板厚2~10mm埋弧焊(0.80~0.90)厚板好可较好较好较好—采用直流反接，适用于6~30mm中厚板气焊(0.30~0.50)可较好可差差—变形，成形不好，用于厚度小于3mm的不重要结构中气焊和钨极氩弧焊：适用于薄件的焊接埋弧焊及熔化极氩弧焊：板厚5mm以上较长焊缝其中氩弧焊的焊接质量最好，尤其焊接紫铜和青铜时气焊：焊接黄铜最常用的方法埋弧焊：适用于厚度较大的紫铜板焊接手工电弧焊：焊紫铜和青铜时质量不稳定，易产生缺陷，尽量少用，如果用应选用相应成分的铜焊条由于铜的电阻极小，不适于电阻焊接2）焊接材料①焊丝控制杂质含量和提高其脱氧能力，防止焊缝出现热裂纹及气孔等缺陷表5-24铜及铜合金焊丝的化学成分和主要用途牌号名称主要化学成分(质量分数)(%)熔点/℃主要用途HSCu特制纯铜焊丝Sn1.1,Si0.4,Mn0.4,Cu余量1050纯铜氩弧焊或气焊（和CJ301配用)，埋弧焊）和431或150配用)HSCu低磷铜焊丝P0.3,Cu余量1060纯铜气焊或碳弧焊HSCuZn-2锡黄铜焊丝Cu59,Sn1,Zn余量886黄铜气焊或惰性气体保护焊，铜及铜合金钎焊HSCuZn-4钛黄铜焊丝Cu58,Sn0.9,Si0.1,Fe0.8,Zn余量860黄铜气焊、碳弧焊；铜、白铜、等钎焊HSCuZn-5硅黄铜焊丝Cu62,Si0.5,Zn余量905黄铜气焊、碳弧焊；铜、白铜、等钎焊非国际牌号(SCuAl)铝青铜焊丝Al7~9,Mn≤2.0,Cu余量—铝青铜的TIG和MIG焊，或用作焊条电弧焊用焊芯纯铜用焊丝：添加了Si、Mn、P等脱氧元素

对导电性要求高的纯铜不宜选用含P焊丝黄铜焊丝：加Si→防止Zn蒸发、氧化，→提高熔池金属流动性、抗裂性及耐蚀性加Al→作合金剂、脱氧

→细化焊缝晶粒，提高接头塑性和耐腐蚀性脱氧剂过多会形成过多高熔点氧化物而成为夹杂缺陷加Fe→提高焊缝强度、耐磨性，但塑性有所降低适量加Sn→提高液态金属的流动性，改善焊丝的工艺性能②焊剂：防止熔池金属氧化和其他气体侵入，改善液态金属的流动性表5-25铜及铜合金气焊、碳弧焊用焊剂牌号化学成分(质量分数)(%)熔点/℃应用范围Na2B4O7H3BO3NaFNaClKCl其他标准CJ30117.577.5———AlPO45650铜及铜合金气焊及钎焊CJ401——7.5~9.027~3049.5~52LiAl13.5~15560青铜气焊非标准01207010————铜及铜合金气焊及碳弧焊通用04LiCl15—KF7303045—铝青铜气焊用主要由硼