有色金属的焊接(Al)

第5章有色金属的焊接(Al)1一、铝及其合金(变形)的类型和特性5.1铝及铝合金的焊接2二、铝及铝合金的焊接性(一)容易被氧化1、铝易氧化生成氧化膜(A1203)，其熔点高达2050℃，远超过铝的熔点。Al203的密度是铝的1.4倍，在焊接熔池中不易上浮，故导致容易形成夹渣。2、焊接铝合金时，除铝被氧化外，合金元素也易被氧化和蒸发；3、应对措施：由于铝及铝合金易被氧化，焊前必须将焊件、焊丝表面的氧化膜用化学或机械的方法清理干净，并有效防止焊接熔池、熔滴不被继续氧化。(二)热导率和比热容大

为获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，必要时可采用预热等工艺措施。

3(三)容易形成热裂纹

热裂纹是焊接热处理强化铝合金常遇到的缺陷。非热处理强化铝镁合金，当接头拘束大，焊缝成形控制不当时也会产生热裂纹。常见到的热裂纹主要是焊缝金属的凝固裂纹，有时在近缝区可以见到液化裂纹。1．铝合金焊接热裂纹产生的原因

(1)低熔点共晶的存在是合金产生热裂纹的重要原因之一。

4(2)铝合金的线胀系数比钢约大1倍，在拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应力，这也是促使铝合金产生裂纹的原因之一。至于近缝区的“液化裂纹”，同焊缝的凝固裂纹一样，也与晶间易熔共晶的存在有关。2．影响焊接热裂纹的因素母材的合金系统及其具体成分，对焊接热裂纹的产生有根本性的影响。对于硬铝(Al-Cu-Mg)合金和超硬铝(Al-Zn-Mg-Cu)合金，目前还很难采用熔焊方法得到没有裂纹的优质接头，所以一般不希望用熔焊的方法制造热处理强化铝合金的结构产品。53．防止焊接热裂纹的途径防止铝及铝合金的热裂纹最主要措施是选择与金属相匹配的焊接材料，同时要配合以适当的焊接工艺。(1)选择适当的填充金属，调整焊缝的化学成分

对于特定的铝合金，正确的选择焊丝是防止热裂纹的关键。常采用的方法是通过增加焊缝金属中低熔点共晶数量，实现对裂纹的“愈合”作用；加人变质剂、细化晶粒等均可提高焊缝金属的抗裂性。6(2)合理选择焊接方法及焊接参数

A、选用热能集中的焊接方法，加热、冷却的速度快，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，使晶粒细化，因而可以改善抗裂性。采用TIG或MIG焊接时的裂纹倾向比气焊要小得多。

B、焊接裂纹倾向较大的铝合金时，不宜采用大焊接电流和较快的焊接速度。(3)选用拘束度较小的结构形式可以改善抗裂性

该问题可以6A02-T6铝合金容器法兰环焊缝焊接裂纹的预防为例进行分析。在一个铝-硅-镁合金6A02-T6(LD2CS)容器的封头上需焊接一个法兰，法兰为锻件经机械加工，通孔直径为≯12mm，法兰座直径为声60mm，容器直径为5500mm，法兰座与封头对接的厚度为5mm，法兰座环缝采用V形坡口手工TIG氩弧焊，填丝材料为SAlSi-1。7容器试制时，法兰座环缝曾多处发现沿熔合线走向的焊接裂纹，经补焊及x射线照相检查合格后，进行液压强度试验，发现该环缝提前断裂，断裂沿环缝内侧发展至封头上，其外观如图所示。经取样分析可见，断裂起源于环缝内侧背面一条长约3mm，距背面约0.2-0.5mm的裂纹经扫描电镜分析，裂纹性质为近缝区母材液化裂纹。为防治环缝焊接裂纹，提高其承载能力。决定将封头向外翻边，法兰的基座改为管式，内径≯10mm，外径≯20mm，两者形成管一管对接。由于结构拘束度减小，减小了焊接应力，消除了焊接裂纹，液压试验一举成功。6A02-T6小容器法兰座环缝断裂外貌

8(四)容易形成气孔1．气孔产生的原因

铝及铝合金在焊接过程中产生的气孔主要为氢气孔。焊接时，氢的来源有两方面：一是弧柱气氛中的水分；二是焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分。在同样条件下纯铝气孔倾向较铝合金要大。92．影响气孔产生的因素

物理性能；焊接方法；表面氧化膜的致密性

3．防止气孔的措施(1)限制氢的来源：所使用的焊接材料要严格限制含水量。10(2)控制焊接参数：首先应该制定合理的焊接参数。铝及铝合金TIG焊时，应采用大电流配合以较高的焊接速度，增加对熔池的搅拌作用，保证了根部熔透，这对于减少氢气孔是有利的。MIG焊时焊丝表面的氧化膜对气孔的影响更大。实践证明，MIG焊时，应当采用大电流配合以较慢的焊接速度以提高焊接热输入。11(４)此外还可通过调整电弧气氛减小气孔倾向。(3)通过板厚和接头形式调节焊缝气体含量。12(五)焊接接头力学性能下降

铝及铝合金焊接后，存在着不同程度的接头软化问题，特别是硬铝和超硬铝合金比较严重，强度降低较多。131．非热处理强化铝合金的软化

（1）对纯铝和防锈铝合金，在退火状态下焊接，如果采用与母材化学成分相近的焊丝焊接时，基本上不存在软化问题。但在冷作硬化状态下焊接时，加热温度超过一定温度时，将发生再结晶软化，导致接头强度降低。（2）产生的原因：主要是HAZ晶粒粗大和接头局部冷作硬化效果的减退或消失造成的。（3）解决：应采用热量集中的焊接方法来防止粗晶区增宽。焊后冷态敲击接头，有一定冷作硬化效果。2．热处理强化铝合金的软化

（1）焊接硬铝及超硬铝等热处理强化铝合金时，无论是退火状态下焊接还是时效状态下焊接，焊后不经热处理，其接头强度都要低于母材。接头性能下降区域主要在焊缝、熔合区或热影响区。

14热影响区的软化主要是在焊接最高温度作用下发生“过时效”造成的，即热影响区第二相(强化相)脱溶析出聚集长大使强化效果消失的结果。（2）防止：宜采用较小的热输入，或焊后重新进行固溶和人工时效处理，才能较彻底解决软化问题。15(六)焊接接头耐蚀性下降

铝及铝合金焊接接头的耐蚀性一般都低于母材，热处理强化铝合金(如硬铝)接头的耐蚀性降低尤其明显。1．接头耐蚀性降低的原因

1）接头组织不均匀；2）焊接缺陷的存在：气孔、夹杂、裂纹等；3）铸态组织；4）焊缝表面氧化膜的连续性和致密性较差；5）焊接接头中的残余应力162．防止接头耐蚀性降低的措施

1)通过焊缝金属合金化细化晶粒，同时调整焊接工艺以减小热影响区，并防止过热，焊后热处理对改善接头组织有很好的效果。2)消除焊接应力，锤击焊缝。可选用冷态锤击和热态锤击。冷态锤击能使焊缝金属表面冷作硬化，锤击后生成的氧化膜致密性较好，对提高耐蚀性有一定效果；热态锤击，即在300～750℃下锤击，能改善焊缝金属的铸造组织，虽无冷作硬化，但比冷态锤击效果好。3)通过焊后人工时效处理，有利于改善接头耐蚀性。17焊接方法特点应用范围气焊设备简单，操作方便，但火焰的热功率较低，热量分散，焊件变形大，生产率低适用于焊接质量要求不高的薄板(0.5～10mm)结构或铸件的补焊焊条电弧焊电弧热量比较集中，焊接速度快。但形成焊缝的致密性和表面粗糙度较粗，接头质量差实际生产中应用较少，仅用于板厚大于4mm且要求不高的焊件补焊及修复钨极氩弧焊(TIG焊)有氩气保护，热量较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，接头的强度和塑性高，可获得优质接头。但设备费用高主要用于一些重要结构的中厚板(1-20mm)焊接熔化极氩弧焊（MIG焊）电弧功率大，热量集中，焊接速度快，热影响区小，生产效率较高，焊接质量好。但设备费用高可用于焊厚件（δ<50mm的纯铝及铝合金板材）三、铝及铝合金的焊接工艺(一)焊接方法的选择

需要根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构、生产条件以及焊接接头质量要求等因素合理选择。18(二)焊接材料的选择

目前，铝及铝合金的焊丝可分为同质焊丝和异质焊丝。1．同质焊丝

有时可以将母材上切下的板条作为填充金属。当母材为纯铝、3A21(LF21)、5A06(LF6)、2A16(LY16)和Al-Zn-Mg合金时，可以采用同质焊丝。

2．异质焊丝

主要是为适应抗裂性的要求而研制的焊丝，其成分与母材有较大的差异。这种异质焊丝有的已列入标准，有的属于非标准。为了保证不产生裂纹，常不得不采用“超合金化”焊丝；但从耐蚀性考虑，往往须限定某些合金元素含量。焊丝牌号用S表示焊丝，如SAlMg-5，表示w(Mg)为5％左右的Al-Mg合金焊丝。192．焊后清理

1)将焊件放人40～50℃热水槽中浸渍，最好用流动的热水，用硬毛刷清刷焊缝及焊缝附近残留熔剂、焊渣的地方，直至清除干净。2)将焊件浸渍在质量分数为15％-25％的硝酸溶液中，当室温为25℃时，浸渍时间为10-15min。室温为l0～15℃，溶液质量分数为20％-25％时，浸渍时间为15min。3)放入温度为40～50℃的流动热水槽中浸渍5-10min。4)用冷水冲洗5min。5)将焊件自然干燥，也可放在干燥箱中烘干或用热空气吹干。(三)焊前准备和焊后清理1．焊前准备

化学清洗:效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。机械清理:与去除氧化膜的方法相同。一般不宜采用纱布砂纸或砂轮打磨，因残留沙子会在焊接时产生夹渣等缺陷。对接头形式要考究一些(尤其氩弧焊)。20(四)焊接工艺要点1．火焰气焊(1)适用范围及接头形式：一般只限在难以供应惰性气体或缺乏电源的地区，焊接纯铝、铝一锰合金等焊接性良好、厚度不大、质量要求不高的焊件。气焊铝及铝合金时，接头形式最好采用对接接头。(2)喷嘴和火焰的选用：喷嘴的大小可据焊件的厚度、坡口形式、焊接位置及焊工的技术水平而定。气焊宜采用中性焰或乙炔稍多的微弱碳化焰，严禁采用氧化焰，它会使铝氧化。

(3)气焊操作：A、开始焊接的时机：观察加热表面由光亮银白色变成暗淡的银白色，表面的氧化膜起皱，加热处金属有波动现象时，即达熔化温度，可以施焊；或者用蘸有熔剂的焊丝的端头触及加热处，焊丝与母材能熔合时，即达熔化温度，可以施焊；母材边棱有倒下现象时，也说明母材达到熔化温度，可以施焊。21Ｂ、预热：气焊厚度大于5mm以上的铝材时，需进行预热，预热温度在100-300℃之间；C、焊接方向：气焊薄板可以采用左焊法，有利于防止熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。当母材厚度大于5mm时，可采用右焊法；D、焊炬倾角：焊接3mm以下薄壁板材及管材时，焊炬应向焊接方向后方倾斜15o至30o，焊丝向焊接方向前方倾斜40o--50o。随着焊件温度升高，焊炬倾角相应减小。E、焊炬摆动：为预防熔池温度过高而发生烧穿缺陷，焊炬可作周期性的上下摆动(幅度3-4mm)。气焊厚度大于3mm的铝材时，应先使焊炬向焊接方向后方倾斜90o左右，随着焊件温度不断升高，倾角可降至45o-70o。焊接厚度在8mm以上的焊件时，焊炬可作横向或纵向摆动。

22(4)焊后清理：A、时间要求：气焊后，残留在焊缝表面及其两侧的焊剂及熔渣（会破坏铝材表面氧化膜保护层，从而引起接头腐蚀）应在焊后1～6h内将其清洗去除。B、方法有下三种：

1)在60～80℃热水中用硬毛刷从焊缝正反面仔细刷洗。

2)重要的焊件，经上述刷洗后，再放人60-80℃、质量分数为2％-3％的稀铬酸水溶液中浸洗5-10min，然后用热水冲洗并干燥。

3)先用60-80℃热水刷洗，再用质量分数为5％的硝酸和质量分数为2％的重铬酸的混合液清洗5～10min，最后用热水冲洗、干燥。232．钨极氩弧焊(TIG焊)

(1)适用范围及预热

最适于焊接厚度小于3mm的薄板，焊件变形明显小于气焊和焊条电弧焊。通过试验发现，预热温度接近300℃时，接头表面的腐蚀程度大大增加，故预热温度一般为150～250℃。(2)接头与坡口形式

2425(3)焊接参数：铝合金钨极氩弧焊常采用交流电源。手工交流TIG焊适于焊接小尺寸焊件的短焊缝、角焊缝及大尺寸构件的不规