金属材料焊接工艺 第3版 教案 30 铝及铝合金的焊接

授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号30授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：第七章非铁金属材料及其焊接工艺1、铝及铝合金的焊接教学目标：知识目标：了解铝及铝合金的焊接性能力目标：掌握铝及铝合金的特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：要求学生熟悉铝及铝合金的焊接工艺特点。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：铝及铝合金焊接时为何容易出现气孔？应如何防止气孔的产生？纯铝及不同类型的铝合金焊接应选用什么成分的焊丝比较合理？课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容在工业生产中通常把金属材料分为两大类：铁金属材料和非铁金属材料。例如，钢、铸铁、不锈钢、铬、锰属于铁金属材料；除此之外的一切金属，如铝、镁、铜、钛、锡、铅等金属及其合金统称为非铁金属材料，也称为有色金属材料。许多非铁金属材料具有铁金属材料不可替代的特殊性能。例如，铝、美及其合金与铁金属材料相比，具有密度小、比强度高的特点，因此在航空航天、电工、化工、国防等工业部门得到广泛应用。能力知识点1铝及铝合金的类型及性能特点铝具有密度小、耐蚀性好、导电性及导热性高等良好性能。铝的资源丰富，特别是在铝中加入各种合金元素而成的铝合金，强度显著提高，使用非常广泛。工业纯铝：铝的质量分数为99.0%～99.7%，还含有少量的Fe和Si及其它杂质。铝合金：工业纯铝的强度较低，不能用来制造承受载荷很大的结构，所以使用受到限制。在纯铝中加入少量合金元素，能大大改善铝的各项性能，例如Cu、Si和Mn能提高强度，Ti能细化晶粒、Mg能防止海水腐蚀、Ni能提高耐热性等，因此在工业上大量使用的是铝合金。1．铝及铝合金的分类填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段按合金化系列，铝及其合金分为工业纯铝（1×××系）、铝铜合金（2×××系）、铝锰合金（3×××系）、铝硅合金（4×××系）、铝镁合金（5×××系）、铝镁硅合金（6×××系）、铝锌镁铜合金（7×××系）。按热处理方式，铝合金分为非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。前者只能变形强化，后者既能变形强化，也可热处理强化。按产品成形方法不同，分为变形铝及铝合金、铸造铝合金。非热处理强化铝合金又称防锈铝，如牌号3A21（LF21）等，可通过加工硬化、固溶强化来提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，焊接性良好，在焊接结构中应用最广泛（Al-Mn和Al-Mg系合金）。热处理强化铝合金是通过固溶、淬火、时效等工艺措施提高力学性能，经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔焊时易产生焊接裂纹，焊接接头力学性能下降。2．铝及其合金的牌号、成分及性能纯铝牌号以国际四位数字体系表达：如1A99表示铝的质量分数为99.99％的原始纯铝；1B99表示铝的质量分数为99.99％的改型纯铝；1070表示杂质极限含量无特殊控制、铝的质量分数为99.70％的纯铝；1235表示对两种杂质极限含量有特殊控制、铝的质量分数为99.35％的纯铝。常用的纯铝牌号有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、1200。纯铝的主要用途是代替贵重的铜合金，制作导线、电器元件及换热器件；制作各种要求质轻、导热、耐大气腐蚀但强度不高的器具；配制各种铝合金。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段变形铝合金的牌号也用四位国际字符体系来表示。例如，2A11表示铝铜原始合金；5A05表示铝镁原始合金，5B05表示铝镁改型合金。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母Ａ、Ｂ或其他字母（有时也用数字）。第一位数字为2～9，表示变形铝合金的不同组别，其中“2”表示铝铜合金，“3”表示铝锰合金，“4”表示铝硅合金等；最后两位数字为合金的编号，没有特殊意义，仅用来区分同一组别中的不同合金；如果第二位字母为A，则表示原始合金，如果是B或其他字母，则表示原始合金的改型合金，如果是数字，则0表示原始合金，1～9表示改型合金。能力知识点2铝及铝合金的焊接性纯铝的熔点低（660℃），熔化时颜色不变，难以观察到熔池，焊接时容易塌陷和烧穿；热导率是低碳钢的3倍，散热快，焊接时不易熔化；线胀系数是低碳钢的2倍，焊接时易变形；在空气中易氧化生成致密的高熔点氧化膜Al2O3（熔点2050℃），难熔且不导电，焊接时易造成未熔合、夹杂并使焊接过程不稳定。因此铝及其合金的焊接性比低碳钢差，合金种类不同，焊接性也有一定差别，概括起来有以下几个问题。一、易氧化二、能耗大三、容易产生气孔四、容易形成焊接热裂纹铝合金母材的合金系统及合金成分对焊接热裂纹的产生有根本性的影响。一般来讲，纯铝的裂纹倾向最小，含铜的铝合金裂纹倾向最大，添加镁、锌、硅等合金元素对裂纹有不同程度的影响。如图7-7所示。对含有铜的硬铝（Al-Cu-Mg）和超硬铝（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很难用熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头，所以一般不能选用熔焊方法制造硬铝和超硬铝焊接结构。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段3．焊接热裂纹的防止途径（1）选择适当焊接材料以调整焊缝化学成分由于铝合金为共晶型合金，少量易熔共晶会增大结晶裂纹倾向，但当易熔共晶数量很多时，反而会产生对裂纹的“愈合”作用，使裂纹倾向减小。采用TIG焊焊接Al-Mn和Al-Mg合金的T形接头时，选用不同含镁量的焊丝，裂纹结果如图7-8所示（2）选择合适的焊接方法和焊接参数热能集中的焊接方法，因加热和冷却速度快，可防止焊缝形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。采用TIG或MIG焊接时裂纹倾向比气焊要小得多。采用小电流焊接，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。焊接电流增大，会使熔池过热，同时因熔深增大而增加熔合比，使抗裂较差的母材过多地熔入焊缝，从而降低焊缝的抗裂性；焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应力，增大裂纹倾向。大部分铝合金的裂纹倾向都比较大，因此，焊接时不宜采用较大的焊接电流和较快的焊接速度。五、焊接接头的软化1．非热处理强化铝合金的接头软化对纯铝及防锈铝合金，在退火状态下焊接时，如果采用的焊丝化学成分与母材相同或相近，焊接接头基本上不产生软化现象。但在冷作硬化状态下焊接时，加热温度超过再结晶温度（200～300℃）的热影响区会产生明显的软化现象。非热处理强化铝合金软化的主要原因是热影响区晶粒粗大和冷作硬化效果的减退或消失造成的，解决途径是采用热量集中的焊接方法防止热影响区粗晶区加大；焊后冷态敲击焊接接头，产生一定的冷作硬化效果。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段2．热处理强化铝合金的接头软化硬铝及超硬铝等热处理强化铝合金，无论是在退火状态还是在时效状态下焊接，均会产生明显的接头软化现象。软化区主要在焊缝或热影响区，热处理强化铝合金焊接接头组织示意图如图7-10所示。为防止热处理强化铝合金的软化，焊接时应采用较小的焊接热输入，以减小热影响区的高温停留时间；彻底解决软化问题的措施是焊后重新进行固溶处理或人工时效处理。六、焊接接头的耐蚀性下降1．铝及铝合金焊接接头耐蚀性降低的原因首先是接头组织不均匀，尤其有析出相存在时，会使接头各部位形成不均匀的电极电位，在腐蚀介质中发生电化学腐蚀；其次是焊接接头或多或少存在焊接缺陷如气孔、夹杂、裂纹等，不仅破坏接头氧化膜的连续性，还会造成电解质溶液在缺陷处发生沉积，加速腐蚀过程；第三，焊缝是粗大的铸态组织，焊缝表面不平滑，其表面氧化膜的连续性和致密性都较差，导致耐腐蚀性降低；第四，接头中的焊接残余应力更是影响耐蚀性的敏感因素，尤其是在热影响区会诱发产生应力腐蚀。2．防止接头耐蚀性降低的措施1）改善接头组织的不均匀性，2）消除焊接应力，锤击焊道，可消除焊缝表面拉应力，一般选用冷态锤击和热态锤击两种方法。3）通过焊后人工时效处理，可改善接头耐蚀性。4）采取保护措施，例如阳极氧化处理或涂层保护等。能力知识点3铝及铝合金的焊接工艺要点1．焊接方法常用的焊接方法有氩弧焊（TIG、MIG）、等离子弧焊、电子束焊、电阻焊及钎焊等。热功率大、能量集中、保护效果好的焊接方法较为合适。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段2．焊接材料1）同质焊丝焊丝成分与母材成分相同，有时可以直接在母材上切取板条作为填充金属。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）异质焊丝主要是为满足抗裂性研制的焊丝，其成分与母材有较大的差异。为保证焊接时不产生裂纹，往往在焊丝中加入较多的合金元素，这些合金元素会降低焊接接头的耐蚀性，因此对耐蚀性有要求的焊接结构，所选焊丝中必须限定某些元素的含量。3．焊前清理1）化学清理该法效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及工件尺寸较小、批量生产的焊件。2）机械清理先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污，然后用机械切削、钢丝刷、喷砂处理或锉刀、刮刀等将坡口两侧30～40mm范围内氧化膜清理干净。工件清洗后应在2h内装配、焊接完毕，否则会重新被氧化，特别是在潮湿或有酸碱蒸汽的环境中，氧化膜生长很快。清理后的焊丝和工件存放时间一般不要超过12h。4．焊接工艺要点（1）TIG焊电弧稳定，可添加或不加焊丝焊接，接头形式不受限制，焊缝成形美观，表面光亮；焊接接头的强度、塑性和韧性较好；焊接变形小，最适于板厚小于6mm的薄板焊接，并且适用于全位置焊接。交流TIG焊具有清理氧化膜的作用，不用熔剂，避免了焊后熔剂对接头的腐蚀作用，简化了焊后清理过程。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段1）接头与坡口形式2）焊接参数3）操作技术要点手工钨极氩弧焊一般采用左焊法，焊枪应均匀、平稳向前作直线运动，弧长要保持稳定；尽量采用短弧焊，以保证熔透和避免出现咬边；填充焊丝与焊件应保持一定角度，一般为10～15°，倾角不宜太大，以免扰乱气流和电弧的稳定性。（2）MIG焊焊接速度快，生产效率高。用于焊接铝及铝合金通常采用直流反极性，焊接薄、中等厚度板材时，用纯氩作保护气；焊接大厚度工件时，采用氩气+氦气作保护气。焊前一般不需预热，即使厚大工件也只需预热引弧部位。确定焊接参数时，应先根据焊件厚度、坡口尺寸选择焊丝直径，再根据熔滴过渡形式（短路过渡或喷射过渡）确定焊接电流、电弧电压及其他焊接参数。5）焊后清理铝及铝合金气焊后，残留在焊缝表面及两侧的熔剂及焊渣会破坏铝材表面的氧化膜，引起接头腐蚀