焊接冶金学及金属材料焊接-课件模块十

焊接冶金学及金属

材料焊接主编吴金杰（第二版）模块十

常用有色金属的焊接课题一

铜及铜合金的焊接课题二

铝及铝合金的焊接课题三

钛及钛合金的焊接课题一

铜及铜合金的焊接一、铜及铜合金的焊接性

1.焊缝成形能力差铜的导热性好，焊接时热量迅速从加热区传导出去，使得焊接热影响区加宽，熔焊铜及大多数铜合金时容易出现难熔合、焊不透和表面成形差的外观缺陷。在焊件刚度较小时，容易产生较大的变形；在刚度较大时，又会在焊件中造成很大的焊接应力，如果焊件厚度越大，散热就越严重。在焊接铜及其合金的时候，铜在熔化时流动性大，容易导致熔化金属流失。

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2.焊缝及热影响区热裂倾向大焊缝的热裂纹倾向是与焊缝杂质的影响有关，还与焊接过程产生的应力有关。焊缝中的氧对焊缝热裂纹倾向影响很大。在高温液态下铜与空气中的氧发生反应，生成Cu2O。Cu2O会形成熔点为1064℃的Cu+Cu2O的低熔点共晶。铜及铜合金中的杂质Bi和Pb本身的熔点低，在熔池结晶过程中它们与铜分别生成熔点为270℃的Cu+Bi、熔点为326℃的Cu+Pb低熔点共晶体，分布在枝晶间或晶界处，使铜和铜合金有明显的热脆性，在焊接应力作用下会产生热裂纹。

课题一

铜及铜合金的焊接防止热裂纹的措施有以下几点（1）严格限制铜中杂质(氧、铋、铅、硫等)的含量。（2）增强对焊缝的脱氧能力，通过焊丝加入硅、锰、磷等合金元素脱氧。（3）选用能获得双相组织的焊材，破坏低熔点共晶薄膜的连续性，打乱柱状晶的方向。（4）预热、缓冷等措施来减少焊接应力，减小根部间隙尺寸，并加大根部焊道尺寸，以防止裂纹的产生。课题一

铜及铜合金的焊接

3.容易形成气孔(1)气孔产生的主要原因

1）液态铜中溶解较多的氢，而凝固时其溶解度大大降低，若焊接时，焊缝冷却较快，过剩的氢来不及溢出则形成气孔。

2）焊接高温下铜与氧生成的氧化亚铜，Cu2O不溶于铜而析出，与氢或CO反应生成水蒸气或CO2也不溶于铜，生成反应性气孔。Cu2O+2H=2Cu+H2O↑Cu2O+CO=2Cu+CO2↑

3）铜的热导率比铁大8倍以上，焊缝的冷却要快得多，氢扩散逸出和H2O的上浮条件更恶劣，形成气孔的敏感性自然增大。课题一

铜及铜合金的焊接（2）减少和消除铜焊缝中的气孔措施

1）减少氢和氧的来源和预热来延长熔池存在时间，使气体易于析出；

2）采用含铝、钛等强脱氧剂的焊丝（同时也可脱氮脱氢）或在铜合金中加入铝、锡等元素都会获得良好的效果。课题一

铜及铜合金的焊接

4.焊接接头性能下降（1）塑性显著降低焊缝与热影响区晶粒变粗，各种脆性的低熔点共晶出现在晶界，削弱金属间的结合力，使接头塑性和韧性显著下降。（2）导电性下降铜中任何元素的掺入都会使其导电性下降。因此焊接过程中杂质和合金元素的溶入都会不同程度地使铜接头导电性能变坏。（3）耐蚀性能下降铜合金的耐蚀性能是依靠锌、锰、镍、铝等元素的合金化获得的。熔焊过程中这些元素的蒸发和氧化烧损都会不同程度地使接头耐蚀性下降。课题一

铜及铜合金的焊接二、铜及铜合金的焊接工艺及工艺要点

（一）工艺要点

1.焊前准备和焊后清理铜及其合金焊接的焊前准备和焊后清理与铝及其合金焊接时相似，如对工件和焊丝在焊前的清理，焊接过程中需要加强对熔池的保护及预热等。

2.焊接方法选择通常气焊、碳弧焊、焊条电弧焊和钨极氩弧焊多用于厚度小于6mm的工件，而熔化极氩弧焊及埋弧焊则用于更大厚度工件的焊接。

课题一

铜及铜合金的焊接

3.背面加垫板由于纯铜的密度大，熔化后铜液流动很快，极易烧穿及形成焊瘤。为了防止铜液从焊缝背面流失，保证反面成形良好，在焊接时需加(铜、石墨、石棉等)垫板。

4.预热由于铜的导热性很强，焊接时通常预热温度也较高，一般在300℃以上。焊接铜时尽量少用搭接、角接及T形等。课题一

铜及铜合金的焊接（二）气焊工艺气焊纯铜时，可选用纯铜丝HS201、HS202或母材切条作为填充焊丝，熔剂选用“CJ301”。火焰采用中性焰，为了保证熔透，宜选用比较大的火焰能率，焊接时需要进行预热，对中小件，预热温度取400～500℃；厚大件预热温度取600～700℃。为防止接头晶粒粗大，焊后对焊件应进行局部或整体退火处理。用氧乙炔火焰加热到550～650℃，然后放在水中急冷。

课题一

铜及铜合金的焊接黄铜气焊时填充金属可选用1号黄铜丝HS221、2号黄铜丝HS222或4号黄铜丝HS224。熔剂可采用硼砂20%+硼酸80%，或硼酸甲脂75%+甲醇25%配方自制。气焊火焰采用轻微的氧化焰，以使熔池表面形成一层氧化锌薄膜，由这层薄膜阻止锌的进一步蒸发和氧化。焊接薄板时一般不预热；板厚大于5mm时，预热温度为400～500℃；板厚大于15mm时，预热温度为550℃。为防止应力腐蚀，焊后须进行270～560℃的退火处理，以消除焊接应力。课题一

铜及铜合金的焊接（三）氩弧焊工艺

1.钨极氩弧焊

TIG焊纯铜可采用纯铜焊丝(HS201)，接头不要求导电性能时也可选用青铜焊丝(HS211)。黄铜常用焊丝牌号为4号黄铜丝(HS224)，但考虑氩弧焊电弧温度高，黄铜焊丝在焊接过程中锌的蒸发量大，烟雾多，且锌蒸汽有毒，故也可用无锌的青铜焊丝，如“HS211”焊丝。纯铜、黄铜手工钨极氩弧焊工艺参数见表10-1（见教材）。课题一

铜及铜合金的焊接

2.熔化极氩弧焊由于熔化极氩弧焊的电弧功率大，焊接热影响区小，预热温度较低且接头质量及焊接生产率高，因此，国内已应用于纯铜的厚板件焊接中。熔化极氩弧焊焊接纯铜时，为了更有效地防止气孔，最好选用含有脱氧剂铝、钛的焊丝，一般选用“HS201”焊丝。课题一

铜及铜合金的焊接（四）埋弧焊工艺采用埋弧焊焊接纯铜时，由于熔化金属与外界隔离，并且焊接电流较大，可获得较大的熔深，焊件变形小，接头质量好，焊接生产率高，还可在一定程度上降低预热温度。因此，埋弧焊用于纯铜焊接有一定的优越性，特别适用于中厚度工件规则的长焊缝的焊接。铜及铜合金埋弧焊工艺参数见表10-2（见教材）。

课题一

铜及铜合金的焊接（五）焊条电弧焊

焊纯铜时采用的焊条有T107、T207两种。一般交直流焊机都可用来焊接纯铜，但采用直流焊机时必须采用反极性接法。焊接电流应根据焊件厚度、焊件外形尺寸、焊条直径和预热温度选择，随预热温度的提高，焊接电流应相应减小。三、焊接实例（见教材）课题一

铜及铜合金的焊接一、铝及铝合金的焊接性

1.容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除干净，并有效防止焊接熔池、熔滴不被继续氧化。

2.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.容易形成热裂纹（1）热裂纹产生的原因低熔点共晶和铝合金的线胀系数大，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。回目录课题二

铝及铝合金的焊接（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。在铝及铝合金中，纯铝的裂纹倾向最低，加铜的合金裂纹倾向最大，添加镁、锌、硅等合金元素对裂纹也有不同程度的影响。因此，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这类合金的结构产品。课题二

铝及铝合金的焊接（3）防止焊接热裂纹的途径

1）选择适当的填充金属

调整焊缝的化学成分焊缝的成分取决于焊丝和母材两个方面，因此，对于特定的铝合金，正确的选择焊丝是防止热裂纹的关键。

2）合理选择焊接方法及焊接参数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。所以采用TIG或MIG焊接时的裂纹倾向比气焊要小得多。焊接电流增大，会使熔池过热，同时增大熔合比，使抗裂能力较差的母材过多的进入焊缝，从而降低焊缝的抗裂性。焊接速度加快，会增加焊接接头的应变率，也会增加裂纹的倾向。因此，焊接裂纹倾向较大的铝合金时，不易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课题二

铝及铝合金的焊接二、铝及铝合金的焊接工艺及工艺要点（一）焊接工艺要点

1.焊接材料的选择铝及铝合金的焊接材料包括铝焊丝、铝气焊熔剂以及铝焊条等。（1）铝焊丝铝焊丝通常有以下几类：

1)专用焊丝用于焊接与其成分相同或相近的母材，可根据母材成分选用。若无现成焊丝，也可从母材上切下窄条作为填充金属。

2)通用焊丝是含硅量wSi=5%的Al-Si焊丝，通常用于除Al-Mg合金以外的各种铝合金。焊缝金属的流动性好且具有较高的抗裂纹能力。

课题二

铝及铝合金的焊接

3)特种焊丝是为焊接各种硬铝、超硬铝而专门冶炼的焊丝。这类焊丝的成分与母材相近，与通用焊丝相比，焊缝金属既有良好的抗裂性，又有较高的强度和塑性。常用铝及铝合金焊丝型号及牌号见表10-3（见教材）。（2）气焊熔剂

气焊熔剂的主要作用是去除焊接时的氧化膜及其它杂质，改善熔池金属的流动性。铝及铝合金气焊熔剂的牌号、成分和使用要求见表10-4（见教材）。

（3）铝焊条铝及铝合金焊接用焊条上药皮涂料主要由氯化物和氟化物组成。药皮的作用除造渣和保护熔池外，还可以清除氧化膜和稳定电弧燃烧。施焊时，一般采用直流反接法。铝及铝合金焊条的牌号及应用见表10-5（见教材）。课题二

铝及铝合金的焊接

2.焊接方法的选择表10-6（见教材）列出了铝及铝合金常用焊接方法的特点及适用范围，在生产中应根据具体情况选择其中最合适的一种方法。

3.焊前准备及焊后清理（1）焊前准备铝及铝合金焊前准备包括焊前清理、设置垫板和预热。

1）焊前清理去除坡口表面的油污和氧化膜等污物。氧化膜清除后，通常应在2h之内焊接，否则会有新的氧化膜生成。氩弧焊时可在24h之内焊接，因为新生成的氧化膜极薄，可利用氩弧焊的“阴极清理”作用将其清除。课题二

铝及铝合金的焊接

2）设置垫板垫板由铜或不锈钢板制成，用以控制焊缝根部形状和余高量。垫板表面开有圆弧形或方形槽，垫板及槽口尺寸如图所示。垫板及槽口尺寸a)方形槽b)圆弧形槽课题二

铝及铝合金的焊接

3）预热

由于铝的导热性好，为了防止焊缝区热量的大量流失，焊前应对焊件进行预热。薄并且小的铝件可不预热；厚度超过5～8mm的铝件焊前应预热至150～300℃；多层焊时，注意控制层间温度不低于预热温度。

（2）焊后清理

焊后残留在焊缝及附近表面的熔剂及焊渣，在空气、水分的参与下会激烈地腐蚀铝件，因此必须及时清理。一般的清理的方法可将焊件在10%的硝酸溶液中清洗。处理温度15～20℃，时间为10～20min；若温度为60～65℃，时间为5～15min。浸洗后用冷水再冲洗一次然后用热空气吹干或在100℃干燥箱内烘干。课题二

铝及铝合金的焊接（二）焊接工艺

1.钨极氩弧焊

1）接头形式铝及铝合金手工钨极氩弧焊的接头形式可见表10-7（见教材）。

2）焊接电源及焊接工艺参数常用交流钨极氩弧焊工艺参数见表10-8（见教材）

2、熔化极氩弧焊(MIG焊)

1）特点及应用中等厚度、大厚度铝及铝合金广泛应用自动和半自动熔化极氩弧焊。效率较钨极氩弧焊显著提高，且随板厚增加，这种效果更加突出。自动熔化极氩弧焊适用于较规则的纵缝，环缝及水平位置的焊接；半自动熔化极氩弧焊大多用于定位焊、短焊缝、断续焊缝以及铝容器中封头、人孔接管、加强圈等各种内件的焊接课题二

铝及铝合金的焊接

2）焊接参数

表10-9（见教材）和表10-10（见教材）列出了铝及铝合金的半自动和自动熔化极氩弧焊焊接参数。自动钨极氩弧焊焊接参数与半自动熔化极氩弧焊相似，铝及铝合金熔化极氩弧焊，目前都采用直流电源反极性，几乎不用直流正极性或交流。采用喷射过渡熔化极氩弧焊，电弧热量集中，焊接熔深大，故焊中厚铝板时可不进行预热。但当板厚大于25mm或环境温度低于-10℃时，应预热100℃，以保证开始焊接时能熔透。

3.气焊铝及铝合金气焊接工艺参数见表10-11。三、焊接实例（一）5A06铝镁合金与ZL101A铸铝合金材料的焊接（见教材）。（二）铝合金焊接生产应用实例（见教材）课题二

铝及铝合金的焊接【对钛的认识】

钛是一种活性金属，常温下能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。540℃以上生成的氧化膜则不致密。钛具有高塑性，高纯钛的延伸率可达50%～60%，断面收缩率可达70%～80%，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。

回目录课题三钛及钛合金的焊接一、钛及钛合金焊接性

1.能够快速吸气

高温下钛与氧、氮、氢反应速度较快，钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。因此，在焊接钛及钛合金时，对于刚凝固的焊缝金属和高温近缝区，不管是正面还是背面，如果不能受到有效保护，必将引起塑性下降。液态的熔池和熔滴金属若得不到有效保护，则更容易受空气等杂质污染，脆化程度更严重。课题三钛及钛合金的焊接

2.焊接接头组织和性能的变化除上面由杂质污染接头导致脆化外，焊接接头还会因焊接相变引起性能的变化。对于α-钛合金，其焊接性良好。用钨极氩弧焊填加同质焊丝或不填焊丝，在保护良好的条件下焊接接头强度系数接近100%，接头塑性稍差。

3.容易形成气孔气孔是焊接钛及钛合金最常见的焊接缺陷。气孔不仅易造成应力集中，而且气孔边缘的金属含氢量高、塑性低，使焊接接头的塑性和疲劳寿命降低，严重的还能导致某些结构发生断裂破坏。课题三钛及钛合金的焊接（1）气孔的产生主要与以下因素有关

1）氩气的纯度氩气中杂质气体有O2、H2、N2、H2O等，当这些气体的含量较高时，都会增加焊缝气孔的数量。其中，N2对气孔的影响较弱。

2）钛板及焊丝表面状态钛板及焊丝表面常受到外部杂质（如水分、油脂、氧化物、含碳物质、尘埃、砂粒、磨料质点、有机纤维、脏指印及吸附的气体）的污染。

3）焊接工艺

氢是焊接钛及钛合金时形成气孔的主要气体，当焊缝中含氢量增加时，气孔数量明显增加。研究表明课题三钛及钛合金的焊接

熔池的存在时间对氢气孔的形成起着重要作用。当熔池存在时间很短时，氢的扩散过程不充分，即使有气泡核存在也来不及形成气泡；当熔池存在时间逐渐增加时，有利于氢气泡核扩散及宏观气泡的形成，所以焊缝中的气孔不断增多；当熔池存在时间再进一步增长时，由于有利于气泡的逸出，所以此时的气孔是逐渐减少的。课题三钛及钛合金的焊接（2）常用的减少气孔的措施