铝及其合金的焊接.pptx
1第一节 铝及其合金的类型和特性GB3190-82铝及铝合金加工产品的化学成分第1页/共76页2第一节 铝及其合金的类型和特性GB/T16474-1996变形铝及铝合金牌号表示方法第2页/共76页3第一节 铝及其合金的类型和特性一、铝及其合金的类型非热处理强化铝合金（Non-heat-treatable alloys）Material strength depends on 加工硬化（work hardening）固溶强化（solid solution hardening of alloy elements(Mg,Mn)）1xxx,3xxx and 5xxx series 第3页/共76页4第一节 铝及其合金的类型和特性一、铝及其合金的类型热处理强化铝合金（Heat-treatable alloys）Material hardness and strength depend on alloy composition heat treatment(solution heat treatment and quenching followed by either natural or artificial ageing produces a fine dispersion of the alloying constituents).2xxx,6xxx and 7xxx series 第4页/共76页5第一节 铝及其合金的类型和特性二、铝及其合金特性low weight,good corrosion resistance low strength weldability 第5页/共76页6铝合金的可焊性1xxx,3xxx,5xxx,6xxx and medium strength 7xxx(e.g.7020)series can be fusion welded using TIG,MIG and oxyfuel processes The 5xxx series alloys,in particular,have excellent weldability 第6页/共76页7第一节 铝及其合金的类型和特性High strength alloys(e.g.7010 and 7050)and most of the 2xxx series are not recommended for fusion welding because they are prone to liquation and solidification cracking The technique of Friction Stir Welding is particularly suited to aluminium alloys It is capable of producing sound welds in many alloys,including those heat treatable alloys which are prone to hot cracking during fusion welding 第7页/共76页8搅拌摩擦焊示意图第8页/共76页9第一节 铝及其合金的类型和特性铝和铁的物理性能对比第9页/共76页10第二节 铝及其合金焊接性分析气孔 porosity 热裂纹 hot cracking 焊接接头“等强性”焊接接头的耐蚀性第10页/共76页11一、焊缝中的气孔（一）铝及其合金熔焊时形成气孔的特点主要是氢气孔氢的来源主要是弧柱气氛中水分的影响焊材及母材表面氧化膜吸附水的影响第11页/共76页12氢在铝中溶解度氢在铝中的溶解度（PH2=101kpa)在液固相时氢的溶解度变化大。铝及铝合金比重小、导热性强，致使溶解于熔池中的大量氢在焊缝金属冷凝时来不及析出形成气孔。第12页/共76页13弧柱气氛中水分的影响不同合金系统对弧柱气氛中水分的敏感性不同纯铝最为敏感Al-Mg合金，随Mg增加对吸收气氛中水分不敏感。第13页/共76页14弧柱气氛中水分的影响不同焊接方法对弧柱气氛中水分敏感性不同MIG焊时，弧柱温度高，熔滴比表面积大，焊缝气孔倾向大于TIG。MIG焊熔深较TIG焊大，不利于气泡溢出。第14页/共76页15finely distributed porosity in a TIG weld 第15页/共76页16氧化膜中水分的影响正常状态下，弧柱气氛中的水分已尽量的控制。焊丝或工件的氧化膜所吸附的水分是生成气孔的主要原因。与氧化膜致密程度有关纯铝氧化膜致密Al-Mg、Al-Li合金氧化膜吸水性较大铝合金气孔倾向大于纯铝第16页/共76页17氧化膜中水分的影响焊接方法不同，氧化膜的影响也不同MIG焊以焊丝表面氧化膜吸附水为主TIG焊以坡口表面氧化膜吸附水为主第17页/共76页18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加热1h，室内存放1d气体总量（mL/100g)2.81.61.08.7氢量（mL/100g)2.11.30.76.9氢体积比率（%）74.981.370.079.3第18页/共76页19一、焊缝中的气孔（二）防止焊缝中气孔的途径1、减少氢的来源2、控制焊接工艺第19页/共76页201、减少氢的来源焊材干燥处理焊前清理机械清理 mechanical cleaning溶剂脱脂 solvent degreasing 化学腐蚀清理 chemical etch cleaning，5%氢氧化钠浸泡水洗30%HNO 3光化处理 水洗加强保护，气体的纯度第20页/共76页21防止焊缝中气孔的途径铲根将坡口下端（根部）刮去一个倒角（成为倒V形小坡口）铲根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn,MIG)1-未铲根 2-铲根第21页/共76页22一、焊缝中的气孔（二）防止焊缝中气孔的途径1、减少氢的来源2、控制焊接工艺限制溶氢量改善氢的逸出条件第22页/共76页232、控制焊接工艺焊接工艺参数对气孔倾向的影响（LF6，TIG）TIG焊接工艺参数对气孔倾向的影响采用大的焊接电流配合较高的焊接速度比较有利。第23页/共76页242、控制焊接工艺MIG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)MIG焊工艺参数对气孔倾向的影响低焊速配合高线能量较好 第24页/共76页252、控制焊接工艺薄板焊接时，线能量增大较有利。厚板焊接时，线能量影响不明显。在同样条件下，T型接头的气体含量比对接接头高。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形接头第25页/共76页26第二节 铝及其合金的焊接性分析气孔 porosity 热裂纹 hot cracking poor weld bead profile 焊接接头“等强性”焊接接头的耐蚀性第26页/共76页27二、焊接热裂纹（一）铝合金焊接热裂纹的特点铝合金属于共晶型合金铝合金的线胀系数大（约为钢的2倍）第27页/共76页28共晶型合金结晶温度区间与结晶裂纹倾向的关系焊接条件下固相线一般要向左下方移动。第28页/共76页29Al-Mg合金焊缝凝固裂纹与含Mg量的关系T型角接接头，1连续焊道 2-断续焊道WMg=2%时结晶裂纹倾向最大第29页/共76页30易熔共晶晶间形态对热裂纹倾向的影响球状薄模状热裂纹倾向第30页/共76页31液化裂纹Liquation cracking尤其是6xxx 和 7xxx 系列合金对液化裂纹敏感。第31页/共76页32Solidification crackingSolidification crackingincorrect filler wire/parent metal combination incorrect weld geometry welding under high restraint conditions第32页/共76页33二、焊接热裂纹(二）防止焊接热裂纹的途径1、合理选定焊缝的合金成分2、合理选择焊接工艺参数第33页/共76页34合理选定焊缝的合金成分采用抗裂纹的填充焊丝利用“愈合”作用Al-5%Mg焊丝（5xxx 系列）Al-5%Si焊丝（4xxx 系列）接头强度下降焊丝中加入变质剂细化晶粒，改善韧性提高抗裂性第34页/共76页35合理选定焊缝的合金成分选用异质焊丝可采用 4xxx 系列焊丝焊6xxx系列合金 4xxx 焊丝不能焊高Mg合金（如5083），否则形成脆性相。第35页/共76页36焊丝成分对不同母材焊缝热裂纹倾向的影响1-LF21 2-Al-2.5%Mg 3-Al-3.5%Mg 4-Al-5.2%Mg不同的防锈铝在TIG焊时，填送不同的焊丝以获得不同镁含量的焊缝，焊缝具有不同的抗裂性。第36页/共76页37母材与焊丝组合抗热裂性试验TIG焊，刚性T型接头。同质焊丝裂纹倾向大，异质焊丝裂纹倾向较小。第37页/共76页38(二）防止焊接热裂纹的途径1、合理选定焊缝的合金成分2、合理选择焊接工艺参数采用热量集中的焊接方法，P-MIG、TIG（AC）焊接速度与焊接电流选择连续焊优于断续焊第38页/共76页39第二节 铝及其合金的焊接性分析气孔 porosity 热裂纹 hot cracking 焊接接头“等强性”-力学性能下降焊接接头的耐蚀性第39页/共76页40第40页/共76页41三、焊接接头“等强性”非时效强化铝台金，在退火状态下焊接时，可认为焊接接头与母材是等强的；在冷作硬化状态下焊接时，接头强度低于母材。时效强化铝合金(除A1-Zn-Mg合金)，无论是在退火状态下还是在时效状态下焊接，焊后不经热处理，其接头强度均低于母材的强度。A1-Zn-Mg合金的焊接接头强度与焊后自然时效的时间长短有关，该合金焊后仅靠自然时效的时间延长，焊接接头的强度就可提高到接近母材强度水平。第41页/共76页42热处理强化铝合金焊接接头组织示意图热处理强化铝合金焊接接头组织示意图焊缝铸造组织强韧性与焊材有关熔合区晶粒粗大塑性下降过时效软化区加热温度超过时效强化温度第42页/共76页43合金成分对过时效软化影响图(a)Al-Cu-Mg合金HAZ硬度变化（手工TIG，焊后5天自然时效）图(b)Al-4.5Zn-1.2Mg合金HAZ的硬度变化(a)(a)(b)1-3h2-4d3-30d4-90d第43页/共76页44焊接线能量对焊接接头强度的影响LY16小线能量焊接较好焊前退火，焊后固溶+人工时效第44页/共76页45第二节 铝及其合金的焊接性分析气孔 porosity 热裂纹 hot cracking 焊接接头“等强性”-力学性能下降焊接接头的耐蚀性第45页/共76页46四、焊接接头的耐蚀性接头的耐蚀性一般低于母材接头组织不均匀接头存在焊接缺陷焊缝金属的纯度和致密性杂质析出脆性相焊接应力的影响第46页/共76页47改善接头耐蚀性的措施1改善焊接接头组织、成分的不均匀性。通过焊接材料的合金化，细化晶粒，防止缺陷；调整焊接工艺，减小焊接热影响区，防止过热；焊后热处理等方法第47页/共76页48改善接头耐蚀性的措施2消除焊接残余应力采用退火及局部锤击3采取保护措施采用涂层或阳极氧化处理等。第48页/共76页49第三节 铝及其合金的焊接工艺一、焊接工艺的一般特点二、铝合金焊接工艺制定问题第49页/共76页50一、焊接工艺的一般特点铝及铝合金具有独特的物理化学性能，在焊接过程中会产生一系列的困难。强的氧化性能Al2O3熔点达2050，密度3.954.10Kg/，约为铝的1.4倍，会吸附水，在焊接过程中形成气孔、夹渣等缺陷。MgO熔点约为2500，不致密，较易吸附水分焊前采用化学和机械的方法清理氩气保护或气焊溶剂去膜氩弧焊时利用阴极清理作用第50页/共76页51一、焊接工艺的一般特点高的热导率和导电性必须采用能量集中，功率大的热源铝的线胀系数大，容易形成热裂纹铝及其合金液体熔池很容易吸收气体，气孔倾向大。高温下的强度和塑性低，导致焊缝成形不良，一般情况下需要夹具和垫板。无色泽变化，从固态到液态时，无明显的颜色变化，给操作带来困难。第51页/共76页52“阴极清理”作用惰性气体中的电弧在以金属板（丝）作为阴极的情况下，阴极斑点在金属板上扫动，除去金属表面上的氧化膜。在交流钨极氩弧焊的负半周瞬间，由于高温电弧的作用，氩气被电离成大量的正离子和电子，质量较较大的正离子受阴极区电场的加速作用，高速冲击阴极表面，使氧化膜破碎。第52页/共76页53一、焊接工艺的一般特点接头形式及坡口准备工作主要考虑能否充分去除氧化膜防止因氧化膜而造成的未熔合现象示例第53页/共76页54第三节 铝及其合金的焊接工艺二、铝合金焊接工艺制定问题焊接方法的选择氩弧焊焊接工艺要点焊接材料的选择第54页/共76页55焊接方法的选择气焊常用于薄板(0.5mm2.0mm)的焊接和铸件的焊补。焊接质量较差钨极氩弧焊（TIG）特点：热量集中、电弧稳定、焊缝致密、接头强度塑性高。应用：重要结构，主要是薄板熔化极氩弧焊（MIG）特点：热量集中、HAZ小、生产效率高应用：厚件（3以上，50mm以下）的纯铝及铝合金板材焊接第55页/共76页56焊接方法的选择电子束与激光焊搅拌摩擦焊电阻焊常用于4mm以下的铝合金薄板 钎焊第56页/共76页57氩弧焊焊接工艺要点氩气纯度要求高氩气的纯度要求在99.9以上，O、N含量增加，能恶化阴极清理作用。电源极性钨极氩弧焊(TIG)直流反极性（DCRP）联接，电流应限制得较小电流过大会使钨极烧损很快，并可造成焊缝夹钨直流正极性（DCSP）联接无阴极清理作用TIG焊一般都采用交流电源。第57页/共76页58氩弧焊焊接工艺要点电源极性熔化极氩弧焊(MIG)采用直流反极性联接获得稳定的喷射过渡电弧一般希望焊接电流超过“临界电流”值 临界电流critical current：实现细颗粒喷射过渡的下限电流值。第58页/共76页59铝合金MIG焊接时焊接电流适用范围焊接板厚小于3时必须采用很细的焊丝，送丝困难。采用脉冲氩弧焊较好。焊厚板时，电流太大（超过300400A）以上时焊缝表面易产生”皱皮“第59页/共76页60“皱皮”产生的原因大电流时，弧柱气流以极高的速度流动着，由很大的电弧促使熔池金属外溢，而焊丝端部的氩气流被吸入弧柱中心，随着气流的扰动，以致空气从熔池前端卷入熔池，形成“皱皮”，焊缝成形极端恶化。第60页/共76页61防止“皱皮”措施采用He代替（或部分代替）Ar气采用双重气体保护双层喷嘴示意图第61页/共76页62TIG和MIG焊接铝合金的特点第62页/共76页63氩弧焊焊接工艺要点工艺参数选择TIG焊在钨极直径一定时，随着焊接电流的增加，焊接速度也要相应提高保护气体流量要伴随焊接速度的改变作调整。送丝速度也应相应调整功率一定时，焊接速度与焊件厚度有关手工焊时V(0.0650.25)m/min自动焊时V(0.250.50)m/min。第63页/共76页64氩弧焊焊接工艺要点工艺参数选择MIG焊焊接速度，送丝速度可在大范围内变动V(0.151.50)m/min；Vs(1.110.0)m/min焊接电流适当，必须大于“临界电流值”焊丝直径、焊接电流、送丝速度间的关系见表第64页/共76页65铝合金焊丝的作用电流和送丝速度第65页/共76页66MIG条件下铝焊丝等熔化速度曲线在一定电流下，送丝速度应等于熔化速度。当送丝速度一定时，电弧电压与焊接电流的匹配关系如图所示。第66页/共76页67焊接材料选择同质焊丝焊丝成分与母材相同，或从母材上切下板条作填充金属。母材为纯铝LF2l、LF6、LYl6和A1-Zn-Mg合金，可采用同质焊丝。第67页/共76页68焊接材料选择异质焊丝为满足焊接时抗裂要求，焊丝成分与母材成分有较大差异 A1-5Si焊丝(LTl)可用于焊接多数铝合金，焊接硬铝或锻铝抗裂性好不适宜焊接含Mg量较高的合合(因易形成脆性相Mg2Si)。焊接低Mg的Al-Zn-Mg合金有时也可以使用。第68页/共76页69焊接材料选择异质焊丝A1-5Mg焊丝(LF10、LF11、5356)可用于焊接含Mg合金，如LF3、LF6、LC4等。LY16焊丝主要用于焊接与其成分基本相同的A1-Cu-Mn合金，也可用于焊接Al-Cu-Mg合金硬铝。第69页/共76页70思考题1、铝及其合金焊接时为何易形成气孔？有何防治措施？2、铝及其合金焊接热裂纹倾向大的原因是什么？有何防治措施？第70页/共76页71铜及铜合金的焊接存在问题：（1）难熔合 铜的导热系数大，焊接时散热快，要求焊接热源集中，且焊前必须预热，否则，易产生未焊透或未熔合等缺陷。（2）裂纹倾向大 铜在高温下易氧化，形成的氧化亚铜（Cu2O）与铜形成低熔共晶体（Cu2O+Cu）分布在晶界上，容易产生热裂纹。（3）焊接应力和变形较大 这是因为铜的线胀系数大，收缩率也大，且焊接热影响区宽的缘故。第71页/共76页72铜及铜合金的焊接（4）容易产生气孔 气孔主要是由氢气引起的，液态铜能够溶解大量的氢，冷却凝固时，溶解度急剧下降，来不及逸出的氢气即在焊缝中形成氢气孔。此外，焊接黄铜时，会产生锌蒸发（锌的沸点仅907），一方面使合金元素损失，造成焊缝的强度、耐蚀性降低，另一方面，锌蒸汽有毒，对焊工的身体造成伤害。第72页/共76页73铜及铜合金的焊接焊接方法：氩弧焊、气焊和手工电弧焊，其中氩弧焊是焊接紫铜和青铜最理想的方法，黄铜焊接常采用气焊，因为气焊时可采用微氧化焰加热，使熔池表面生成高熔点的氧化锌薄膜，以防止锌的进一步蒸发，或选用含硅焊丝，可在熔池表面形成致密的氧化硅薄膜，既可以阻止锌的蒸发，又能对焊缝起到保护作用。第73页/共76页74铜及铜合金的焊接为保证焊接质量，在焊接铜及铜合金时还应采取以下措施：（1）为了防止Cu2O的产生，可在焊接材料中加入脱氧剂，如采用磷青铜焊丝，即可利用磷进行脱氧。（2）清除焊件、焊丝上的油、锈、水分，减少氢的来源，避免气孔的形成。（3）厚板焊接时应以焊前预热来弥补热量的损失，改善应力的分布状况。焊后锤击焊缝，减小残余应力。焊后进行再结晶退火，以细化晶粒，破坏低熔共晶。第74页/共76页75本章结束！本章结束！谢 谢!第75页/共76页76感谢您的观看！第76页/共76页
