毕业设计论文5052铝合金mig焊工艺及接头性能研究管理资料文档格式.docx

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班级：

成型2007-02班学生姓名：

学号：

20075354

发题日期：

2011-02-28完成日期：

2011-06-17

题目：

5052铝合金MIG焊工艺及接头性能研究

1、本论文的目的、意义

随着中国铁路等行业的快速发展，对铝合金的需求越来越多，对铝合金焊接质量要求也越来越高。

本设计母材选用5052铝合金，采用优化的熔化焊工艺，选用合适的焊接材料，制备铝合金焊接接头，测试并分析接头性能，并与FSW接头性能进行比较。

该设计的开展有利于学生深入掌握焊接工艺知识，掌握焊接接头性能试验测试分析方法，掌握焊接方法的选择原则及工艺参数优化设计方法等，同时有利于培养学生动手能力和独立思考问题、解决问题的能力，加强了理论联系实际，为其从事焊接工艺等设计开发工作奠定了基础。

2、学生应完成的任务

1查阅资料、收集整理资料，明确本设计目的；

2选择5052铝合金焊接材料及熔化焊工艺；

3焊接接头制备及性能试验；

4外文资料的阅读及翻译；

5撰写毕业论文。

3、论文各部分内容及时间分配（共16周）

第一部分：

查阅资料、收集整理资料（1周）

第二部分：

选择5052铝合金焊接材料及熔化焊工艺（2周）

第三部分：

焊接接头制备及性能试验（8周）

第四部分：

外文资料的阅读及翻译（1周）

第五部分：

撰写毕业论文（2周）

论文评阅及答辩：

（1周）

4、参考文献

王元良，周友龙，胡久富．铝合金运载工具轻量化及其焊接新技术的发展[J].电焊机，2005，35（9）：

14-15

边美华，许先果．铝合金复合焊接技术的发展现状[J]．电焊机，2005，35（8）：

29-32

彭云，许良红．焊接热输入对高强铝合金接头组织和性能的影响[J]．焊接学报，2008，29

（2）：

17-21

指导教师：

年月日

审批人：

年月日

摘要

铝合金焊接工艺、材料和接头强度研究在“八五”期间就被列为国家攻关项目。

对于铝合金的焊接方法众多，但对于厚板的焊接，MIG焊独具优势：

设备简单，熔深大，焊接效率较高，焊接质量好，焊接可达性好，适应性好，对长、短曲线焊缝都能很好焊接且易于实现自动化等优点。

本设计母材选用5052铝合金，，以线能量输入的不同，选择三组工艺参数对300×

150×

6mm的母材进行MIG焊，对焊接接头采用拉伸、弯曲、冲击、硬度、微型剪切等常规力学性能试验和金相组织分析。

在此工艺下，%，焊接接头存在软化现象，HV值在56左右，焊缝硬度值在HV65左右，软化区的硬度低于焊缝，接头韧性都很好，正弯和反弯都达到180°

。

拉伸试验时，断裂位置均在软化区附近，断口灰暗无光泽，有明显的颈缩现象，为韧性断裂。

焊缝冲击功最低，热影响区其次。

微剪试验的压入率随着焊缝到母材的靠近，逐渐减小。

焊缝的金相组织主要是α（Al）+β（Mg2Al3）主，且晶粒粗大，气孔比其它区域多，并且很大。

试验结果表明，对于5052铝合金的焊接，采用优化的MIG焊工艺，焊接接头性能比较良好。

关键词：

铝合金；

MIG焊；

焊接接头；

工艺试验

Abstract

Withtherapiddevelopmentofrailwaysandotherindustries,thedemandformoreandmoreofaluminum,aluminumalloyweldingqualityrequirementsarealsoincreasing.Aluminumweldingtechnology,materials,andjointstrengthofthe&

quot;

EighthFive-Year&

periodwaslistedasanationalresearchmethodsforweldingaluminum,butforthickplatewelding,MIGweldinguniqueadvantage:

Thedeviceissimple,deeppenetration,highweldingefficiency,weldingquality,weldinggoodaccessibility,adaptability,onthelong,weldingseamcurvecanbeshortandeasytoimplementwelltheadvantagesofautomation.

The5052selectionofthebasemetalalloydesign,materialselectionofER5356weldingwiretowirethedifferentenergyinput,selectthreegroupsofprocessparametersonthe300×

150×

6mmofthebasemetalforMIGwelding,weldedjointsbytensile,bending,impact,hardness,micro-cuttingandotherconventionalmechanicaltestandmicrostructureanalysis.

Inthisprocess,thejointstrengthof%inthebasemetal,thereissofteningofweldedjoints,HVvalueof56orso,theHV65hardnessaroundtheweld,thehardnessislowerthantheweldsofteningzone,thejointtoughnessisgood,isbendingandreversebendinghasreached180°

.Tensiletest,fracturelocationareinthesofteningzonenearthefracturesurfacedullgraywithobviousnecking,ductilelowestimpactenergyweld,heataffectedzonefollowed.Micro-indentationsheartestsrateasclosetotheweldtothebasematerial,andgraduallydecreased.Weldmicrostructureismainlyα（Al）+β（Mg2Al3）Lord,andcoarsegrains,stomatamorethanotherareas,andlarge.Theresultsshowthatfor5052aluminumalloywelding,MIGweldingprocessusingoptimized,relativelygoodperformanceofweldedjoints.

keywords：

Aluminum；

MIGwelding；

Weldedjoints；

ProcessTest

第1章绪论

前言

近年来，铝合金在汽车制造、造船业、国防和航天航空、容器制造、娱乐和体育器材业等制造领域得到越来越广泛的应用。

铝合金是汽车上应用得最快最广的轻金属，其中的关键在于铝合金本身的性能优越。

由于它具有高强高韧、高比强高比模、耐热耐蚀等特性一直受到世界各国的普遍重视。

美国、德国等发达国家开始生产铝合金高速客车、地铁客车，并取得了巨大的社会效益。

我国对此技术研究起步较晚，目前正在加紧这项技术的研究与试验，并已成功试制成铝合金高速客车体。

我国已经建立了比较完整的铝合金研究和生产体系，铝及铝合金材料产能达到450万吨，实际综合生产能力约350万吨。

可生产l8大类，200多种铝合金，2400多个品种，14000多种规格的铝及铝合金加工产品，基本能满足国民经济需求，但高性能、大规模航空用预拉伸铝合金板、高档民用板带箔材如特薄罐用铝合金板、PS基版、高压电子箔材等都达不到国际先进水平，尚不能满足需要我国高性能铝合金的研究开发和生产基本上是跟踪国外技术基础上发展起来的，已能生产多种牌号的高性能铝合金并用于我国航空航天工业[1]。

铝合金是工业中应用最为广泛的一种色金属结构材料，在汽车、航空、航天、船舶、机械制造以及化学工业中已大量应用。

随着近年来工业经济及科学技术的飞

速发展，工业上对对铝合金焊接结构件的需求量日益增多，这也促进了对铝合金的焊接性研究。

铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又扩展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一[2]。

纯铝的密度小（ρ=），大约是铁的1/3，熔点低（660℃），铝是面心立

方结构，故具有很高的塑性（δ:

32~40%，ψ:

70~90%），易于加工，可制成各种型

材、板材。

抗腐蚀性能好；

但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。

通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及

运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb值分别可达24～60kgf/mm2。

这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σb/ρ）胜过很多合金钢，成

为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，

飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。

采用铝合金代替钢板

材料的焊接，结构重量可减轻50%以上[3]。

%时为纯铝，纯铝的性能在大多数场合不能满足使用要求。

为此，人们再纯铝中添加各种合金元素，以生产出满足各种性能和用途的铝合金。

铝合金可加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等加工材，也可加工成铸件、压铸件等铸造材。

加工材和铸造材又可分为热处理型铝合金材料和非热处理型铝合金材料。

变形铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下三种方法进行分类。

（1）按合金状态及热处理特点分为：

可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。

（2）按合金性能和用途分为：

工业纯铝，光辉铝合金，切削铝合金，耐热铝合金，低强度铝合金，中强度铝合金，高强度铝合金（硬铝），超高强度铝合金（超硬铝）。

（3）按合金所含主要元素成分分为：

工业纯铝（1***系），Al-Cu合金（2***系），Al-Mn合金（3***系），Al-Si合金（4***系），Al-Mg合金（5***系），Al-Mg-Si合金（6***系），Al-Zn-Mg-Cu合金（7***系），Al-Li合金（8***系）及备用合金组（9***系）。

第一位表示其组别，牌号的第二位表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两位数字用以标认同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度[4]。

铝合金焊接

铝合金的焊接特点如下：

（1）铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。

阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷[5]。

铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。

焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜[5~6]。

在焊接过程加强保护，防止其氧化。

钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过阴极清理作用，去除氧化膜。

气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。

在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要阴极清理。

（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。

铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。

在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施[7]。

（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。

铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。

铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。

生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。

在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金[8]。

%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。

（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。

高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。

在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。

弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。

因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。

（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。

因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法[9～10]。

几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。

气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。

气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。

焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。

惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。

铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。

铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。

熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）[11]。

铝及铝合金的焊接，必须掌握其焊接特点及可能出现的问题，方能选择合适的焊接方法和相应的工艺措施。

（1）铝及铝合金具有极易氧化、容易生产氢气孔、合金元素易蒸发和烧损的特点，这就要求采用保护效果好的焊接方法。

（2）铝及铝合金的热导，电导性高，热容量大，焊接时热损失大；

焊接时在焊体中会产生较大热应力的变形，易形成热裂纹；

热输入越大焊接后强度、性能降低越严重，这就要求采用热功率大、能量集中的焊接方法[12]。

传统的MIG焊比较适宜焊接中厚板，它的焊接电流大、电弧热量集中、功率大、焊接效率高，生产效率比铝及铝合金手工TIG焊至少提高2～3倍，可轻易地进行全位置焊接。

现在随着焊接技术的提高也能进行铝及铝合金的薄板焊接。

MIG焊具有设备简单，熔深大，焊接效率较高，焊接质量好，焊接可达性好，适应性好，对长、短曲线焊缝都能很好焊接且易于实现自动化等优点，当前铝合金的焊接生产尤其是中厚板构件的焊接绝大多数都采用了MIG焊，为了减少焊接的热输入并有效地利用热量，主要采用了脉冲MIG焊[6~9]。

焊丝是影响焊缝金属成分、液相线温度、组织、固相线温度、焊缝金属及近缝

区母材的抗热裂性、耐腐蚀性及常温或高温低温下力学性能的重要因素。

当铝材焊

接性不良，出现裂纹，焊接接头力学性能不良或者焊接结构出现脆性断裂时，改用

适当的焊丝而不改变焊件设计和工艺条件常常是必要、可行和有效的技术措施。

所

以本文也通过相关的分析手段对两种焊丝的焊接接头进行了详细的对比分析，以证

明焊丝的选择和工艺参数的调节同等重要。

铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊

接工艺性能外，按要求应使焊接接头的抗拉强度、塑性（通过弯曲试验）达到规定要

求。

因而焊丝的选用主要按照下列原则进行：

（1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材。

（2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材的相应或相近。

（3）铝合金焊丝中的耐蚀元素（镁、锰、硅等）的含量一般不低于母材的。

（4）异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝[3~6]。

此外，焊接铝镁合金时，为弥补焊接过程中烧损的镁含量，应采用含镁量比基体。

金属高1%～2%的焊丝。

焊丝中常常加入Ti用以细化焊缝金属的晶粒。

焊补铸铝的焊丝一般与基体金属成分相同；

铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。

为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属，用以控制焊缝根部形状和余高量。

MIG焊简介

熔化极惰性气体保护电弧焊，英文缩写为MIG焊。

使用惰性气体可以是氩（Ar）、氦（He）、或氩与氦混合。

因惰性气体与液态金属不发生冶金反应，只起包围焊接区使之与空气隔离作用，所以电弧燃烧稳定，熔滴向熔池过度平稳、安定、无激烈飞溅。

这种方法最适用于铝、铜、钛等有色金属的焊接、也可以用于钢材，如不锈钢、耐热钢等焊接。

其设备通常由弧焊电源、控制箱、送丝机构、焊炬、水冷系统及供气系统组成[13]。

MIG焊工作原理如图1-1所示。

焊丝由送丝滚轮送进，在氩气的完好保护下，与工件形成电弧，继而形成熔池和焊缝，焊丝既是填充金属，又是电极，而工件同时也是电极[14]。

图1-1MIG焊工作原理

MIG焊适合焊接铝合金厚板，其主要特点如下：

（1）几乎可以焊接所有的金属，如铝、镁、铜、钛、镍及其合金，以及碳钢、不锈钢、耐热钢等。

焊接中氧化烧损极少，只有少量的蒸发损失，焊接冶金过程比较单纯。

（2）生产率较高、焊接变形小。

由于是连续送丝，允许使用的电流密度较高，熔深大，填充金属熔敷速度快；

没有更换焊条工序，节省时间；

用于焊接厚度较大的铝、铜、钛等有色金属及其合金时生产率比钨极氩弧焊高，焊件变形比钨极氩弧焊小。

（3）焊接过程易于实现自动化。

焊接过程参数稳定，易于检测及控制。

目前，绝大多数的弧焊机器人采用这种焊接方法。

（4）对氧化膜不敏感，焊前几乎无需去除氧化膜的工序。

熔化极氩弧焊一般采用直流反接。

（5）可以获得含氢量较低的焊缝金属；

焊接过程烟雾少，可以减轻对通风的要求。

（6）可以通过采用短路过渡和脉冲进行全位置焊接；

焊道之间不需清渣，可以用更窄的坡口间隙，实现窄间隙焊接，节省填充金属和提高生产率[15~19]。

熔化极氩弧焊是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属，形成熔池和焊缝的焊接方法。

为了得到良好的焊缝应利用外加气体作为电弧介质并保护熔滴，熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。

根据所用焊丝及焊接规范的不同，熔化极氩弧焊的熔滴过渡方式主要有：

短路过渡、大滴过渡、喷射过渡等[20]。

1）短路过渡熔滴过渡只发生在焊丝与熔池接触时，而在电弧空间不发生熔滴过渡。

这种过渡工艺通常产生体积小儿快速凝固的焊接熔池，适合于薄板、全位置焊接和有较大底层间隙的搭桥焊。

2）大滴过渡这种过渡形式一般出现在电弧电压较高，焊接电流较小的情况下。

由于利用这种过渡工艺所形成的焊缝易出现熔合不良、未焊透、余高过大等缺陷，因此在实际焊接中一般不采用。

3）喷射过渡用富氩保护气体保护可产生稳定的、无飞溅的轴向喷射过渡，这种过渡形式出现在焊接电压较高、焊接电流较大的情况下要求直流反接和电流在临界值以上。

焊接不同的材料时，喷射过渡的形态是不同的；

低碳钢、合金钢及不锈钢焊接时的喷射过渡呈流束状，这种喷射过渡又叫做射流过渡；

铝及其合金焊接时的喷射过渡呈滴状过渡。

MIG焊这种工艺方法的缺点，主要是MIG焊的设备成本相对来说较高，且焊接的焊缝有时可能生成气孔。

目前国内针对厚板铝合金的焊接普遍采用的是熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）工艺，然而普通熔化焊的热输入比较大，接头软化、裂纹、气孔等问题都很难解决，接头的强度往往只有母材的60%左右[21]。

可以说铝合金的MIG焊接（金属极惰性气体保护焊接）比钢材的焊接难度更大。

这是因为在实际的电弧焊接中，铝合金MIG焊接存在特有的困难，如：

焊道易下垂；

采用惰性气体保护会使电弧不稳定；

容易产生气孔及裂纹等焊接缺陷。

此外，铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用。

铝及铝合金MIG焊需注意的问题：

（1）喷射过渡焊接时，电弧电压应稍低一点，使电弧略带轻微爆破声，此时熔滴形式属于喷射过渡中的射滴过渡。

弧长增大对焊缝成型不利，对防止气孔也不利。

（2）在中等焊接电流范围内（250~400A），可将弧长控制在喷射过渡区与短路过渡区之间，进行亚射流电弧焊接。

这种熔滴过渡形式的焊缝成形美观，焊接过程稳定。

（3）粗丝大电流MIG焊（400~1000A）在平焊厚板时具有熔深大、生产率高、变形小等优点。

但由于熔池尺寸大，为加强对熔池的保护，应采用双层保护焊枪（外层喷嘴送Ar气，内层喷嘴送Ar~He混合气体），这样可扩大保护区域和改善熔池形状。

（4）大电流时，为了保护熔池后面的焊道，可在双层喷嘴后面再安装附加喷嘴[21~26]。

MIG焊的工艺参数

MIG焊的工艺参数主要有：

焊丝种类及直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝伸长长度、保护气体种类及流量、电源极性、焊枪倾角、焊接方向以及喷嘴高度等。

焊丝的种类与直径：

焊丝直径根据工件的厚度、施焊位置来选择。

薄板焊接及空间位置焊接通常采用细丝（直径≤），平焊位置的中等厚度板焊接通常采用粗丝。

MIG焊一般采用与母材成分相近的焊丝，有时为了改善焊接性、提高焊接接头性能、采用与母材不同的焊丝。

焊接电流：

焊接电流是最重要的工艺参数，MIG通常采用直流反接，这种接法的优点是，熔点过度稳定，熔透能力大且阴极雾化效应大。

实际焊接中根据工件的厚度。

焊丝直径、焊接位置来选择焊接电流。

采用等速送丝时，焊接速度是通过送丝速度来调节。

当所有其它参数保持恒定时，焊接电流与送死速度或融化速度以非线性关系变化。

当送丝速度增加时，焊接电流也随之增大。

对每一种直径的焊丝，在低电流时曲线接近于线性；

可是在高电流时，特别是细焊丝时，曲线变为非线性，而且随着焊接电流的增大，融化速度以更高的速度增加。

当焊丝直径（保持相同的送丝速度），要求