铝及铝合金焊接工艺研究毕业设计论文.docx

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铝及铝合金焊接工艺研究毕业设计论文

铝及铝合金焊接工艺研究

摘要

铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。

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拓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。

关键词：

铝及铝合金手工氩弧焊焊接特点

英文题目

ABSTRACT

Aluminumandaluminumalloyisthemostwidelyusedinindustryofaclassofnon-ferrousmetalstructurematerial,inaviation,aerospace,automotive,machinerymanufacturing,shippingandthechemicalindustryhasalargeapplication.Recentyears,withscienceandtechnologyandindustrialeconomicdevelopment,tothealuminumalloyweldingstructureoftheincreasingdemand,thealuminumalloyweldingsexresearchwillbefurther.Thewideapplicationofaluminumalloyaluminumalloyweldingtechnologypromotedthedevelopment,andweldingtechnologydevelopmentandexpandtheapplicationfieldofaluminumalloy,aluminumalloyweldingtechnologyisthereforebecomeoneofthehotspotintheresearch.

KEYWORDS:

AluminumandAluminumalloy、HandmadeArgonArcWelding、Weldingcharacteristics

目　录

前　言

人类社会的发展历程,是以材料为主要标志的。

历史上,材料被视为人类社会进化的里程碑。

对材料的认识和利用的能力,决定着社会的形态和人类生活的质量。

1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。

现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器,在六千多年前已经冶炼出黄铜,在四千多年前已有简单的青铜工具,在三千多年前已用陨铁制造兵器。

我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,比欧洲要早一千八百多年以上。

18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。

19世纪中叶,现代平炉和转炉镍管炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。

同时，铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用，相继越来越多铝及铝合金制品开始出现在我们的生活中。

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。

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拓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。

而怎样使铝及铝合金材料运用在我们生活中，这就是我们研究的意义和目的。

铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛的应用于各种焊接结构产品中。

因此提高铝合金焊接的生产率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际生产的迫切要求。

本文综述了铝合金几种不同的的焊接工艺：

钨极氩弧焊（TIG）、熔化极氩弧焊（MIG）、搅拌摩擦焊（FSW），及其焊接和特点，并指出在焊接中存在的问题以及未来的发展趋势。

随着这些相关行业的快速发展，铝合金材料的发展也已经形成一个良性的产业链，轻量化等优点也将让铝合金材料越来越多的进入更多的行业来替代以前的材料，其发展在这些行业中倍受青睐，相信铝合金材料在未来的发展中会有更大更好的发展。

第一章铝及铝合金发展情况行业需求预测及行业报告

1.1.1铝合金的发展情况

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶铝合金及化学工业中已大量应用。

主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。

铸造铝合金产业发展迅速，截止至2011年再生系铸造铝合金产量已经达到428万吨，再原生系铸造铝合金产量升至184万吨。

随着全球经济增长及铝型材用途不断扩展，全球铝型材的消耗量由2001年约869万吨增长至2009年约1550万吨，年复合增长率约为7.5%。

预计2012年，全球铝型材消费量将达约1669万吨。

2012年6月我国共出口铝合金锭41,102吨，同比2011年减少21.53%，环比5月份减少20.86%，同比环比均出现较为明显的下滑。

我国铝合金板材料在未来五年的发展中的需求量将持续上涨。

预计在2015年我国新能源汽车累计产销量将超过50万辆，乘用车需求超过1200万辆，届时，对铝合金板材的需求量将达到17万吨每年。

在未来五年，我国将迎来铝合金板材发展的黄金时期。

铝合金材料是我国铸造产业重点发展的新型材料，同时，它也将会被广泛的运用到其他行业，尤其是汽车、航空行业，另外，在近几年来，"铝代铜"现象的出现，也让新型铝合金材料成为电缆行业的新宠，随着这些相关行业的快速发展，铝合金材料的发展也已经形成一个良性的产业链，轻量化等优点也将让铝合金材料越来越多的进入更多的行业来替代以前的材料，其发展在这些行业中倍受青睐，相信铝合金材料在未来的发展中会有更大更好的发展。

1.1.2行业需求预测

铝加工产品应用广泛，建筑、汽车、高铁、飞机、电子等均用到铝材品种，市场存在很大需求。

铝合金作为高性能轻型合金材料，将是新材料"十二五"规划中重点发展的新材料之一，并配套专项工程予以支持，电网投资为铝消费提供新亮点。

在"十二五"期间，电线电缆行业将进入需求爆发期，而发展特高压将是电网发展的重中之重。

预计"十二五"期间我国将投资超过5000亿元。

2012年全国计划新开工城镇保障性安居工程700万套以上，基本建成500万套，按目前装修标准，每平米所消耗的铝合金更多，约1.4-1.5公斤来计算，将使2012年内的铝合金需求量增加35-37.5万吨。

此外，我国目前的城市化率仅为46%，城市化的发展将有效增加对铝的需求。

随着汽车节能、减轻重量的诉求，汽车用铝板将逐渐替代钢板，未来，汽车用铝板将有很大的市场，主要用于汽车引擎盖和车门。

铝合金车轮是铝合金在汽车上第二个应用广泛的领域。

因为质轻、散热性好并具有良好的外观，铝合金车轮逐渐代替了钢轮毂。

1.1.3行业报告

《中国新材料产业“十二五”发展规划》中指出，把铝合金将作为我国未来五年内重点发展的新型材料，我国铝合金板材料在未来五年的发展中的需求量将持续上涨。

预计在2015年我国新能源汽车累计产销量将超过50万辆，乘用车需求超过1200万辆，届时，对铝合金板材的需求量将达到17万吨每年。

在未来五年，我国将迎来铝合金板材发展的黄金时期。

铝合金材料是我国铸造产业重点发展的新型材料，同时，它也将会被广泛的运用到其他行业，尤其是汽车、航空行业，另外，在近几年来，“铝代铜”现象的出现，也让新型铝合金材料成为电缆行业的新宠，随着这些相关行业的快速发展，铝合金材料的发展也已经形成一个良性的产业链，轻量化等优点也将让铝合金材料越来越多的进入更多的行业来替代以前的材料，其发展在这些行业中倍受青睐，相信铝合金材料在未来的发展中会有更大更好的发展。

第二章铝及铝合金的性能分析其特点及焊接性

2.1铝及铝合金的分类分类成分和性能

2.1.1铝合金的分类

铝合金可分为变形铝合金（双分为非热处理强化铝合金、热处理强化铝合金两类）铸造铝合金。

变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板、带、管、型、条等半成品材料；铸造铝合金以合金铸锭供应。

铝合金分类示意见图1-1。

铝合金的分类及性能特点按GB/T3190—1996和GB/T16474—1966的规定，铝合金牌号命名的基本原则是：

可直接采用国际四位数字体系牌号。

四位字符牌号的第一位、第三位、第四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母。

2×××为Al－Cu系，3×××为Al－Mn系，4×××为Al－Si系，5×××为Al－Mg系，6×××为Al－Mg－Si系，7×××为Al－Zn系，8×××为Al－其他元素，9×××为Al－备用系

。

样，我国变形铝合金的牌号表示法与国际上的通用方法基本一致。

表2.1铝合金的分类及性能特点

分类

合金名称

合金系

性能特点

示例

变形铝合金

非热处理强化铝合金

防锈铝

Al-Mn

抗蚀性、压力加工性与焊接性能好，但强度较低

3A21

Al-Mg

5A05

热处理强化铝合金

硬铝

Al-Cu-Mg

力学性能高

2A11,2A12

超硬铝

Al-Cu-Mg-Zn

硬度强度最高

7A04,7A09

锻铝

Al-Mg-Si-Cu

锻造性能好

耐热性能好

2A14,2A50

Al-Cu-Mg-Fe-Ni

2A70,2A80

铸造铝合金

简单铝硅合金

Al-Si

铸造性能好，不能热处理强化，力学性能较低

ZL102

特殊铝硅合金

Al-Si-Mg

铸造性能良好，可热处理强化，力学性能较高

ZL101

Al-Si-Cu

ZL107

Al-Si-Mg-Cu

ZL105,ZL110

Al-Si-Mg-Cu-Ni

ZL109

铝铜铸造合金

Al-Cu

耐热性好，铸造性能与抗蚀性差

ZL201

铝镁铸造合金

Al-Mg

力学性能高，抗蚀性好

ZL301

铝锌铸造合金

Al-Zn

能自动淬火，宜于压铸

ZL401

铝稀土铸造合金

Al-Re

耐热性能好

—

非热处理强化铝合金

非热处理强化铝合金通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝，原先代号为LF××。

Al－Mn合金和Al－Mg合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并且具有优异的抗腐蚀性和良好的焊接性，是目前焊接结构中应用最广的铝合金、超硬铝、锻铝等。

硬铝硬铝的牌号是按铜的增加顺序编排的。

Cu是硬铝的主要成分，为了得到高的强度，Cu含量一般应控制在4.0%～4.8%。

Mn也是硬铝的主要成分，主要作用是消除铁对抗蚀性的不利的影响，还能细化晶粒、加速时效硬化。

在硬铝合金中，铜、硅、镁等元素能形成溶解于铝的化合物，从而促使硬铝合金在热处理时强化。

退火状态下硬铝的抗拉强度为160～220MPa，经过淬火及时效后抗拉强度增加至312～460MPa。

但硬铝的耐蚀性能差，为了提高合金的耐蚀性，常在硬铝板表面覆盖一层工业纯铝保护层。

超硬铝合金中锌、镁、铜的平均总含量可达9.7%～13.5%，在当前航空航天工业中仍是强度最高和应用最多的一种轻合金材料。

超硬铝的塑性和焊接性差，接头强度远低于母材。

由于合金中锌含量较多，形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大。

锻铝具有良好的热塑性，而且铜含量越少热塑性越好，适于作锻件用。

具有中等强度和良好的抗蚀性，在工业中得到广泛应用。

铝合金的新旧牌号对照见表2.2。

类别

新牌号

旧牌号

类别

新牌号

旧牌号

防锈铝合金

—

5A02

5A03

5A05

5A06

5B05

5083

5056

3A21

3003

LF1

LF2

LF3

LF5

LF6

LF10

LF4

LF5-1

LF21

—

锻铝合金

6A02

2A50

2B50

2A70

2A80

2A90

2A14

6061

6063

LD2

LD5

LD6

LD7

LD8

LD9

LD10

LD30

LD31

硬铝合金

2A01

2A02

—

2A04

2A06

2B11

2B12

2A10

2A11

2A12

2A13

2A16

2A17

LY1

LY2

LY3

LY4

LY6

LY8

LY9

LY10

LY11

LY12

LY13

LY16

LY17

超硬铝合金

7A03

7A04

—

7A09

7A10

7003

LC3

LC4

LC5

LC9

LC10

LC12

2.1.2铝合金的性能

铝合金的物理性能见表2.3

合金

密度

/g·cm-1

比热容

（100℃）

/J·kg-1·K-1

热导率

（25℃）

/W·m-1·K-1

线胀系数

（20～100℃）

/10-6K-1

电阻率

（20℃）

/10-6Ω·m

备注

（原牌号）

3A21

5A03

5A06

2A12

2A16

6A02

2A10

7A04

2.73

2.67

2.64

2.78

2.84

2.70

2.80

2.85

1009

880

921

921

880

795

836

—

180.0

146.5

117.2

117.2

138.2

175.8

159.1

159.1

23.2

23.5

23.7

22.7

22.6

23.5

22.5

23.1

3.45

4.96

6.73

5.79

6.10

3.70

4.30

4.20

防锈铝LF21

防锈铝LF3

防锈铝LF6

硬铝LY12

硬铝LY16

锻铝LD2

锻铝LD10

超硬铝LC4

防锈铜器（铝锰合金、铝镁合金）主要用于要求高的塑性的焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件等。

铝合金被广泛应用航空航天、建筑、汽车、机械制造、电工、化学工业、商业等领域。

铝合金在飞机制造中是主要的结构材料，它约占骨架质量的55%，而且大部分关键轴承部件，如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等是由铝合金制造的。

2.1.3铝合金的焊接性

铝及铝合金焊接时具有以下特性:

（1）铝的强氧化能力铝和氧的化学结合力很强，常温下表面就能被氧化而生成一层厚度为0.1~0.2μm的Al2O3薄膜，Al2O3的熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点（660℃），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。

焊接过程中，Al2O3薄膜会阻碍熔化金属之间良好结合，形成夹渣，并且还会吸附水分，在焊缝中产生气孔。

（2）较大的热导率和比热容铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量热量被迅速传导到基体金属内部，因此消耗更多的热量。

（3）热裂倾向大铝及铝合金的线胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%。

因此，焊接时具有一定的热裂倾向。

（4）容易形成气孔氮不溶于液态铝，铝也不含碳。

因此，焊接铝及铝合金时在焊缝中不会产生N气孔和CO气孔，只可能产生氢气孔。

氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g，而在660℃凝固温度时，氢的溶解度突然降至0.04mL/100g，使原来溶于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。

同时，铝和铝合金的的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及退出而留在焊缝中成为气孔。

（5）接头不等强度铝及铝合金的热影响区由于受焊接热循环作用而发生软化，强度降低，使接头与母材金属无法达到等强度。

工业纯铝及非热处理强化铝合金的强度约为母材金属的75%~100%;热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材金属的40%~50%。

（6）焊穿铝及铝合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材金属温度，施焊时常会因温度过高无法察觉而导至烧穿。

第三章铝及铝合金的焊接工艺

3.1铝合金的焊接难点

铝合金焊接有几大难点：

（1）铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；

（2）铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；

（3）铝合金焊接容易产生气孔；

（4）铝合金焊接易产生热裂纹；

（5）线膨胀系数大，易产生焊接变形；

（6）铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。

3.2铝合金的焊接方法种类

铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。

除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法也可以容易地将铝合金焊接在一起。

针对铝合金焊接的难点，近些年来提出了几种新工艺（等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊、搅拌摩擦焊、激光焊等），在交通、航天、航空等行业得到了一定应用，几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点，焊后接头性能良好，并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表3.1。

应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。

表3.1铝合金常用焊接方法的特点及适用范围

焊接方法

特点

适用范围

手工电弧焊

接头质量差

用于铸铝件补焊及一般修理

钨极氩弧焊

焊缝金属致密，接头强度高、塑性好，可获得优质接头

应用广泛，可焊接板厚1～20㎜

钨极脉冲氩弧焊

焊接过程稳定，热输入精确可调，焊件变形量小，接头质量高

用于薄板、全位置焊接、装配焊接及对热敏感性强的锻铝、硬铝等高强度铝合金

熔化极氩弧焊

电弧功率大，焊接速度快

用于厚件的焊接，可焊厚度为50㎜以下

熔化极脉冲氩弧焊

焊接变形小，抗气孔和抗裂性好，工艺参数调节广泛

用于薄板或全位置焊，常用于厚度2～12㎜的工件

等离子弧焊

热量集中，焊接速度快，焊接变形和应力小，工艺较复杂

用于对接焊要求比氩弧焊更高的场合

真空电子束焊

熔深大热影响区小，焊接变形量小接头力学性能好

用于焊接尺寸较小的焊件

激光焊

焊接变形小，生产率高

用于需进行精密焊接的焊件

搅拌摩擦焊

固态连接，可焊接难容涵的金属

用于尺寸较大的焊件

1.钨极氩弧焊（TIG）

这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。

钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。

2.熔化极氩弧焊（MIG）

由于铝合金很容易氧化，所以不能够使用二氧化碳做保护气体，而使用惰性气体氩气做保护气体。

我们目前的铝合金焊接多采用自动和半自动熔化极氩弧焊。

自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍。

可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。

例如，焊接厚度30㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。

半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。

3.脉冲氩弧焊

（1）钨极脉冲氩弧焊

用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。

焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。

（2）熔化极脉冲氩弧焊

可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。

4.电阻点焊、缝焊

可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。

对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。

焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。

5.搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊FSW（FrictionStirWelding）是由英国焊接研究所TWI（TheWeldingInstitute）1991年提出的新的固态塑性连接工艺。

其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。

由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。

目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。

已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列（Al-Cu）、5000系列（Al-Mg）、6000系列（Al-Mg-Si）、7000系列（Al-Zn）、8000系列（Al-Li）等。

国外已经。

进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20m的结构件，美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

6.激光焊

激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，焊接铝合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷，强度系数提高很大。

但是由于这种工艺还不成熟，焊接时存在着一些问题：

铝合金对激光能的吸收很低；合金元素烧损严重；易产生气孔；热裂纹敏感性大[6]。

可以从增大激光功率密度和提高铝合金对激光能的吸收率这两个方面采取措施解决这些问题。

Huntington和Eager发现激光功率达到一定值时，铝合金对激光的吸收率会明显增大，Huntington和Eagar采用测热法，研究了CO2激光焊接纯铝和5456铝合金时，对激光的吸收情况，发现阳极氧化和喷砂处理可以明显提高铝对激光能量的吸收[7]。

3.3铝用焊接材料选择

3.3.1铝合金焊丝

采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。

铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。

为了得到良好的焊接接头，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材料。

如表3.2。

表3.2铝及铝合金焊丝的型号（牌号）、成分与用途

国标牌号

主要成份（%）

特性和用途

相当AWS

S301

Al≥99.5

塑性好、耐蚀。

纯铝气焊、氩弧焊用

ER1100

S311

Si5AlRem.

抗裂性好，通用性大。

铝合金气焊、氩弧焊用。

不宜用高镁合金

ER4043

S321

Mn1.3AlRem.

良好的耐蚀性、可焊性及塑性。

铝合金气焊、氩弧焊用

ER3003

S331

Mg5Mn0.4