铝及铝合金焊接 2.docx

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铝及铝合金焊接2

xx职业技术学院

毕业设计（论文）

题目铝及铝合金焊接工艺适应性研究

系别材料工程系

学生姓名xxxx

学号1002040135

专业名称焊接技术及自动化

指导教师xx

2012年12月4日

铝

摘要

铝及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。

掌握铝合金的焊接性特点、焊接操作技术、接头质量和性能、缺陷的形成及防止措施等,对正确制定铝合金的焊接工艺,获得良好的接头性能和扩大铝合金的应用范围具有十分重要的意义。

铝的重量轻和耐腐蚀是其性能的两大突出特点,纯铝的密度约为2.7g/cm3,仅为铁、铜密度的1/3；铝及铝合金的表面易生成一层致密、牢固的Al2O3保护膜，这层保护膜只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会遭到破坏，因此具有很好的耐大气（包括工业性大气和海洋大气）腐蚀和水腐蚀的能力，能抵抗多数酸和有机物的腐蚀。

采用缓蚀剂，可耐弱碱液腐蚀；采用保护措施，可以提高铝合金的耐蚀性能。

在各种牌号的变形铝及铝合金中，铝锰和铝镁合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并具有优秀的抗蚀性和焊接性能。

铝及铝合金焊接特性氩弧焊

绪论

有色金属non-ferrousmetal，狭义的有色金属又称为非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。

广义的有色金属还包括有色合金。

有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。

随着科学技术的发展，有色金属的应用日趋广泛。

虽然有色金属只占金属总量的5%左右，但有色金属在工程应用中的重要作用确实钢铁或其他材料无法代替的。

有色金属具有特殊的性能，比常规钢铁材料的焊接更复杂，这给焊接工作带来很大的困难。

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。

第一章有色金属的分类

（一）、什么是金属和非金属，什么是黑色金属和有色金属，什么是合金？

目前，已知的的化学元素有118种，其中自然界只存在92种，科学家成功研制出并已经得到承认和命名的元素有18种，有8种元素没有得到承认和命名。

人们通常把这些元素分成金属和非金属两大类。

从物理性能上来看，具有导电性、导热性、可塑性以及特殊光泽的元素叫金属，反之是非金属。

常见的金属有铁、铝、铜、镁、锌等。

在非金属中，常温下呈气态的有氢、氧、氩等；常温下呈液态的有溴；常温下呈固态的有碳、硼等。

金属又可分为黑色金属和有色金属两大类。

黑色金属通常是指铁、铬、锰和铁基合金，其他的金属合金称为有色金属。

合金是有两种或两种以上的金属元素与非金属元素所组合成的具有合金性质的物质。

如3A21就是由铝和锰组成的以铝为基的合金。

（二）、有色金属的分类

有色金属按其性质、用途、产量及其在地壳中的储量状况一般分为有色轻金属、有色重金属、贵金属、稀有金属和半金属五大类。

在稀有金属中，根据其物理化学性质、原料的共生关系、生产工艺流程等特点，又分稀有轻金属、稀有重金属、稀有难熔金属、稀散金属、稀土金属、稀有放射性金属。

第二章铝及铝合金性能的分析其特点

（一）、铝合金的分类、成分和性能

铝具有密度小、耐腐蚀性好、导电性及导热性高等良好性能，特别是在纯铝中加入各种合金元素而成的铝合金，强度显著提高，在国民经济中得到了广泛应用。

铝的储藏量极为丰富，是地壳中分布广泛的一种活泼的化学元素，储藏量为7.5%，比铁、铜大的多，因而用铝或铝合金代替铜或其他贵金属，具有很大的经济价值。

1、铝及其合金的分类及性能

工业是指用工业方法大规模生产的纯铝，其纯度为99.7%-98.8%，工业纯铝中还含有铁、硅等少量杂质。

工业纯铝的牌号和化学成分见表。

纯铝的熔点只有660℃。

铝的化学活泼性很高，易于空气中的氧作用生成一层牢固、致密的氧化膜，起到保护作用，因而铝对空气、氨及硫气体、淡水、酸等有很好的耐腐蚀性。

铝的导热性约为低碳钢的5倍，纯铝塑性好，强度不高。

表2-1.工业纯铝的化学成分和牌号

牌号

成分

L1

L2

L3

L4

L5

L6

w（AI）

99.7

99.6

99.5

99.3

99.0

98.8

w（杂质）（≤）

0.30

0.40

0.50

0.70

1.0

1.2

2、铝合金

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见表1-1。

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。

这样，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2-2铝合金的分类及性能特点

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

—

（二）、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。

1、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。

2、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。

3、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。

表2-3铝合金的新旧牌号对照

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）铝合金的性能

铝合金的物理性能见表2-4

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。

第三章铝及铝合金的焊接性和焊接材料

（一）铝合金熔化焊时有如下困难和特点

1、铝在空气中及焊接时极易氧化,生成的氧化铝熔点高（2050℃）、非常稳定、不易去除,它阻碍母材的熔化和熔合。

氧化膜的密度大,不易浮出表面,易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。

铝材的表面氧化膜还吸附大量的水分,易使焊缝产生气孔。

另外氧化膜不导电,影响焊接电弧的稳定性。

焊接前应采用化学或机械方法进行严格地表面清理,清除其表面氧化膜。

在焊接过程中要加强保护,防止其氧化。

钨及氩弧焊时,选用交流电源,通过“阴极雾化”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及气体保护焊,在直流正接情况下,可不需要“阴极雾化”。

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。

3、铝及铝合金的热膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的一倍。

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、疏松、热裂纹及较大的内应力。

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-镁合金之外的其他铝合金。

在铝-硅合金中ω（Si）=0.5%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。

根据生产经验,当ω（Si）为5%~6%时可不产生热裂,因而采用SAlSi（ω（Si）为4.5%~6%）焊丝会有更好的抗裂性。

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。

高温下铝的强度很低,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。

由于铝的导热性好,所以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、焊接材料和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、铝合金中有的合金化元素易蒸发、烧损,使焊缝性能下降。

7、母材基体合金如为变形强化或固溶时效强化状态,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。

（二）对铝合金进行焊接，可以用多种不同的焊接方法，表1.4所列的为部分铝合金的相对焊接性。

表3-1部分铝合金的相对焊接性

焊接方法

焊接性与适用范围

说明

铝锰合金

铝镁合金

铝铜合金

适用厚度

3003

3004

5083

5056

5052

5454

2014

2024

推荐

可用

TIG焊（手工、自动）

很好

很好

很好

很差

1～10

0.9～25

填丝或不填丝，厚板需预热，交流电源

MIG焊（手工、自动）

很好

很好

很好

较差

≥8

≥4

焊丝为电极，厚板需预热和保温，直流反接

脉冲MIG焊（手工、自动）

很好

很好

很好

较差

≥2

1.6～8

适用于薄板焊接

气焊

很好

很差

较差

很差

0.5～10

0.3～25

适用于薄板焊接

焊条电弧焊

较好

很差

较差

很差

3～8

—

直流反接，需预热，操作性差

电阻焊（点焊、缝焊）

较好

很好

很好

较好

0.7～3

0.1～4

需要电流大

等离子弧焊

很好

很好

很好

较差

1～10

—

焊缝晶粒小，抗气孔性能好

电子束焊

很好

很好

很好

较好

3～75

≥3

焊接质量好，适用于厚件

现代科学技术的发展促进了铝合金焊接技术的进步。

可焊接的铝合金材料范围逐步扩大，现在不仅可以成功地焊接非热处理强化的铝合金，而且解决了传统的航空航天和军工等行业，逐步扩大到国民经济生产和人民生活的各个领域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（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。

1、气焊

氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。

用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。

这种方法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。

2、钨极氩弧焊

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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。

与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。

与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。

这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。

由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。

（三）、铝及铝合金的焊接材料

1、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。

选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑产品的力学性能、耐蚀性能，结构的刚性、颜色及抗裂性等。

选择熔化温度低于母材的填充金属，可大大减小热影响区的晶间裂纹倾向。

对于非热处理合金的焊接接头强度，按1000系、4000系、5000系的次序增大。

含镁3%以上的5000系的焊丝，应避免在使用温度65℃以上的结构中采用，因为这些合金对应力腐蚀裂纹很敏感，在上述温度和腐蚀环境中会发生应力腐蚀龟裂。

用合金含量高于母材的焊丝作为填充金属，通常可防止焊缝金属的裂纹倾向。

目前，铝合金常用的焊丝大多是与基体金属成分相近的标准牌号焊丝。

在缺乏标准牌号焊丝时，可从基体金属上切下狭条代用。

较为通用的焊丝是HS311，这种焊丝的液态金属流动性好，凝固时的收缩率小，具体优良的抗裂性能。

为了细化缝晶粒、提高焊缝的抗裂性及力学性能，通常在丝中加入少量的Ti、V、Zr等合金元素作为变质剂。

2、选用铝合金焊丝应注意的问题如下。

（1）焊接接头的裂纹敏感性影响裂纹敏感性的直接因素是母材与焊丝的匹配。

选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。

例如，焊接硅含量0.6%的6061合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，但用硅含量5%的ER4043焊丝，由于其熔化温度比6061合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。

此外，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为Al－Mg－Cu有很高的裂纹敏感性。

（2）焊接接头的力学性能工业纯铝的强度最低，4000系列铝合金居中，5000系列铝合金强度最高。

铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差，所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。

（3）焊接接头的使用性能填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。

例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。

在这种情况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。

3、焊条

铝合金焊条型号、规格与用途见表2.2。

铝合金焊条的化学成分和力学性能见表2.3。

表3-1铝及铝合金焊条的型号（牌号）、规格与用途

型号

牌号

药皮类型

焊芯材质

焊条规格/㎜

用途

E1100

L109

盐基型

纯铝

3.2，4.5

345～355

焊接纯铝板、纯铝容器

E4043

L209

盐基型

铝硅合金

3.2，4.5

345～355

焊接铝板、铝硅铸件、一般铝合金、锻铝、硬铝（铝镁合金除外）

E3003

L309

盐基型

铝锰合金

3.2，4.5

345～355

焊接铝锰合金、纯铝及其他铝合金

表3-2铝及铝合金焊条的化学成分和力学性能

型号

牌号

药皮类型

电源种类

焊芯化学成分

/%

熔敷金属

抗拉强度

/MPa

焊接接头

抗拉强度

/MPa

E1100

L109

盐基型

直流反接

Si+Fe≤0.95,Co0.05～0.20

Mn≤0.05,Be≤0.0008

Zn≤0.10,其他总量≤0.15

Al≥99.0

≥64

≥80

E4043

L209

盐基型

直流反接

Si4.5～6.0,Fe≤0.8

Cu≤0.30,Mn≤0.05

Zn≤0.10,Mg≤0.0008

其他总量≤0.15,Al余量

≥118

≥95

E3003

L309

盐基型

直流反接

Si≤0.6,Fe≤0.7

Cu0.05～0.20,Mn1.0～1.5

Zn≤0.10,其他总量≤0.15

Al余量

≥118

≥95

4、保护气体

焊接铝合金的惰性气体有氩所和氦气。

氩气的技术要求为Ar＞99.9%,氧＜0.005%，氢＜0.005%，水分＜0.02mg/L，氮＜0.015%。

氧、氮增多，均恶化阴极雾化作用。

氧＞0.3%，则使钨极烧损加剧，超过0.1%使焊缝表面无光泽或发黑。

钨极氩弧焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚度板；直流正极性焊接选用Ar+He或纯Ar。

熔化极氩弧焊时，当板厚＜25㎜时，采用纯Ar。

当板厚为25～50㎜时，采用添加10%～35%Ar的Ar+He混合气体。

当板厚为50～75㎜时，宜采用添加10%～35%或50%He的Ar+He混