第5章有色金属的焊接.pptx

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,第5章有色金属的焊接,铝及铝合金的焊接铜及铜合金的焊接钛及钛合金的焊接,5.1铝及铝合金的焊接,5.1.1铝及铝合金的分类、成分及性能1.铝及铝合金的分类根据合金化系列：

工业纯铝、铝铜合金、铝锰合金、铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金、铝锌镁铜合金等七大类按强化方式：

非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金按铝制产品形式不同：

变形铝合金和铸造铝合金,非热处理强化铝合金可通过加工硬化、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，焊接性良好，是焊接结构中应用最广的铝合金。

热处理强化铝合金是通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能。

经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能下降。

热处理强化铝合金包括硬铝、超硬铝、锻铝等。

2.铝及铝合金的牌号、成分及性能常用铝及铝合金的牌号及化学成分见表5-2，常用铝及铝合金的力学性能见表5-3。

铝及铝合金的物理性能见表5-4。

表5-2,常用铝及铝合金的牌号及化学成分,学性能,性能,5.1.2铝及铝合金的焊接性,铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050，MgO熔点约为2500），加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。

由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。

同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。

此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。

这些都是焊接生产中颇感困难的问题。

对铝合金进行焊接可用不同的焊接方法，表5-5所列为部分铝及铝合金的相对焊接性。

接性,1.焊缝中的气孔

（1）铝及其合金熔焊时形成气孔的特点：

氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因氢的来源：

弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分对焊缝气孔的产生有重要的影响。

1）弧柱气氛中水分的影响,弧柱空间或多或少存在一定量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，凝固时来不及析出成为焊缝气孔。

这时所形成的气孔具有白亮内壁的特征。

弧柱气氛中的氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝中的溶解度变化有关，如图5-2所示。

图5-2,氢在铝中的溶解度（=101kPa）,不同合金系对弧柱气氛中水分的影响是不同的。

纯铝对气氛中的水分最为敏感。

Al-Mg合金Mg含量增高，氢的溶解度和引起气孔的临界氢分压pH2随之增大，因而对吸收气氛中水分不太敏感。

相比之下，同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些。

不同的焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性也不同。

TIG焊或MIG焊时氢的吸收速率和吸氢量有明显差别。

MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴金属易于吸收氢；TIG焊时，熔池金属表面与气体氢反应，因比表面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如MIG焊时容易。

同时，MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深，也不利于气泡的浮出。

所以，在同样的气氛条件下，MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大。

2）氧化膜中水分的影响在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已严格限制，这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。

氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。

MIG焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多。

表5.6纯铝焊丝表面清理方法对焊缝含氢量的影响,TIG焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除净的氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。

这种氧化膜不仅提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着。

刚形成熔池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，则氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上萌生气泡；由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡是在熔化早期形成的，有条件长大，所以常造成集中的大气孔。

这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重。

坡口端部氧化膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口边缘分布，内壁呈氧化色，这是其重要特征。

由于Al-Mg合金比纯铝更易于形成疏松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-Mg合金比纯铝更容易产生这种集中的氧化膜气孔。

因此，焊接铝镁合金时，焊前须仔细清除坡口端部的氧化膜。

母材表面氧化膜也会在近缝区引起“气孔这发”，现于Al-Mg合金气焊或TIG焊慢速焊条件下。

这种“气孔”以表面密集的小颗粒状的“鼓泡”形式呈现出来，也被认为是“皮下气孔”。

（2）防止焊缝气孔的途径1）减少氢的来源使用的焊接材料（包括保护气体、焊丝、焊条等）要严格限制含水量，使用前需干燥处理。

一般认为，氩气中的含水量小于0.08%时不易形成气孔。

氩气的管路也要保持干燥。

焊前处理十分重要。

焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除，采用化学方法或机械方法均可，若两者并用效果更好。

在5A03（板厚1.8mm）手工TIG焊时，仅经过化学清洗仍不能防止气孔。

化学清洗后，焊前应用细钢丝刷再全面刷一遍近缝区，并用刮刀刮削坡口端面，装配时要防止再度弄脏。

机械清理后表面氧化速度很快，应及时进行焊接。

化学清洗有两个步骤：

脱脂去油和去除氧化膜。

处理方法和所用溶液的示例见表5-7。

清洗后到焊前的间隔时间（即存放时间）对气孔的产生有一定影响。

存放时间延长，焊丝或母材吸附的水分增多。

所以，化学清洗后应及时施焊，一般要求化学清洗后23h内进行焊接，一般不要超过12h。

对于大型构件，清洗后不能立即焊接时，施焊前应再用刮刀刮削坡口端面并及时施焊。

表5-7铝合金化学清洗溶液及处理方法示例,正反面全面保护，配以坡口刮削是有效防止气孔的措施。

将坡口下端根部刮去一个倒角（成为倒V形小坡口），对防止根部氧化膜引起的气孔很有效。

焊接时铲焊根有利于减少焊缝气孔的倾向。

在MIG焊时，采用粗直径焊丝，比用细直径焊丝时的气孔倾向小，这是由于焊丝及熔滴比表面积降低所致。

2）控制焊接工艺焊接参数的影响可归结为对熔池高温存在时间的影响，也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响。

熔池高温存在时间增长，有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶入；反之，熔池高温存在时间减少，可减少氢的溶入，但也不利于氢的逸出。

焊接参数不当时，如造成氢的溶入量多而又不利于逸出时，气孔倾向势必增大。

对于TIG焊参数的选择，一方面采用小热输入以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，因而须适当提高焊接速度；同时又要保证根部熔合，以利根部氧化膜中的气泡浮出，又须适当增大焊接电流。

图5-3铲根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn，MIG）1未铲根2铲根,在MIG焊条件下，焊丝氧化膜的影响更明显，减少熔池存在时间，难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入。

因此希望增大熔池时间以利气泡逸出。

图5-4,焊接工艺参数对气孔倾向的影响（5A06，TIG）,图5-5,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）,因此，在MIG焊条件下，接头冷却条件对焊缝气体含量有较明显的影响。

必要时可采取预热来降低接头冷却速度，以利气体逸出，这对减少焊缝气孔倾向有一定好处。

改变弧柱气氛的性质，对焊缝气孔倾向也有一些影响。

例如，在氩弧焊时，Ar中加入少量CO2或O2等氧化性气体，使氢发生氧化而减小氢分压，能减少气孔的生成倾向。

但是CO2或O2的数量要适当控制，数量少时无效果，过多时又会使焊缝表面氧化严重而发黑。

2.焊接热裂纹铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。

（1）铝合金焊接热裂纹的特点铝合金属于共晶型合金。

从理论上分析，最大裂纹倾向与合金的“最大凝固温度区间”相对应。

但是，由平衡状态图得出的结论与实际情况有较大出入。

例如，在T形角接接头的焊接条件下，Al-Mg合金焊缝裂纹倾向最大时的成分xm是在2%Mg附近（图5-7），并不是凝固温度区间最大（l5.36%Mg）的合金。

其他铝合金的情况也是如此。

图5-6,板厚及接头形式对焊缝气体含量的影响（MIG）1对接接头2T型接头,裂纹倾向最大时的合金组元xm均小于它在合金中的极限溶解度，例如Al-Mg合金的xm约为2%Mg；这是由于焊接加热和冷却过程都很快，使合金来不及建立平衡状态，在不平衡的凝固条件下固相线一般要向左下方移动的结果。

也就是说，固相与液相之间的扩散来不及进行，先凝固的固相中合金元素含量少，而液相中却含较多合金元素，以致可在较少的平均浓度下就出现共晶。

例如在80100/s冷却速度下，Al-Cu合金的实际固相线向左下方移动，使极限溶解度的成分为0.2%Cu（而不是原来的5.65%Cu），共晶温度降低到525（原来是548）。

若合金中存在其他元素或杂质时，还可能形成三元共晶，其熔点要比二元共晶更低一些，凝固温度区间也更大一些。

易熔共晶的存在，是铝合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一。

铝合金的线膨胀系数比钢约大1倍，在拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应力，也是促使铝合金具有较大裂纹倾向的原因之一。

关于易熔共晶的作用，不仅要看其熔点高低，更要看它对界面能量的影响。

易熔共晶成薄膜状展开于晶界上时，促使晶体易于分离，而增大合金的热裂倾向；若成球状聚集在晶粒顶点间时，合金的热裂倾向小。

近缝区液化裂纹同焊缝凝固裂纹一样，也与晶间易熔共晶有联系，但这种易熔共晶夹层并非晶间原已存在的，而是在不平衡的焊接加热条件下因偏析而形成的，所以称为晶间液化裂纹。

（2）防止焊接热裂纹的途径母材的合金系对焊接热裂纹有重要的影响。

对于焊缝金属的凝固裂纹，主要是通过合理确定焊缝的合金成分，并配合适当的焊接工艺来进行控制。

1）合金系的影响在铝中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素可获得不同性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响如图5-8所示。

图5-7Al-Mg合金焊缝凝固裂纹与含Mg量的关系（T形角接接头）1连续焊道2断续焊道,调整焊缝合金,2024,2219,敏性0,对于裂纹倾向大的硬铝之类高强铝合金，在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性，往往成效不大。

生产中不得不采用含wSi=5%的Al-Si合金焊丝（4A01）来解决抗裂问题。

因为可以形成较多的易熔共晶，流动性好，具有很好的“愈合”作用，有很高的抗裂性能，但强度和塑性不理想，不能达到母材的水平。

Al-Cu系硬铝合金2A16是为了改善焊接性而设计的硬铝合金。

Mg可降低Al-Cu合金中Cu的溶解度，促使增大脆性温度区间。

为此，应取消Al-Cu-Mg（硬铝）中的Mg，添加少量Mn（wMn1%），得到Al-Cu-Mn合金（2A16）。

如图5-9所示，wCu=6%7%时，正好处在裂纹倾向不大的区域。

由于Mn能提高再结晶温度而改善热强性，所以Al-Cu-Mn合金也可作为耐热铝合金应用。

为了细化晶粒，加入wTi=0.1%0.2%是有效的。

wFe0.3%时，降低强度和塑性；wSi0.2%时，增大裂纹倾向。

特别是Si、Mg同时存在时，裂纹倾向更为严重，因Cu与Mg不能共存，Mg含量越少越好，一般限制wMg0.05%。

图5-9,焊丝成分对不同母材焊缝热裂倾向的影响,13A212Al-2.5%Mg3Al-3.5%Mg4Al-5.2%Mg,超硬铝的焊接性差，尤其在熔焊时易产生裂纹，而且接头强度远低于母材。

其中Cu的影响最大，在Al-6%Zn-2.5%Mg中只加入wCu=0.2%即可引起焊接裂纹。

对于Al-Zn-Mg系合金，同样不允许Cu、Mg共存。

Zn及Mg增多时，强度增高但耐蚀性下降。

为改善超硬铝的焊接性，发展了Al-Zn-Mg系合金。

它是在Al-Zn-Mg-Cu系基础上取消Cu，稍许降低强度而获得比较优异的