第5章-有色金属的焊接.ppt

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第5章有色金属的焊接_,5.1铝及铝合金的焊接_5.2铜及铜合金的焊接_5.3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2、铝及铝合金的牌号、成分及性能5.1.2铝及铝合金的焊接性_1、焊缝中的气孔2、焊接热裂纹3、焊接接头的“等强性”4、焊接接头的耐蚀性5.1.3铝及铝合金的焊接工艺_1、焊接方法2、焊接材料3、焊前清理和预热4、焊接工艺要点,5.1铝及铝合金的焊接,铝及铝合金特点：

密度小、比强度高，良好耐蚀性、导电性、导热性、低温力学性能应用：

航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防,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,1）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2）按强化方式：

非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金3）按铝制产品形式不同：

变形铝合金和铸造铝合金,图5-1铝合金分类示意图,1变形铝合金2铸造铝合金3非热处理强化铝合金4热处理强化铝合金,表5-1铝合金分类,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：

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：

通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能经热处理：

可显著提高抗拉强度焊接性较差：

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包括：

硬铝、超硬铝、锻铝等,表5-2常用铝及铝合金的牌号及化学成分,2、铝及铝合金的牌号、成分及性能,表5.3常用铝及铝合金的力学性能,表5-4铝及铝合金的物理性能,5.1.2铝及铝合金的焊接性,化学活性很强：

表面极易形成难熔氧化膜Al2O3熔点2050，MgO熔点2500导热性强1）焊接时易造成不熔合现象,氧化膜密度与铝的密度接近：

2）易成为焊缝金属的夹杂物氧化膜（特别MgO存在不很致密氧化膜）可吸收较多水分3）焊缝气孔,线膨胀系数大4）焊接时容易产生翘曲变形,表5-5部分铝及铝合金的相对焊接性,1、焊缝中的气孔,焊缝气孔：

熔焊时最常见缺陷，特别纯铝、防锈铝,

（1）铝及其合金熔焊时形成气孔原因,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材及母材所吸附的水分,弧柱气氛中水分的影响,由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热熔融金属中，凝固时来不及析出成为焊缝气孔。

图5-2氢在铝中的溶解度（pH2=101kPa）,平衡条件下：

沿实线变化凝固点时：

0.690.036及：

铝导热性强，熔合区冷却速度快，不利于气泡浮出,原因：

氢在铝中的溶解度,气孔特征：

具有白亮内壁,不同合金系对弧柱气氛中水分的影响：

纯铝：

对气氛中的水分最为敏感Al-Mg合金：

Mg含量氢的溶解度、引起气孔的临界氢分压pH2不太敏感即：

同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些,不同焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性：

TIG焊：

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MIG焊：

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同时：

MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深不利于气泡的浮出因而，在同样的气氛条件下，MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大,氧化膜中水分的影响,正常焊接条件：

气氛中的水分已严格限制生成焊缝气孔主要原因：

焊丝或工件氧化膜中所吸附水分,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。

Al-Li合金的氧化膜更易吸收水分而促使产生气孔,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,若为Al-Mg合金焊丝，对焊缝含氢量影响更显著严格限制弧柱气氛水分的MIG条件下，用Al-Mg合金焊丝比用纯铝焊丝时具有更大气孔倾向,TIG焊：

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气孔的主要原因氧化膜：

提供了氢的来源能使气泡聚集附着,坡口端部氧化膜引起的气孔：

分布：

沿着熔合区原坡口边缘分布颜色：

内壁呈氧化色,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合金更易产生这种氧化膜气孔焊接铝镁合金时，焊前须仔细清除坡口端部的氧化膜,皮下气孔：

Al-Mg合金气焊或TIG焊慢速焊条件下，母材表面氧化膜也会在近缝区引起“气孔”以表面密集的小颗粒状的“鼓泡”形式呈现出来,

（2）防止焊缝气孔的途径,1）减少氢的来源,a、焊材要严格限制含水量，使用前需干燥处理b、焊前处理：

焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除化学或机械方法，或两者并用（化学清洗后应及时施焊）,表5-7铝合金化学清洗溶液及处理方法示例,c、正反面全面保护，配以坡口刮削d、将坡口下端根部刮去一个倒角（成为倒V形小坡口）防止根部氧化膜引起的气孔,图铲根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn，MIG）1未铲根2铲根,e、焊接时铲焊根,f、MIG焊时，采用粗直径焊丝气孔倾向小,2）控制焊接工艺,焊接参数的影响：

对熔池高温存在时间的影响即对氢溶入时间和氢析出时间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；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：

如造成氢溶入量多而又不利于逸出时气孔倾向势必增大,TIG焊参数选择：

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焊接工艺参数对气孔倾向的影响（5A06，TIG）,大电流配合较高焊速,MIG焊：

焊丝氧化膜的影响更明显增大熔池时间以利气泡逸出,图5-5MIG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）,降低焊速和提高热输入,图5-5板厚及接头形式对焊缝气体含量的影响（MIG）1对接接头2T形接头,薄板焊接：

热输入增大减少焊缝中气体含量中厚板焊接：

热输入增大影响不明显,接头冷却条件：

可采取预热来降低接头冷却速度，以利气体逸出，减少焊缝气孔倾向,T形接头的冷却速度是对接接头的1.5倍,改变弧柱气氛的性质如氩弧焊时，Ar中+少量CO2或O2等氧化性气体使氢发生氧化而减小氢分压减少气孔生成倾向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,热裂纹：

焊缝凝固裂纹、近缝区液化裂纹,1）铝合金焊接热裂纹的特点,理论上：

最大裂纹倾向与合金最大凝固温度区间相对应,实际上：

图5-6Al-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,焊缝裂纹倾向最大时成分xm：

2%Mg附近并非凝固温度区间最大（l5.36%Mg）的合金,易熔共晶的存在，是焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一,原因：

焊接加热和冷却过程都很快，使合金来不及建立平衡状态，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,铝合金线膨胀系数大，在拘束条件下焊接时易产生较大焊接应力，是促使其具有较大裂纹倾向原因之一,近缝区液化裂纹：

与晶间易熔共晶有联系，是在不平衡焊接加热条件下因偏析而形成的,2）防止焊接热裂纹的途径,焊缝金属的凝固裂纹：

合理确定焊缝的合金成分，并配合适当焊接工艺来进行控制,合金系的影响,Al+Cu、Mn、Si、Mg、Zn等获得不同性能合金裂纹敏感性不同,调整焊缝合金系的着眼点：

从抗裂角度考虑：

在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间,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,Al-Mg合金焊接：

焊丝：

wMg%3.5%或5%为好,Al-Mn合金焊接：

焊丝：

wMg%8%改善焊缝抗裂性,高强铝合金：

如硬铝，裂纹倾向大在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性，成效不大采用含wSi=5%的Al-Si合金焊丝（4A01）来解决抗裂问题原因：

可形成较多易熔共晶，流动性好，具有很好“愈合”作用，有很高抗裂性能,图5-10Al-Cu-Mg及Al-Cu-Mn系合金的凝固裂纹倾向与合金组成的关系（铸环抗裂试验）a）Al-Cu-Mg合金b）Al-Cu-Mn合金,Al-Cu系硬铝合金：

为改善焊接性而设计硬铝合金,2A16：

Al-Cu-Mn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，故取消Al-Cu-Mg中的Mg，添加少量Mn（wMn1%）,Al-Cu-Mn合金:

wCu=6%7%时，正处裂纹倾向不大区域Mn：

能提高再结晶温度而改善热强性，可作耐热铝合金应用wTi=0.1%0.2%：

细化晶粒wFe0.3%：

降低强度和塑性wSi0.2%时：

增大裂纹倾向特别Si、Mg同时存在时，裂纹倾向更严重限制wMg0.05%,超硬铝：

焊接性差，尤其熔焊时易产生裂纹且接头强度远低于母材Cu：

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Al-Zn-Mg系合金：

焊接裂纹倾向小所用焊丝不许含Cu，且应提高Mg含量，同时要求wMgwZnZn及Mg增多时，强度增高但耐蚀性下降焊后仅靠自然时效，接头强度即可基本恢复到母材水平,高强铝合金焊丝：

含Ti、Zr、V、B等微量元素细化晶粒、改善塑性、韧性显著提高抗裂性能,图5-11母材与焊丝组合的抗热裂性试验（刚性T形接头；TIG）（括号中数字为母材代号，无括号的数字为焊丝代号）,焊丝成分的影响,1）采用成分与母材相同焊丝时，具有较大裂纹倾向2）Al-5%Si焊丝4043、Al-5%Mg焊丝5A05或5556抗裂效果满意3）Al-Zn-Mg合金专用焊丝X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）具有相当高的抗裂性能,焊接参数的影响,焊接参数,影响,凝固过程,不平衡性,凝固组织状态,应力变化,影响,裂纹产生,热能集中焊接方法：

可防止形成方向性强的粗大柱状晶可以改善抗裂性,小焊接电流：

可减少熔池过热，有利于改善抗裂性焊接速度提高：

促使增大焊接接头应力，增大热裂倾向,大部分铝合金的裂纹倾向都比较大即使采用合理焊丝，熔合比大时，裂纹倾向也必然增大,增大焊接电流是不利的，而且应避免断续焊接,3、焊接接头的“等强性”,表5-8铝合金母材及焊接接头（MIG焊）的力学性能比较,非时效强化铝合金如Al-Mg合金：

冷作状态下焊接时接头有软化现象时效强化铝合金：

焊后不经热处理，接头强度均低于母材特别硬铝：

即使焊后经人工时效处理接头强度系数60%Al-Zn-Mg合金：

接头强度与焊后自然时效的时间长短有关系焊后仅依靠自然时效的时间增长，接头强度即可提高到接近母材的水平，这是Al-Zn-Mg合金值得注意的特点,1）强度,2）塑性：

所有时效强化的铝合金，焊后不论是否经过时效处理，其接头塑性均未能达到母材水平,铝合金焊接时的不等强性表明焊接接头发生了某种程度的软化或性能上的削弱,1）焊缝,a、在退火状态以及焊缝成分与母材一致条件下强度可能差别不大，但焊缝塑性都不如母材,b、焊缝成分不同于母材焊缝性能将主要决定于所选用的焊接材料,保证焊缝强度与塑性：

固溶强化型合金系优于共晶型合金系,c、焊接工艺条件影响：

多层焊时，后一焊道可使前一焊道重熔一部分，会发生缺陷的积累，特别是在层间温度过高时，可能使层间出现热裂纹焊接热输入越大，焊缝性能下降的趋势也越大,2）熔合区非时效强化铝合金焊接时：

晶粒粗化而降低塑性时效强化铝合金焊接时：

晶粒粗化、因晶界液化而产生显微裂纹,3）热影响区（HAZ）非时效强化合金或时效强化合金，HAZ都表现出即软化,4、焊接接头的耐蚀性,铝合金焊接接头