第5章有色金属的焊接.pptx

1、,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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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-

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、 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