鋁及鋁合金的焊接

1、鋁合金的焊接 鋁及其合金的焊接鋁及其合金的焊接 鋁合金的焊接 1. 鋁合金的分類鋁合金的分類2. 鋁合金的物理、化學(xué)性能鋁合金的物理、化學(xué)性能3. 鋁合金焊接時的氣孔鋁合金焊接時的氣孔4. 鋁合金焊接時的裂紋鋁合金焊接時的裂紋5. 鋁合金焊接時的等強性鋁合金焊接時的等強性鋁合金的焊接 1. 1. 鋁合金的分類鋁合金的分類鋁合金的焊接 可熱處理合金可熱處理合金 該類合金是通過加工強化和固溶強化來獲得所需要的強度，該類合金是通過加工強化和固溶強化來獲得所需要的強度，通常的固溶強化元素有通常的固溶強化元素有Mg和和Mn，主要在，主要在1xxx、3xxx、5xxx系系列的合金中。列的合金中。不可熱處理

2、合金不可熱處理合金 材料的強度和硬度依靠合金成分和熱處理（固溶處理和淬火材料的強度和硬度依靠合金成分和熱處理（固溶處理和淬火+自然或人工時效處理生成的細小彌散相強化）獲得。主要的自然或人工時效處理生成的細小彌散相強化）獲得。主要的合金元素主要存在于合金元素主要存在于2xxx、6xxx、7xxx和和8xxx系列合金中。系列合金中。鋁合金的焊接 鑄鋁和鍛鋁鑄鋁和鍛鋁 鑄鋁合金中的合金元素含量高于鍛鋁，這樣改善了鑄鋁鑄鋁合金中的合金元素含量高于鍛鋁，這樣改善了鑄鋁件的質(zhì)量，但是對其加工性能則不利。件的質(zhì)量，但是對其加工性能則不利。鋁合金的焊接 常用的鋁合金焊絲常用的鋁合金焊絲 4043（Al-Si）

3、：用于）：用于Al-Si 和和Al-Mg-Si系（系（6061、6082等）以及鑄鋁和鍛鋁合金之間的等）以及鑄鋁和鍛鋁合金之間的MIG和和TIG焊。焊。 5356（ Al-Mg-Si ）：用于）：用于Al-Mg系（系（Mg5%）合金的）合金的MIG和和TIG焊。焊。鋁合金的焊接 2. Al合金的物理化學(xué)性能合金的物理化學(xué)性能鋁合金的焊接 線膨脹系數(shù)大，是鋼的線膨脹系數(shù)大，是鋼的1倍；倍；比熱大，是鋼的比熱大，是鋼的2倍；倍；密度?。幻芏刃。痪褪敲嫘牧⒎?，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，晶型是面心立方，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，無低溫脆性轉(zhuǎn)變，但強度比較低。無低溫脆性轉(zhuǎn)變，但強度比較低。鋁合金的焊接

4、 3. 鋁合金焊接過程中形成的氣孔鋁合金焊接過程中形成的氣孔 鋁是活性元素，本身能脫氧，不象鋼焊接過鋁是活性元素，本身能脫氧，不象鋼焊接過程中會形成程中會形成CO或或CO2氣孔，所以主要是氫氣孔。氣孔，所以主要是氫氣孔。鋁合金的焊接 （1）氫的主要來源）氫的主要來源 1）保護氣體中的水分；）保護氣體中的水分； 2）焊材和母材表面吸附的水分；）焊材和母材表面吸附的水分； 3）工件坡口處的氧化膜、油污等。）工件坡口處的氧化膜、油污等。鋁合金的焊接 （2）產(chǎn)生氣孔的原因）產(chǎn)生氣孔的原因 主要是由鋁本身的物理性能造成的。主要是由鋁本身的物理性能造成的。 1）產(chǎn)生氣孔的臨界氫分壓最低）產(chǎn)生氣孔的臨界氫分

5、壓最低 氫在鋁中的固溶度（氫在鋁中的固溶度（S）與氫分壓）與氫分壓PH2有關(guān)：有關(guān)：S = K PH2 產(chǎn)生氣孔時幾種金屬臨界氫分壓的比較：產(chǎn)生氣孔時幾種金屬臨界氫分壓的比較： Al Cu Ni Fe鋁合金的焊接 即在焊接鋁、銅、鎳和鐵時，鋁產(chǎn)生即在焊接鋁、銅、鎳和鐵時，鋁產(chǎn)生氣孔時所需的臨界氫分壓最低，所以容氣孔時所需的臨界氫分壓最低，所以容易產(chǎn)生氣孔，純鋁的最低，所以純鋁對易產(chǎn)生氣孔，純鋁的最低，所以純鋁對氣氛中的水分最為敏感。氣氛中的水分最為敏感。鋁合金的焊接 2）與氫在鋁中的溶解度變化有關(guān)）與氫在鋁中的溶解度變化有關(guān)氫在鋁中的溶解度氫在鋁中的溶解度氫在鋁合金的凝固點時氫在鋁合金的凝固點

6、時從從0.69突降到突降到0.036ml/100g，相差約，相差約20倍，這是產(chǎn)生氣孔的重倍，這是產(chǎn)生氣孔的重要原因。要原因。鋁合金的焊接 3）鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的工）鋁的導(dǎo)熱系數(shù)很大，在相同的工藝條件下，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是高強藝條件下，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是高強鋼的鋼的47倍，不利于氣泡的逸出。倍，不利于氣泡的逸出。鋁合金的焊接 冷卻速度很大時，在凝固點以上溶解度差形成的氣孔雖冷卻速度很大時，在凝固點以上溶解度差形成的氣孔雖然不多，但來不及逸出，形成粗大孤立的皮下氣孔。然不多，但來不及逸出，形成粗大孤立的皮下氣孔。 鋁合金焊接中的鋁合金焊接中的“皮下皮下氣孔氣孔”（LF6，TIG）鋁合

7、金的焊接 冷卻速度較小，在凝固點溶解度發(fā)生突變，沿結(jié)晶的層狀冷卻速度較小，在凝固點溶解度發(fā)生突變，沿結(jié)晶的層狀線形成均布形式的線形成均布形式的“結(jié)晶層氣孔結(jié)晶層氣孔”。鋁合金焊縫中均布形式的鋁合金焊縫中均布形式的“結(jié)晶層氣孔結(jié)晶層氣孔”（Al-Zn-Mg,TIG）鋁合金的焊接 （3）焊縫氣孔的影響因素）焊縫氣孔的影響因素 1）焊接方法的影響）焊接方法的影響 MIG焊時，焊絲以細小熔滴形式向熔池過渡，焊時，焊絲以細小熔滴形式向熔池過渡， 弧柱弧柱溫度高，熔滴比表面積大，熔滴易于吸氫；溫度高，熔滴比表面積大，熔滴易于吸氫； TIG焊時，主要是熔池金屬表面與氫反應(yīng)，比表面積焊時，主要是熔池金屬表面與

8、氫反應(yīng)，比表面積小，熔池溫度小于弧柱，吸氫條件不如小，熔池溫度小于弧柱，吸氫條件不如MIG有利；有利； 另外，另外，MIG焊熔池深度大于焊熔池深度大于TIG焊，不利于氫氣泡的焊，不利于氫氣泡的逸出。逸出。鋁合金的焊接 2）極性的影響）極性的影響 TIG焊時，直流反接，具有陰極霧化作用，可以避免氫焊時，直流反接，具有陰極霧化作用，可以避免氫的產(chǎn)生，但鎢極易燒損，形成缺陷；正接時無陰極霧化作用，的產(chǎn)生，但鎢極易燒損，形成缺陷；正接時無陰極霧化作用，熔深大，對氣泡逸出不利，所以采用交流。熔深大，對氣泡逸出不利，所以采用交流。 MIG焊時，采用直流反接，無陰極霧化作用，也沒有鎢焊時，采用直流反接，無陰

9、極霧化作用，也沒有鎢極燒損。極燒損。鋁合金的焊接 3）焊接工藝參數(shù)）焊接工藝參數(shù) 焊接規(guī)范主要影響熔池在高溫的停留時間，從而對氫的溶入焊接規(guī)范主要影響熔池在高溫的停留時間，從而對氫的溶入時間和析出時間產(chǎn)生影響。時間和析出時間產(chǎn)生影響。 TIG焊時，采用小線能量，采用較大的規(guī)范，高的焊速，減焊時，采用小線能量，采用較大的規(guī)范，高的焊速，減少熔池存在時間，減小氫的溶入；少熔池存在時間，減小氫的溶入； MIG焊時，焊絲氧化膜的影響更為顯著，不能通過減少熔池焊時，焊絲氧化膜的影響更為顯著，不能通過減少熔池時間來防止氫向熔池的溶入，所以通過降低焊速和提高焊接線能時間來防止氫向熔池的溶入，所以通過降低焊速

10、和提高焊接線能量來增大溶池存在時間，有利于減少焊縫中的氣孔。量來增大溶池存在時間，有利于減少焊縫中的氣孔。鋁合金的焊接 4）保護氣體中的水分和氧化性影響）保護氣體中的水分和氧化性影響 采用高純采用高純Ar或采用或采用Ar+He改變（即提高）熱容量，改改變（即提高）熱容量，改變?nèi)艹匦螤?，使尖變?nèi)艹匦螤?，使尖“V”型變?yōu)閳A底型，延長溶池停留時間，型變?yōu)閳A底型，延長溶池停留時間，有利于氣孔逸出；有利于氣孔逸出； 或者采用或者采用Ar+0.51%O2，Ar+25%CO2，增強保護氣氛增強保護氣氛的氧化性，減少氫。的氧化性，減少氫。鋁合金的焊接 5）表面狀態(tài)的影響）表面狀態(tài)的影響 不同的焊材、母材，其氧

11、化膜性質(zhì)不同，對氣不同的焊材、母材，其氧化膜性質(zhì)不同，對氣孔的影響有差別?？椎挠绊懹胁顒e。 MgO疏松，易吸水，產(chǎn)生氣孔傾向大；疏松，易吸水，產(chǎn)生氣孔傾向大； MnO致密，不易吸水，氣孔傾向小。致密，不易吸水，氣孔傾向小。鋁合金的焊接 母材氧化膜引起的氣孔（母材氧化膜引起的氣孔（LF6，TIG)鋁合金的焊接 6）環(huán)境因素的影響）環(huán)境因素的影響環(huán)境因素主要是指溫度和濕度。環(huán)境因素主要是指溫度和濕度。 0 C以下，濕度不影響氣孔的產(chǎn)生；以下，濕度不影響氣孔的產(chǎn)生； 0 C以上，溫度越高，濕度越大，越易對氣孔敏感。以上，溫度越高，濕度越大，越易對氣孔敏感。 另外，表面油污也可以導(dǎo)致氣孔。另外，表面油

12、污也可以導(dǎo)致氣孔。鋁合金的焊接 3. 鋁合金焊接過程中形成的裂紋鋁合金焊接過程中形成的裂紋 鋁合金是典型的二元或多元共晶合金，在焊接加熱和冷鋁合金是典型的二元或多元共晶合金，在焊接加熱和冷卻過程很迅速，合金來不及建立平衡狀態(tài)，固相和液相之間卻過程很迅速，合金來不及建立平衡狀態(tài)，固相和液相之間的擴散來不及進行，先結(jié)晶的為高熔點組元，后結(jié)晶的為低的擴散來不及進行，先結(jié)晶的為高熔點組元，后結(jié)晶的為低熔點組元被排擠到焊縫中心，在焊接應(yīng)力作用下發(fā)生開裂，熔點組元被排擠到焊縫中心，在焊接應(yīng)力作用下發(fā)生開裂，形成焊縫中心結(jié)晶裂紋。形成焊縫中心結(jié)晶裂紋。鋁合金的焊接 鋁合金接頭中的結(jié)晶裂紋鋁合金接頭中的結(jié)晶裂

13、紋鋁合金的焊接 鋁合金接頭熱影響區(qū)中的液化裂紋鋁合金接頭熱影響區(qū)中的液化裂紋鋁合金的焊接 液化裂紋的說明液化裂紋的說明 在母材的熱影響區(qū)中，成在母材的熱影響區(qū)中，成分為分為XC的鋁合金在平衡狀態(tài)下，的鋁合金在平衡狀態(tài)下，t1溫度下組織為溫度下組織為 + ，t2時時 中中的組元開始向的組元開始向 固溶體溶解，固溶體溶解，t3時全部轉(zhuǎn)化為時全部轉(zhuǎn)化為 固溶體。固溶體。 鋁合金的焊接 液化裂紋的說明液化裂紋的說明 在焊接快速加熱條件下，在焊接快速加熱條件下，在在t2 來不及溶解，達不到平衡，來不及溶解，達不到平衡，到到t3時仍可能為時仍可能為 + 兩相狀態(tài)，兩相狀態(tài)，t4時已超過共晶溫度，時已超過共

14、晶溫度， 中的組中的組元還未完全溶入元還未完全溶入 固溶體，則在固溶體，則在 和和 兩相界面出現(xiàn)共晶液相，兩相界面出現(xiàn)共晶液相，這種局部液化在焊接應(yīng)力下沿這種局部液化在焊接應(yīng)力下沿晶界液膜形成晶界液膜形成“液化裂紋液化裂紋”。鋁合金的焊接 （2）熱裂紋的形成原因）熱裂紋的形成原因 1）拘束度的影響；）拘束度的影響； 2）液固相距離寬，生成柱狀晶，柱狀）液固相距離寬，生成柱狀晶，柱狀晶之間產(chǎn)生成分偏析，導(dǎo)致容易產(chǎn)生裂紋；晶之間產(chǎn)生成分偏析，導(dǎo)致容易產(chǎn)生裂紋； 3）材料因素的影響：）材料因素的影響： a）鋁合金為共晶合金，裂紋傾向與）鋁合金為共晶合金，裂紋傾向與合金結(jié)晶溫度區(qū)間大小有關(guān)系；合金結(jié)晶

15、溫度區(qū)間大小有關(guān)系； 鋁合金的焊接 幾種鋁合金熱裂傾向最大時的合金組元濃度幾種鋁合金熱裂傾向最大時的合金組元濃度(x m)： Al-Mg：x m=2% Mg； Al-Zn： x m=1012%Zn； Al-Si： x m=0.72%Si； Al-Cu： x m=2%Cu。 如果存在其他元素或雜質(zhì)時，可能出現(xiàn)三元共如果存在其他元素或雜質(zhì)時，可能出現(xiàn)三元共晶，其熔點比二元更低，結(jié)晶溫度區(qū)間更大，更容晶，其熔點比二元更低，結(jié)晶溫度區(qū)間更大，更容易產(chǎn)生熱裂紋。易產(chǎn)生熱裂紋。鋁合金的焊接 b) 線膨脹系數(shù)大，是鋼的線膨脹系數(shù)大，是鋼的1倍，在拘束條倍，在拘束條件下焊接，容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，增大裂件下

16、焊接，容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，增大裂紋傾向；紋傾向； c) 鋁合金焊接過程中無相變，柱狀晶粗大，鋁合金焊接過程中無相變，柱狀晶粗大，容易偏析。容易偏析。鋁合金的焊接 （3）熱裂紋的影響因素）熱裂紋的影響因素 1）焊縫合金系統(tǒng)的影響）焊縫合金系統(tǒng)的影響 控制適量的易熔共晶，縮小結(jié)晶溫度區(qū)間?？刂七m量的易熔共晶，縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。 少量的易熔共晶增大熱裂傾向，增大主要合金元素少量的易熔共晶增大熱裂傾向，增大主要合金元素x m，對熱裂紋產(chǎn)生愈合作用。對熱裂紋產(chǎn)生愈合作用。 焊接焊接Al-Mg合金時采用合金時采用Mg含量超過含量超過3.55%的焊絲；的焊絲； LF21 （Al-Mn）采用）采用Mg含量

17、超過含量超過8%的焊絲；的焊絲； 對熱裂傾向大的對熱裂傾向大的LY合金采用含合金采用含5%Si的的Al-Si焊絲解決抗裂焊絲解決抗裂問題。問題。鋁合金的焊接 2）變質(zhì)劑的影響）變質(zhì)劑的影響 Ti、Zr、V、B微量元素作為變質(zhì)劑，在焊接過程微量元素作為變質(zhì)劑，在焊接過程中生成細小難熔質(zhì)點，作為結(jié)晶時的非自發(fā)形核核心，中生成細小難熔質(zhì)點，作為結(jié)晶時的非自發(fā)形核核心，細化晶粒，改善塑性，還能顯著改善抗裂性能。細化晶粒，改善塑性，還能顯著改善抗裂性能。鋁合金的焊接 3）焊接規(guī)范的影響）焊接規(guī)范的影響 采用熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接，防止形采用熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接，防止形成

18、方向性強的粗大柱狀晶，改善抗裂性。成方向性強的粗大柱狀晶，改善抗裂性。 采用小電流施焊，減小熔池過熱；采用小電流施焊，減小熔池過熱； 增大焊速和提高電流都不利于抗裂。增大焊速和提高電流都不利于抗裂。 因為提高焊速，促使焊接接頭的應(yīng)變速率，增大熱裂傾向。因為提高焊速，促使焊接接頭的應(yīng)變速率，增大熱裂傾向。鋁合金的焊接 5. 鋁合金焊接中接頭的等強性問題鋁合金焊接中接頭的等強性問題 （1）不可熱處理合金（）不可熱處理合金（LF Al-Mg） 不可熱處理鋁合金的主要問題是晶粒粗化不可熱處理鋁合金的主要問題是晶粒粗化（焊接熱影響區(qū)溫度超過再結(jié)晶溫度，一般為焊接熱影響區(qū)溫度超過再結(jié)晶溫度，一般為2003

19、00 C，引起晶粒長大引起晶粒長大）而降低塑性，表）而降低塑性，表現(xiàn)為接頭強度低于母材?，F(xiàn)為接頭強度低于母材。鋁合金的焊接 冷作硬化鋁冷作硬化鋁Al-4Mg-1Mn接頭軟化與焊接接頭軟化與焊接峰值溫度的關(guān)系峰值溫度的關(guān)系鋁合金的焊接 不可熱處理鋁合金焊接前后強度變化不可熱處理鋁合金焊接前后強度變化鋁合金的焊接 影響因素影響因素 1）熱影響區(qū)溫度峰值越高，軟化越明顯；）熱影響區(qū)溫度峰值越高，軟化越明顯； 2）焊前冷作強化程度越高，焊后失強越）焊前冷作強化程度越高，焊后失強越明顯，而且這種軟化無法消除；明顯，而且這種軟化無法消除； 3）冷卻速度對軟化影響不大。）冷卻速度對軟化影響不大。鋁合金的焊接

20、 2）熱處理強化合金（）熱處理強化合金（LD、LY、LC） 熱處理鋁合金的軟化問題主要是熱處理鋁合金的軟化問題主要是“過時過時效效”軟化。軟化。 嚴(yán)重程度取決于第二相的性質(zhì)，也和嚴(yán)重程度取決于第二相的性質(zhì)，也和熱循環(huán)特性有一定關(guān)系。熱循環(huán)特性有一定關(guān)系。鋁合金的焊接 時效強化：時效強化： 固溶度變化大的合金，加熱至高溫后急冷，固溶度變化大的合金，加熱至高溫后急冷，都可形成過飽和固溶體都可形成過飽和固溶體SS，即固溶處理。然后，即固溶處理。然后常溫或稍高溫度加熱，即可產(chǎn)生所謂的常溫或稍高溫度加熱，即可產(chǎn)生所謂的“時效時效”過程而強化。過程而強化。鋁合金的焊接 時效過程：時效過程：時效初期，時效初

21、期，SS中發(fā)生溶質(zhì)原子偏聚形成局部富集中發(fā)生溶質(zhì)原子偏聚形成局部富集GP區(qū)，區(qū)，隨溫度或時間延長，發(fā)展為一種共格過渡相隨溫度或時間延長，發(fā)展為一種共格過渡相 ，其成，其成分與平衡非共格相分與平衡非共格相 相同，但點陣不同而且未脫溶，隨相同，但點陣不同而且未脫溶，隨溫度或時間延長，溫度或時間延長， ，轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 而脫溶析出。而脫溶析出。 “過時效過時效” ：一般在一般在GP區(qū)合金發(fā)生強化，區(qū)合金發(fā)生強化， 微細共格相微細共格相 ，開始出現(xiàn)開始出現(xiàn)時強度進一步提高，一旦發(fā)生時強度進一步提高，一旦發(fā)生 ，向向 轉(zhuǎn)化，強化作用降轉(zhuǎn)化，強化作用降低，轉(zhuǎn)變結(jié)束時強化作用消失，成為低，轉(zhuǎn)變結(jié)束時強化作用消失，成為“過時效過時效”。鋁合金的焊接 焊接過程中，焊接溫度超過過時效溫度，產(chǎn)生過時效和焊接過程