鋁及鋁合金的焊接課件

1、鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 船用鋁及其合金的焊接上海交通大學焊接工程技術研究所 樓松年 教授鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 1. 鋁合金的分類2. 鋁合金的物理、化學性能3. 鋁合金焊接時的氣孔4. 鋁合金焊接時的裂紋5. 鋁合金焊接時的等強性鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering In

2、stitute of Shanghai Jiao Tong University 1. 鋁合金的分類鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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，通常的固溶強化元素有Mg和Mn，主要在1xxx、3xxx、5xxx系列的合金中。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+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2xxx、6xxx、7xxx和8xxx系列合金中

3、。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 鑄鋁和鍛鋁 鑄鋁合金中的合金元素含量高于鍛鋁，這樣改善了鑄鋁件的質(zhì)量，但是對其加工性能則不利。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 常用的鋁合金焊絲 4043（Al-Si）：用于Al-Si 和Al-Mg-Si系（6061、6082等）以及鑄鋁和鍛鋁合金之間的MIG和TIG焊。 5356（ Al-Mg-S

4、i ）：用于Al-Mg系（Mg5%）合金的MIG和TIG焊。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2. Al合金的物理化學性能鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 線膨脹系數(shù)大，比熱大，是鋼的1倍；比熱大，是鋼的2倍；密度??；晶型是面心立方，沒有同素異構轉(zhuǎn)變，塑性好，無低溫脆性轉(zhuǎn)變，但強度比較低。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Wel

5、ding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3. 鋁合金焊接過程中形成的氣孔 鋁是活性元素，本身能脫氧，不象鋼焊接過程中會形成CO或CO2氣孔，所以主要是氫氣孔。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University （1）氫的主要來源 1）保護氣體中的水分； 2）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。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Inst

6、itute of Shanghai Jiao Tong University （2）產(chǎn)生氣孔的原因 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 氫在鋁中的固溶度（S）與氫分壓PH2有關：S = K PH2 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 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。鋁合金的焊接 上海交通大學

7、焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2）與氫在鋁中的溶解度變化有關氫在鋁中的溶解度氫在鋁合金的凝固點時從0.69突降到0.036ml/100g，相差約20倍，這是產(chǎn)生氣孔的重要原因。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3）鋁的導熱系數(shù)很大，在相同的工藝條件下，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是高強鋼的47倍，不利于氣泡的逸出。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Weldin

8、g Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。 鋁合金焊接中的“皮下氣孔”（LF6，TIG）鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 冷卻速度較小，在凝固點溶解度發(fā)生突變，沿結晶的層狀線形成均布形式的“結晶層氣孔”。鋁合金焊縫中均布形式的“結晶層氣孔”（Al-Zn-Mg,TIG）鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程

9、研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University （3）焊縫氣孔的影響因素 1）焊接方法的影響 MIG焊時，焊絲以細小熔滴形式向熔池過渡， 弧柱溫度高，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，比表面積小，熔池溫度小于弧柱，吸氫條件不如MIG有利； 另外，MIG焊熔池深度大于TIG焊，不利于氫氣泡的逸出。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2）極性的影響

10、TIG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，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，也沒有鎢極燒損。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3）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

11、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 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 4）保護氣體中的水分和氧化性影響 采用高純Ar或采用Ar+He改變（即提高）熱容量，改變?nèi)艹匦螤?，使尖“V”型變?yōu)閳A底型，延長溶池停留時間，有利于氣孔逸出； 或者采用Ar+0.51%O2，Ar+25%CO2，增強保護氣氛的氧化性，減少氫。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Insti

12、tute of Shanghai Jiao Tong University 5）表面狀態(tài)的影響 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。 MgO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。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 母材氧化膜引起的氣孔（LF6，TIG)鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 6）

13、環(huán)境因素的影響環(huán)境因素主要是指溫度和濕度。 0C以下，濕度不影響氣孔的產(chǎn)生； 0C以上，溫度越高，濕度越大，越易對氣孔敏感。 另外，表面油污也可以導致氣孔。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3. 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，先結晶的為高熔點組元，后結晶的為低熔點組元被排擠到焊縫中心，在焊接應力作用下發(fā)生開裂，形成焊縫中心結晶裂紋。鋁合金的焊接 上海

14、交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 鋁合金接頭中的結晶裂紋鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 鋁合金接頭熱影響區(qū)中的液化裂紋鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 液化裂紋的說明 在母材的熱影響區(qū)中，成分為XC的鋁合金在平衡狀態(tài)下，

15、t1溫度下組織為+，t2時中的組元開始向固溶體溶解，t3時全部轉(zhuǎn)化為固溶體。 鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 液化裂紋的說明 在焊接快速加熱條件下，在t2 來不及溶解，達不到平衡，到t3時仍可能為+兩相狀態(tài)，t4時已超過共晶溫度，中的組元還未完全溶入固溶體，則在和兩相界面出現(xiàn)共晶液相，這種局部液化在焊接應力下沿晶界液膜形成“液化裂紋”。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Ji

16、ao Tong University （2）熱裂紋的形成原因 1）拘束度的影響； 2）液固相距離寬，生成柱狀晶，柱狀晶之間產(chǎn)生成分偏析，導致容易產(chǎn)生裂紋； 3）材料因素的影響： a）鋁合金為共晶合金，裂紋傾向與合金結晶溫度區(qū)間大小有關系； 鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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%C

17、u。 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，結晶溫度區(qū)間更大，更容易產(chǎn)生熱裂紋。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University b) 線膨脹系數(shù)大，是鋼的1倍，在拘束條件下焊接，容易產(chǎn)生較大的焊接應力，增大裂紋傾向； c) 鋁合金焊接過程中無相變，柱狀晶粗大，容易偏析。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University （3）熱裂紋的影響因素

18、 1）焊縫合金系統(tǒng)的影響 控制適量的易熔共晶，縮小結晶溫度區(qū)間。 少量的易熔共晶增大熱裂傾向，增大主要合金元素x m，對熱裂紋產(chǎn)生愈合作用。 焊接Al-Mg合金時采用Mg含量超過3.55%的焊絲； LF21 （Al-Mn）采用Mg含量超過8%的焊絲； 對熱裂傾向大的LY合金采用含5%Si的Al-Si焊絲解決抗裂問題。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2）變質(zhì)劑的影響 Ti、Zr、V、B微量元素作為變質(zhì)劑，在焊接過程中生成細小難熔質(zhì)點，作為結晶時的非自發(fā)形核核心，細

19、化晶粒，改善塑性，還能顯著改善抗裂性能。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3）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； 增大焊速和提高電流都不利于抗裂。 因為提高焊速，促使焊接接頭的應變速率，增大熱裂傾向。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 5

20、. 鋁合金焊接中接頭的等強性問題 （1）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（焊接熱影響區(qū)溫度超過再結晶溫度，一般為200300C，引起晶粒長大）而降低塑性，表現(xiàn)為接頭強度低于母材。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 冷作硬化鋁Al-4Mg-1Mn接頭軟化與焊接峰值溫度的關系鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong Univers

21、ity 不可熱處理鋁合金焊接前后強度變化鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 影響因素 1）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，焊后失強越明顯，而且這種軟化無法消除； 3）冷卻速度對軟化影響不大。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2）熱處理強化合金（LD、LY、LC） 熱處理鋁合金的軟化問題主要是“過時效”軟化。

22、 嚴重程度取決于第二相的性質(zhì)，也和熱循環(huán)特性有一定關系。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 時效強化： 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SS，即固溶處理。然后常溫或稍高溫度加熱，即可產(chǎn)生所謂的“時效”過程而強化。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 時效過程：時效初期，SS中發(fā)生溶質(zhì)原子偏聚形成局部富集GP區(qū)，隨溫度或時間延長，發(fā)展為一種共格過渡相，其成分與平衡非共格相相同，但點陣不同而且未脫溶，隨溫度或時間延長， ，轉(zhuǎn)化為而脫溶析出。 “過時效” ：一般在GP區(qū)合金發(fā)生強化， 微細共格相，開始出現(xiàn)時強度進一步提高，一旦發(fā)生，向轉(zhuǎn)化，強化作用降低，轉(zhuǎn)變結束時強化作用消失，成為“過時效”。鋁合金的焊接 上海交通大學焊接工程研究所Weldi