SF鋁及鋁合金的焊接

1、鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(xué)焊接工程技術(shù)研究所 樓松年 教授鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(xué)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(qiáng)性鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(xué)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(qiáng)化和固溶強(qiáng)化來獲得所需要的強(qiáng)度，通常的固溶強(qiáng)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(qiáng)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(xì)小彌散相強(qiáng)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。鋁

3、合金的焊接 上海交通大學(xué)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，但是對其加工性能那么不利。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 常用的鋁合金焊絲 4043Al-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-Si ：用于A

4、l-Mg系Mg5%合金的MIG和TIG焊。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2. Al合金的物理化學(xué)性能鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，無低溫脆性轉(zhuǎn)變，但強(qiáng)度比較低。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engi

5、neering 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(xué)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(hù)氣體中的水分； 2焊材和母材外表吸附的水分； 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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shang

6、hai 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(guān)：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(xué)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(xué)焊接工程研究所Welding Engi

7、neering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2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合金的凝固點(diǎn)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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3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(qiáng)鋼的47倍，不利于氣泡的逸出。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institu

8、te of Shanghai Jiao Tong University 冷卻速度很大時，在凝固點(diǎn)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(xué)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(diǎn)溶解度發(fā)生突變，沿結(jié)晶的層狀線形成均布形式的“結(jié)晶層氣孔。鋁合金焊縫中均布形式的“結(jié)晶層氣孔Al-Zn-Mg,TIG鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Insti

9、tute 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(xì)小熔滴形式向熔池過渡， 弧柱溫度高，熔滴比外表積大，熔滴易于吸氫； TIG焊時，主要是熔池金屬外表與氫反響，比外表積小，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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2極性的影響 TIG焊時，直流反接，具有陰極霧化作用，可以防止氫的產(chǎn)生，但鎢極

10、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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3焊接工藝參數(shù) 焊接標(biāo)準(zhǔn)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，采用較大的標(biāo)準(zhǔn)，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

11、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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 4保護(hù)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(qiáng)保護(hù)氣氛的氧化性，減少氫。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University

12、 5外表狀態(tài)的影響 不同的焊材、母材，其氧化膜性質(zhì)不同，對氣孔的影響有差異。 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(xué)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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 6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；

13、 0C以上，溫度越高，濕度越大，越易對氣孔敏感。 另外，外表油污也可以導(dǎo)致氣孔。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(kuò)散來不及進(jìn)行，先結(jié)晶的為高熔點(diǎn)組元，后結(jié)晶的為低熔點(diǎn)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。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institu

14、te of Shanghai Jiao Tong University 鋁合金接頭中的結(jié)晶裂紋鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(xué)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，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。

15、 鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(dá)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，那么在和兩相界面出現(xiàn)共晶液相，這種局部液化在焊接應(yīng)力下沿晶界液膜形成“液化裂紋。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2熱裂紋的形成原因 1拘束度的影響；

16、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(dǎo)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(jié)晶溫度區(qū)間大小有關(guān)系； 鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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%Cu。 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(diǎn)比二元更低，結(jié)晶溫度區(qū)間更大，更

17、容易產(chǎn)生熱裂紋。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(yīng)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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3熱裂紋的影響因素 1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。 少量的易熔共晶增大熱裂傾向，

18、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(xué)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(xì)小難熔質(zhì)點(diǎn)，作為結(jié)晶時的非自發(fā)形核核心，細(xì)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(xué)焊接工程研究所Welding En

19、gineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3焊接標(biāo)準(zhǔn)的影響 采用熱能集中的焊接方法，有利于快速進(jìn)行焊接，防止形成方向性強(qiáng)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(yīng)變速率，增大熱裂傾向。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 5. 鋁合金焊接中接頭的等強(qiáng)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

20、化焊接熱影響區(qū)溫度超過再結(jié)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(qiáng)度低于母材。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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(guān)系鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 不可熱處理鋁合金焊接前后強(qiáng)度變化鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineeri

21、ng 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(qiáng)化程度越高，焊后失強(qiáng)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(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2熱處理強(qiáng)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。 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。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineer

22、ing Institute of Shanghai Jiao Tong University 時效強(qiáng)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(qiáng)化。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)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，開展為一種共格過渡相，其成分與平衡非共格相相同，但點(diǎn)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

23、時效 ：一般在GP區(qū)合金發(fā)生強(qiáng)化， 微細(xì)共格相，開始出現(xiàn)時強(qiáng)度進(jìn)一步提高，一旦發(fā)生，向轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化作用降低，轉(zhuǎn)變結(jié)束時強(qiáng)化作用消失，成為“過時效。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 焊接過程中，焊接溫度超過過時效溫度，產(chǎn)生過時效和脫溶，所以導(dǎo)致強(qiáng)度損失。 無論退火態(tài)還是時效態(tài)下焊接，焊后不經(jīng)熱處理，接頭強(qiáng)度均低于母材，特別是在時效態(tài)下焊接超硬鋁，焊后即使進(jìn)行人工時效，接頭強(qiáng)度系數(shù)接頭 / 母材也沒有超過60%。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding E

24、ngineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University Al-Cu-Mg硬鋁的時效過程是很快的，而Al-Zn-Mg合金的時效過程是很慢的，說明前者比后者的第二相易于脫溶，所以在焊后強(qiáng)度損失大。 另外Al-Cu-Mg在焊后560天自然時效對強(qiáng)度改善不明顯，而Al-Zn-Mg那么在焊后4天自然時效，軟化開始顯著消失，30天后根本消失。 Al-Zn-Mg合金的這種自然時效消除焊接軟化問

25、題值得注意。 小件采用人工時效，大件采用自然時效。鋁合金的焊接 上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 鋁合金接頭的導(dǎo)電性、耐蝕性下降 原因是鑄造組織的形成和合金元素的污染。上海交通大學(xué)焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University Thanks for listening !鋁合金的焊接 鋁及鋁合金MIG焊接接頭缺陷及防止措施 鋁及鋁合金MIG焊時，焊接接頭常見的缺陷主要有焊縫成形差、裂紋、

26、氣孔、燒穿、未焊透、未熔合、夾渣等一、焊縫成形差焊縫成形差主要表現(xiàn)在焊縫波紋不美觀，且不光亮；焊縫彎曲不直，寬窄不一，接頭太多；焊縫中心凸起，兩邊平坦或凹陷；焊縫滿溢等。一、焊縫成形差產(chǎn)生原因1焊接標(biāo)準(zhǔn)選擇不當(dāng)；2焊槍角度不正確；3焊工操作不熟練；4導(dǎo)電嘴孔徑太大；5焊接電弧沒有嚴(yán)格對準(zhǔn)破口中心；6焊絲、焊件及保護(hù)氣體中含有水分。一、焊縫成形差防止措施1反復(fù)調(diào)試選擇適宜的焊接標(biāo)準(zhǔn)；2保持焊槍適宜的傾角；3加強(qiáng)焊工的技能培訓(xùn)；4選擇適宜的導(dǎo)電嘴孔徑；5力求使焊接電弧與破口嚴(yán)格對中；6焊前仔細(xì)清理焊絲、焊件；保證保護(hù)氣體的純度。二、裂紋鋁及鋁合金焊縫中的裂紋是在焊縫金屬結(jié)晶過程中產(chǎn)生的，稱為熱裂紋

27、，又稱結(jié)晶裂紋。其形式有縱向裂紋、橫向裂紋往往擴(kuò)展到基體金屬，還有根部裂紋、弧坑裂紋等等。裂紋將使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，甚至引起整個結(jié)構(gòu)的突然破壞，因此是完全不允許的。二、裂紋產(chǎn)生原因1焊縫的深寬比過大；2焊縫末端的弧坑冷卻快；3焊絲成分與母材不匹配；4操作技術(shù)不正確。二、裂紋防止措施1適當(dāng)提高電弧電壓或減小焊接電流，以加寬焊道而減小熔深；2適當(dāng)?shù)靥顫M弧坑并采用衰減措施減小冷卻速度；3保證焊絲與母材合理匹配；4選擇適宜的焊接參數(shù)、焊接順序，適當(dāng)增加焊接速度。三、氣孔在鋁合鋁合金MIG焊中，氣孔是最常見的一種缺陷。要徹底去除焊縫中的氣孔是很難辦到的，只能是最大限度地減少其含量。按其種類、焊縫中的氣孔主要由外表氣孔、彌散氣孔、局部密集氣孔、單個氣孔、根部鏈狀氣孔、柱狀氣孔等。氣孔不但會降低焊縫的致密性，減小接頭的承載面積，而且使接頭的強(qiáng)度、塑性降低，特別是冷彎角和沖擊韌性降低更多，必須加以防止。三、氣孔產(chǎn)生原因1氣體保護(hù)不良，保護(hù)氣體不純；2焊絲、焊件被污染；3大氣中的絕對濕度過大；4電弧不穩(wěn)，電弧過長；5焊絲伸出長度過大、噴嘴與焊件之間的距離過大；6焊絲直徑與破口形式選擇不當(dāng)；7在同一部位重復(fù)引弧，接頭數(shù)太多。三、氣孔防止措施1保證保護(hù)氣體質(zhì)量，適當(dāng)增加保護(hù)氣體流量，以排除焊接區(qū)的全部空氣，