鋁及其合金的焊接課件

鋁及其合金的焊接樓松年鋁及其合金的類型工業(yè)純鋁：含鋁99％，含有少量Fe、Si雜質(zhì)，具有良好的耐蝕性。具有面心立方點陣結(jié)構(gòu)，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，無低溫脆性轉(zhuǎn)變，強度低。鋁合金①非時效強化鋁合金（防銹鋁）：焊接結(jié)構(gòu)的主要鋁合金，固溶強化，Al－Mn（LF21），Al－Mg（LF3，LF6，5052，5083）合金具有良好的耐蝕性。Al－Mn合金：含Mn量為1.0％～1.6%,Mn含量過多，將形成脆性化合物MnAl6，若存在較多雜質(zhì)Fe，可形成（MnFe）Al6分布在晶界上，降低塑性，少許Si可提高塑性。Al－Mg合金：強度隨含Mg量的增加而增大，Mg比Mn的固溶強化作用大，一般Mg含量不超過7％。Al－Mg合金中加入少量Mn，能降低晶粒粗化傾向并改善耐蝕性，Ti細化晶粒，含Si量過多形成脆性Mg2Si。鋁及其合金的類型②時效強化鋁合金：硬鋁和超硬鋁硬鋁：Al－Cu－Mg（LY11，LY12）如LY12強化相為相（CuAl2）及S相（Al2CuMg）T相（CuAl5Mg5）和相。Cu量少，相減少，Mg<2％，Mn<1%。硬鋁缺點：①耐蝕性不良②固溶處理范圍窄③焊接裂紋傾向大Al－Cu－Mg系合金（LY6，2219）改善了焊接性超硬鋁：Al-Zn-Mg-Cu常溫下強度最高的鋁合金，缺口敏感性大，耐蝕性差。焊接性差，易產(chǎn)生焊接裂紋。Al-Zn-Mg系合金：焊接裂紋傾向小，焊后自然時效可回復(fù)強度到母材水平，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性大，固溶處理溫度低于所有熱處理強化鋁合金。鋁合金標(biāo)記鋁合金強化機制固溶強化冷作硬化熱處理強化（人工時效和自然時效）鋁合金的耐蝕性鋁及鋁合金的耐蝕性比較好，保護膜一旦破壞，腐蝕急劇發(fā)生，主要是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，鋁的保護膜不能抗堿，對酸類有很高的耐蝕性。鋁及其合金中雜質(zhì)或析出時，各相間便存在電極電位差而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。鋁合金主要是晶間腐蝕，晶向析出相越多，應(yīng)力腐蝕開裂傾向越大。Al-Mg合金中含Mg量越高，應(yīng)力腐蝕開裂傾向越大。時效強化鋁合金，人工時效常因出現(xiàn)析出相而導(dǎo)致晶間腐蝕，而過時效狀態(tài)時具有較好的耐蝕性，這與析出相粗大化以及固溶體的成分均勻化有關(guān)。鋁及其合金的焊接性鋁合金焊接主要問題：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強性”、焊接接頭的耐蝕性。鋁合金化學(xué)活潑性強，表面易形成氧化膜難熔（如Al2O32050℃，MgO2500℃）；且導(dǎo)熱性強，焊接時易造成未熔合現(xiàn)象；氧化膜密度和純鋁接近，易形成焊縫金屬的夾雜；氧化膜（特別是MgO不致密的氧化膜）易吸附水分造成焊縫產(chǎn)生氣孔；線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性強，焊接時易變形。1.焊縫的氣孔：是焊接鋁及其合金常見的缺陷，尤其是鋁和防銹鋁熔焊時形成氣孔的特點：氫是產(chǎn)生氣孔的原因?；≈械乃?、焊接材料已經(jīng)母材所吸附的水分都是焊縫氣孔中氫的來源，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對焊縫氣孔的產(chǎn)生占有突出地位。鋁及其合金的焊接性（氣孔）鋁合金氣孔敏感原因：1.形成氣孔的臨界氫分壓(PH2)cr(弧柱氣氛1atm=PH2+PO2+PN2+PCO+……）最低，排列順序[(PH2)cr]Al<[(PH2)cr]Cu<[(PH2)cr]Ni<[(PH2)cr]Fe2.高溫時Al中溶解了大量的[H]，在凝固過程中，金屬中的[H]的溶解度發(fā)生突變，2[H]H2逸出，由于Al的導(dǎo)熱系數(shù)大（約為鋼的4～7倍），焊縫冷卻速度快，H2來不及析出造成氣孔。3.鋁合金表面有一層疏松的氧化膜，易吸附水分及油污，造成氣孔敏感。鋁及其合金的焊接性（氣孔）防止氣孔措施：①減少氫的來源：a.焊接材料要嚴(yán)格限制水含量，焊前需干燥處理，氬氣含水量<0.08％；b.焊絲及母材表面需用化學(xué)或機械方法將氧化膜清除；c.坡口根部刮去一個倒角對防止根部氧化膜引起的氣孔有利；d.焊接時清根有利于減少焊縫氣孔傾向；e.采用粗絲焊氣孔敏感性?。ê附z及熔滴比表面積下降）；f.要求環(huán)境濕度<60～70％；g.盡可能采用光亮焊絲；②控制焊接工藝：a.TIG焊時盡量采用小線能量減少熔池存在時間，減少氫的溶入，同時保證根部熔合，利氧化膜上的氣泡浮出，采用大電流配合高焊速；b.MIG焊時增大熔池存在時間以利于減少焊縫中的氣孔，提高線能量有利于減少氣孔，采取預(yù)熱辦法降低接頭冷卻速度以利于氣孔逸出；c.改變弧柱氣氛的性質(zhì)，如氬弧焊可加入CO2或O2等氧化性氣體，使氫氧化減少氫分壓，減少氣孔傾向；d.MIG焊采用直流反接，“陰極霧化”作用；e.TIG焊采用交流鋁及其合金的焊接性（焊接熱裂紋）防止焊接熱裂紋的途徑①調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)：控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間，焊絲選擇主要合金元素超過xm以產(chǎn)生“愈合”作用。例如：Al－Mg合金板焊接采用焊絲Mg>3.5～5％；LF21采用含Mg>8％以改善焊縫抗裂性。硬鋁焊接采用焊絲Si>5%的Al－Si焊絲解決抗裂問題。Al－Zn－Mg合金專用X5180具有相當(dāng)高的抗裂性；“4145”焊絲抗裂性比“4043”好，因為“4145”易熔共晶數(shù)量很多具有很好的愈合作用。Al－Zn－Mg－Cu系合金(7075,LC4)含Cu量越高，裂紋傾向越大，提高Mg改善抗裂性，焊接時焊絲含Mg量高，不能含Cu。鋁及其合金的焊接性（焊接熱裂紋）防止焊接熱裂紋的途徑②變質(zhì)劑：Ti、Zr、V、B等微量元素作為變質(zhì)劑可細化晶粒，改善塑性、韌性，提高抗裂性。因為他們能同鋁形成難熔金屬化合物作為非自發(fā)凝固的晶核，細化晶粒。③焊接工藝參數(shù)：熱量集中的焊接方法，可防止形成粗大的柱狀晶，改善抗裂性；小的焊接電流可減少熔池過熱，有利于改善抗裂性；焊接速度提高，增大應(yīng)變速度，增大熱裂傾向。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強性”）①非時效強化鋁合金：a.在退火狀態(tài)下焊接可以認(rèn)為接頭同母材等強(焊縫金屬為鑄造組織，其強度略低于母材)；b.在冷作硬化狀態(tài)下焊接時，焊接熱影響區(qū)溫度大于再結(jié)晶溫度區(qū)域，會發(fā)生再結(jié)晶，加工硬化現(xiàn)象開始消失，發(fā)生軟化，HAZ溫度越高的區(qū)域，軟化現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種軟化現(xiàn)象是無法消除的，加工硬化越嚴(yán)重，焊接接頭的軟化現(xiàn)象越明顯；焊接熱輸入越大，軟化區(qū)的寬度越大。通常情況下，采用熔化焊焊接非時效強化鋁合金的接頭強度只能達到母材的80％左右。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強性”）②時效強化鋁合金：時效：鋁合金是通過時效處理來提高強度，改變性能的。以Al-Cu合金為例來說明，將Al-Cu合金加熱到相區(qū)，經(jīng)保溫得到單相固溶體，水冷，室溫就得到了過飽和的固溶體(SS)，過炮和的固溶體是不穩(wěn)定的，有降低溶解度、析出第二相、過渡到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。因此在室溫下放置或低溫加熱時，析出細小彌散的第二相能有效地強化鋁合金，使強度、硬度明顯升高，塑性下降，這種現(xiàn)象稱為時效或時效硬化。SSGP（Cu、Al偏聚）‘’相（非共格的CuAl2）’相（半共格的CuAl2）相（共格的CuAl2）在時效處理時，形成‘’相時強度最高，’相次之，相強度大大下降（過時效）。在室溫下進行的時效稱為自然時效，在加熱條件下進行的時效稱為人工時效。回歸：自然時效后的鋁合金，在230～250℃短時間（幾秒至幾分種）加熱后，快冷至室溫時，可以重新軟化。如再在室溫下放置，則又能發(fā)生正常的自然時效。這種現(xiàn)象稱為回歸。脫溶：在時效鋁合金加熱到高溫成為單相固溶體，快冷到室溫成為單相過飽和固溶體，重新軟化，這種現(xiàn)象成為脫溶。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強性”）Al-Cu合金采用人工時效處理，在焊接過程中焊接熱影響區(qū)大于200～250℃區(qū)會發(fā)生過時效，形成相，使接頭強度下降；大于450℃HAZ區(qū)焊后可形成單相固溶體，該區(qū)域只有固溶強化，無第二相粒子強化，該區(qū)域軟化更嚴(yán)重。人工時效的Al-Cu合金焊后接頭強度顯著低于母材強度，為了保證等強性，只能焊后采用重新時效處理。Al-Zn-Mg合金自然時效和人工時效兩種狀態(tài)，其強化相為’’相(非共格的MgZn2)，’相(半共格的MgZn2)，在焊接過程中，HAZ大于200～250℃區(qū)域分別會產(chǎn)生過時效、脫溶，使該區(qū)域軟化。在隨后室溫下放置，通過自然時效強度得到提高，此時接頭強度可達到母材強度額90～95％。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強性”）③焊接熱影響區(qū)：強化效果損失，即“軟化”a.非時效強化鋁合金：經(jīng)冷作硬化鋁合金，熱影響區(qū)峰值溫度超過再結(jié)晶溫度(200～300℃)的區(qū)域就產(chǎn)生明顯的軟化，軟化區(qū)域越寬，接頭強度下降越明顯，接頭的軟化主要取決于加熱的峰值溫度。焊前冷作硬化程度越高，焊后軟化越明顯。冷作硬化薄板鋁合金的強化效果，焊后幾乎可能全部喪失。b.時效強化鋁合金：HAZ“過時效”軟化問題。其嚴(yán)重程度取決于合金第二相的性質(zhì)，也與焊接熱循環(huán)有一定關(guān)系。最根本的是第二相對時效反應(yīng)的敏感性，第二相易于脫溶析出并易于聚集長大，就越容易發(fā)生“過時效”。例如：Al-Cu-Mg合金比Al-Zn-Mg合金的第二相易于脫溶析出。Al-Cu-Mg合金焊后自然時效軟化程度未改善；Al-Zn-Mg合金焊后自然時效軟化現(xiàn)象基本消除。為了防止HAZ軟化，采用小的焊接線能量。如焊后可進行熱處理，焊前以固溶或退火狀態(tài)焊接較好。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭的耐蝕性）焊接接頭耐蝕性下降的原因：①焊接接頭的耐蝕性一般低于母材，其原因是對成分為X1的合金在平衡冷卻時，溫度達到1點位置從液態(tài)金屬中析出相，金屬繼續(xù)冷卻，固相不斷析出，析出的固相成分是沿著固相線AD變化的，液相成份是以AE變化的，當(dāng)溫度達到2點位置，液相全部轉(zhuǎn)換為固相，金屬繼續(xù)冷卻到5點位置，從固相中析出相。在焊接快速加熱和冷卻過程中，兩元相圖向左下角移動，在3點位置開始析出相，金屬繼續(xù)冷卻，析出的固相成分和液相成份分別沿虛線的固相線和液相線變化，溫度達到4點位置，從液相中析出+固溶體。由此可見，平衡冷卻和不平衡冷卻的微觀組織是不同的，不同的相具有不同的電極電位，電極電位的差異會導(dǎo)致電極電位低的相發(fā)生選擇性腐蝕和微電池腐蝕。鋁及其合金的焊接工藝特點焊接工藝一般原則：鋁及其合金導(dǎo)熱性強，膨脹系數(shù)大，采用能量集中的熱源，保證熔合良好，采用夾具防止焊接變形。鋁及其合金表面易形成氧化膜，妨礙焊接且易形成夾雜物，還吸附大量水分形成氣孔，焊前需清理氧化膜。焊接時需保護。焊接方法的選擇：導(dǎo)熱性強，膨脹系數(shù)大，采用能量集中的熱源如TIG、MIG、脈沖焊、攪拌摩擦焊等。極性選擇：TIG：直流反接“陰極清理作用”①陰極斑點有自動尋找氧化膜的性質(zhì)②陰極斑點電流密度高，產(chǎn)生很大的陰極熱，正離子在電場作用下撞擊陰極斑點，致使陰極斑點氧化膜破碎③電弧又自動尋找新的氧化膜表面，形成新的陰極斑點，陰