船用鋁及其合金的焊接

鋁合金的焊接

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1.鋁合金的分類現(xiàn)在是1頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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。現(xiàn)在是2頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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。現(xiàn)在是3頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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-Si）：用于Al-Mg系（Mg<5%）合金的MIG和TIG焊?，F(xiàn)在是4頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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2.Al合金的物理化學性能現(xiàn)在是5頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是6頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是7頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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（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。現(xiàn)在是8頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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（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=KPH2

?產(chǎn)生氣孔時幾種金屬臨界氫分壓的比較：

Al<Cu<Ni<Fe現(xiàn)在是9頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是10頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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2）與氫在鋁中的溶解度變化有關氫在鋁中的溶解度現(xiàn)在是11頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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4~7倍，不利于氣泡的逸出?，F(xiàn)在是12頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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）現(xiàn)在是13頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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“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）現(xiàn)在是14頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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（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?，F(xiàn)在是15頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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2）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?，F(xiàn)在是16頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是17頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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+0.5~1%O2，Ar+2~5%CO2，增強保護氣氛的氧化性，減少氫?，F(xiàn)在是18頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是19頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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母材氧化膜引起的氣孔（LF6，TIG)現(xiàn)在是20頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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；

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?，F(xiàn)在是21頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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(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，在焊接應力作用下發(fā)生開裂，形成焊縫中心結(jié)晶裂紋?，F(xiàn)在是22頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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鋁合金接頭中的結(jié)晶裂紋現(xiàn)在是23頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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鋁合金接頭熱影響區(qū)中的液化裂紋現(xiàn)在是24頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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。

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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”?，F(xiàn)在是26頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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（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(jié)晶溫度區(qū)間大小有關系；

現(xiàn)在是27頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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幾種鋁合金熱裂傾向最大時的合金組元濃度(xm)：

Al-Mg：xm=2%Mg；Al-Zn：xm=10~12%Zn；Al-Si：xm=0.72%Si；Al-Cu：xm=2%Cu。

如果存在其他元素或雜質(zhì)時，可能出現(xiàn)三元共晶，其熔點比二元更低，結(jié)晶溫度區(qū)間更大，更容易產(chǎn)生熱裂紋?，F(xiàn)在是28頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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。現(xiàn)在是29頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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（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，增大主要合金元素xm，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3.5~5%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?，F(xiàn)在是30頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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(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。現(xiàn)在是31頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是32頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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5.鋁合金焊接中接頭的等強性問題

（1）不可熱處理合金（LFAl-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(jié)晶溫度，一般為200~300C，引起晶粒長大）而降低塑性，表現(xiàn)為接頭強度低于母材。現(xiàn)在是33頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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冷作硬化鋁Al-4Mg-1Mn接頭軟化與焊接峰值溫度的關系現(xiàn)在是34頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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不可熱處理鋁合金焊接前后強度變化現(xiàn)在是35頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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?，F(xiàn)在是36頁\一共有41頁\編輯于星期四鋁合金的焊接

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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。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。現(xiàn)在是37頁\一