第十二章 常用非金屬材料的焊接

“工學結合、校企合作”職業(yè)教育改革創(chuàng)新教材

金屬熔焊原理及材料焊接

機械工業(yè)出版社第十二章常見非鐵金屬的焊接第一節(jié)鋁及鋁合金的焊接第二節(jié)銅及銅合金的焊接第三節(jié)鈦及鈦合金的焊接綜合訓練在工業(yè)生產(chǎn)中通常把金屬材料分為兩大類：鐵金屬材料和非鐵金屬材料。例如，鋼、鑄鐵、不銹鋼、鉻、錳屬于鐵金屬材料；除此之外的一切金屬，如鋁、鎂、銅、鈦、錫、鉛等金屬及其合金統(tǒng)稱為非鐵金屬材料，也稱為有色金屬材料。許多非鐵金屬材料具有鐵金屬材料不可替代的特殊性能。例如，鋁、美及其合金與鐵金屬材料相比，具有密度小、比強度高的特點，因此在航空航天、電工、化工、國防等工業(yè)部門得到廣泛應用。第一節(jié)鋁及鋁合金的焊接

能力知識點1鋁及鋁合金的類型及性能特點鋁具有密度小、耐蝕性好、導電性及導熱性高等良好性能。鋁的資源豐富，特別是在鋁中加入各種合金元素而成的鋁合金，強度顯著提高，使用非常廣泛。工業(yè)純鋁：鋁的質量分數(shù)為99.0%～99.7%，還含有少量的Fe和Si及其它雜質。鋁合金：工業(yè)純鋁的強度較低，不能用來制造承受載荷很大的結構，所以使用受到限制。在純鋁中加入少量合金元素，能大大改善鋁的各項性能，例如Cu、Si和Mn能提高強度，Ti能細化晶粒、Mg能防止海水腐蝕、Ni能提高耐熱性等，因此在工業(yè)上大量使用的是鋁合金。

1．鋁及鋁合金的分類鋁合金分類如圖1所示，見表1.按合金化系列，鋁及其合金分為工業(yè)純鋁（1×××系）、鋁銅合金（2×××系）、鋁錳合金（3×××系）、鋁硅合金（4×××系）、鋁鎂合金（5×××系）、鋁鎂硅合金（6×××系）、鋁鋅鎂銅合金（7×××系）。按熱處理方式，鋁合金分為非熱處理強化鋁合金和熱處理強化鋁合金。前者只能變形強化，后者既能變形強化，也可熱處理強化。按產(chǎn)品成形方法不同，分為變形鋁及鋁合金、鑄造鋁合金。圖1鋁合金的分類1-變形鋁合金2-鑄造鋁合金3-非熱處理強化鋁合金4-熱處理強化鋁合金表1鋁合金的分類分類合金名稱合金系性能特點牌號示例變形鋁合金非熱處理強化鋁合金防銹鋁Al-Mn抗蝕性、壓力加工性與焊接性能好，但強度較低3A21Al-Mg5A05熱處理強化鋁合金硬鋁Al-Cu-Mg力學性能高2A11超硬鋁Al-Cu-Mg-Zn強度最好7A04鍛鋁Al-Mg-Si-Cu鍛造性能好，耐熱性能好6A02Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A70鑄造鋁合金鋁硅合金Al-Si鑄造性能好，不能熱處理強化，力學性能較低ZL102特殊鋁合金Al-Si-Mg鑄造性能良好，可熱處理強化，力學性能較高ZL101Al-Si-CuZL107鋁銅鑄造合金Al-Cu耐熱性好，鑄造性能與抗蝕性差ZL201鋁鎂鑄造合金Al-Mg力學性能高，抗蝕性好ZL301非熱處理強化鋁合金又稱防銹鋁，如牌號3A21（LF21）等，可通過加工硬化、固溶強化來提高力學性能，特點是強度中等、塑性及耐蝕性好，焊接性良好，在焊接結構中應用最廣泛（Al-Mn和Al-Mg系合金）。熱處理強化鋁合金是通過固溶、淬火、時效等工藝措施提高力學性能，經(jīng)熱處理后可顯著提高抗拉強度，但焊接性較差，熔焊時易產(chǎn)生焊接裂紋，焊接接頭力學性能下降。2．鋁及其合金的牌號、成分及性能純鋁牌號以國際四位數(shù)字體系表達：如1A99表示鋁的質量分數(shù)為99.99％的原始純鋁；1B99表示鋁的質量分數(shù)為99.99％的改型純鋁；1070表示雜質極限含量無特殊控制、鋁的質量分數(shù)為99.70％的純鋁；1235表示對兩種雜質極限含量有特殊控制、鋁的質量分數(shù)為99.35％的純鋁。常用的純鋁牌號有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、1200。純鋁的主要用途是代替貴重的銅合金，制作導線、電器元件及換熱器件；制作各種要求質輕、導熱、耐大氣腐蝕但強度不高的器具；配制各種鋁合金。變形鋁合金的牌號也用四位國際字符體系來表示。例如，2A11表示鋁銅原始合金；5A05表示鋁鎂原始合金，5B05表示鋁鎂改型合金。牌號中第一、三、四位為阿拉伯數(shù)字，第二位為英文大寫字母Ａ、Ｂ或其他字母（有時也用數(shù)字）。第一位數(shù)字為2～9，表示變形鋁合金的不同組別，其中“2”表示鋁銅合金，“3”表示鋁錳合金，“4”表示鋁硅合金等；最后兩位數(shù)字為合金的編號，沒有特殊意義，僅用來區(qū)分同一組別中的不同合金；如果第二位字母為A，則表示原始合金，如果是B或其他字母，則表示原始合金的改型合金，如果是數(shù)字，則0表示原始合金，1～9表示改型合金。能力知識點2鋁及鋁合金的焊接性純鋁的熔點低（660℃），熔化時顏色不變，難以觀察到熔池，焊接時容易塌陷和燒穿；熱導率是低碳鋼的3倍，散熱快，焊接時不易熔化；線脹系數(shù)是低碳鋼的2倍，焊接時易變形；在空氣中易氧化生成致密的高熔點氧化膜Al2O3（熔點2050℃），難熔且不導電，焊接時易造成未熔合、夾雜并使焊接過程不穩(wěn)定。因此鋁及其合金的焊接性比低碳鋼差，合金種類不同，焊接性也有一定差別，概括起來有以下幾個問題。一、易氧化二、能耗大三、容易產(chǎn)生氣孔主要是焊縫氫氣孔，如圖2所示。氫在液態(tài)鋁中的溶解度變化如圖3所示。影響氣孔的因素：焊接方法焊接參數(shù)如圖4、5所示氧化膜的致密性等圖2焊縫內(nèi)部氣孔圖3氫在鋁中的溶解度（pH2=101kPa)圖4TIG焊焊接參數(shù)對焊縫中擴散氫[H]的影響[母材為5A06（LF6）]圖5MIG焊焊接參數(shù)對焊縫氣孔的影響四、容易形成焊接熱裂紋鋁合金母材的合金系統(tǒng)及合金成分對焊接熱裂紋的產(chǎn)生有根本性的影響。一般來講，純鋁的裂紋傾向最小，含銅的鋁合金裂紋傾向最大，添加鎂、鋅、硅等合金元素對裂紋有不同程度的影響。如圖7所示。對含有銅的硬鋁（Al-Cu-Mg）和超硬鋁（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很難用熔焊方法獲得沒有裂紋的焊接接頭，所以一般不能選用熔焊方法制造硬鋁和超硬鋁焊接結構。圖7鋁-鎂合金焊縫熱裂紋與含鎂量的關系1-連續(xù)焊道2-斷續(xù)焊道3．焊接熱裂紋的防止途徑（1）選擇適當焊接材料以調整焊縫化學成分由于鋁合金為共晶型合金，少量易熔共晶會增大結晶裂紋傾向，但當易熔共晶數(shù)量很多時，反而會產(chǎn)生對裂紋的“愈合”作用，使裂紋傾向減小。采用TIG焊焊接Al-Mn和Al-Mg合金的T形接頭時，選用不同含鎂量的焊絲，裂紋結果如圖8所示圖8不同焊絲成分對母材焊縫裂紋傾向的影響

1-Al-Mn合金（3A21）2-Al-Mg2.53-Al-Mg3.54-Al-Mg5.2（2）選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)熱能集中的焊接方法，因加熱和冷卻速度快，可防止焊縫形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用TIG或MIG焊接時裂紋傾向比氣焊要小得多。采用小電流焊接，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。焊接電流增大，會使熔池過熱，同時因熔深增大而增加熔合比，使抗裂較差的母材過多地熔入焊縫，從而降低焊縫的抗裂性；焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應力，增大裂紋傾向。大部分鋁合金的裂紋傾向都比較大，因此，焊接時不宜采用較大的焊接電流和較快的焊接速度。五、焊接接頭的軟化1．非熱處理強化鋁合金的接頭軟化對純鋁及防銹鋁合金，在退火狀態(tài)下焊接時，如果采用的焊絲化學成分與母材相同或相近，焊接接頭基本上不產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。但在冷作硬化狀態(tài)下焊接時，加熱溫度超過再結晶溫度（200～300℃）的熱影響區(qū)會產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象。非熱處理強化鋁合金軟化的主要原因是熱影響區(qū)晶粒粗大和冷作硬化效果的減退或消失造成的，解決途徑是采用熱量集中的焊接方法防止熱影響區(qū)粗晶區(qū)加大；焊后冷態(tài)敲擊焊接接頭，產(chǎn)生一定的冷作硬化效果。2．熱處理強化鋁合金的接頭軟化硬鋁及超硬鋁等熱處理強化鋁合金，無論是在退火狀態(tài)還是在時效狀態(tài)下焊接，均會產(chǎn)生明顯的接頭軟化現(xiàn)象。軟化區(qū)主要在焊縫或熱影響區(qū)，熱處理強化鋁合金焊接接頭組織示意圖如圖10所示。為防止熱處理強化鋁合金的軟化，焊接時應采用較小的焊接熱輸入，以減小熱影響區(qū)的高溫停留時間；徹底解決軟化問題的措施是焊后重新進行固溶處理或人工時效處理。

圖10熱處理強化鋁合金焊接接頭組織示意圖六、焊接接頭的耐蝕性下降1．鋁及鋁合金焊接接頭耐蝕性降低的原因首先是接頭組織不均勻，尤其有析出相存在時，會使接頭各部位形成不均勻的電極電位，在腐蝕介質中發(fā)生電化學腐蝕；其次是焊接接頭或多或少存在焊接缺陷如氣孔、夾雜、裂紋等，不僅破壞接頭氧化膜的連續(xù)性，還會造成電解質溶液在缺陷處發(fā)生沉積，加速腐蝕過程；第三，焊縫是粗大的鑄態(tài)組織，焊縫表面不平滑，其表面氧化膜的連續(xù)性和致密性都較差，導致耐腐蝕性降低；第四，接頭中的焊接殘余應力更是影響耐蝕性的敏感因素，尤其是在熱影響區(qū)會誘發(fā)產(chǎn)生應力腐蝕。2．防止接頭耐蝕性降低的措施1）改善接頭組織的不均勻性，2）消除焊接應力，錘擊焊道，可消除焊縫表面拉應力，一般選用冷態(tài)錘擊和熱態(tài)錘擊兩種方法。3）通過焊后人工時效處理，可改善接頭耐蝕性。4）采取保護措施，例如陽極氧化處理或涂層保護等。能力知識點3鋁及鋁合金的焊接工藝要點1．焊接方法常用的焊接方法有氬弧焊（TIG、MIG）、等離子弧焊、電子束焊、電阻焊及釬焊等。熱功率大、能量集中、保護效果好的焊接方法較為合適。常用焊接方法的特點及應用范圍見表6。表6常用焊接方法的特點及應用范圍焊接方法特點應用范圍TIG焊氬氣保護，電弧熱量集中，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫成形美觀，焊接接頭質量好主要用于板厚在6mm以下的重要結構的焊接MIG焊氬氣保護，電弧功率大，熱量集中，焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接接頭質量好，生產(chǎn)效率高主要用于板厚在6mm以上的中厚板結構的焊接電子束焊能源功率密度大，焊縫深寬比大，熱影響區(qū)及焊件變形小，生產(chǎn)效率高，焊接接頭質量好主要用于板厚在3～75mm的非常重要結構的焊接電阻焊利用焊件內(nèi)部電阻熱，接頭在壓力下凝固結晶，不需添加焊接材料，生產(chǎn)率高主要用于厚度在4mm以下薄板的搭接焊釬焊依靠液態(tài)釬料與固態(tài)焊件之間的擴散而形成焊接接頭，焊接應力及焊接變形小，但接頭強度低主要用于厚度≥0.15mm薄板的搭接、套接等氣焊設備簡單，操作方便，火焰功率較低，熱量分散，焊件變形大，焊接接頭質量較差適用于焊接質量要求不高的薄板（0.1～10mm）結構或鑄件的補焊焊條電弧焊電弧熱量集中，焊接速度快，但焊縫致密性差且表面粗糙，焊接接頭質量較差僅用于板厚大于4mm且要求不高的焊件的補焊及修復性焊接2．焊接材料1）同質焊絲焊絲成分與母材成分相同，有時可以直接在母材上切取板條作為填充金屬。母材為純鋁、3A21（LF21）、5A06（LF6）、2A16（LY16）和Al-Zn-Mg合金時，可以采用同質焊絲。2）異質焊絲主要是為滿足抗裂性研制的焊絲，其成分與母材有較大的差異。為保證焊接時不產(chǎn)生裂紋，往往在焊絲中加入較多的合金元素，這些合金元素會降低焊接接頭的耐蝕性，因此對耐蝕性有要求的焊接結構，所選焊絲中必須限定某些元素的含量。常用鋁及鋁合金焊絲的成分見表7。表7常用鋁及鋁合金焊絲的成分類別型號化學成分（質量分數(shù)，%）SiFeCuMnMgCrZnTiVZrAl純鋁SAl-1Fe+Si1.00.050.05-0.100.05--≥99.0SAl-20.200.250.400.300.300.040.03--≥99.7SAl-30.300.30-------≥99.5鋁鎂SAlMg-10.250.400.100.50～1.02.4～3.00.05～0.2----余量SAlMg-2Fe+Si0.450.050.013.1～3.90.15～0.350.200.05～0.15--鋁銅SAlCu0.200.305.8～6.80.2～0.40.02-0.100.01～0.2050.05～0.150.1～0.25鋁錳SAlMn0.60.7-1.6～1.6-----鋁硅SalSi-14.5～6.00.80.30.050.050.10.2--SAlSi-211.0～13.00.80.30.150.10.2---3．焊前清理1）化學清理該法效率高，質量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及工件尺寸較小、批量生產(chǎn)的焊件。清洗油污一般用汽油、丙酮、四氯化碳等有機溶劑清洗；也可使用工業(yè)磷酸三鈉40～60g、碳酸鈉40～50g、水玻璃20～30g加入1L水中溶解，加熱到60～70℃，對坡口除油5～8min，再放入50℃的水中清洗20min，最后在冷水中沖洗2min。清除焊件表面氧化膜，小型工件可用浸洗法，2）機械清理先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污，然后用機械切削、鋼絲刷、噴砂處理或銼刀、刮刀等將坡口兩側30～40mm范圍內(nèi)氧化膜清理干凈。工件清洗后應在2h內(nèi)裝配、焊接完畢，否則會重新被氧化，特別是在潮濕或有酸堿蒸汽的環(huán)境中，氧化膜生長很快。清理后的焊絲和工件存放時間一般不要超過12h。4．焊接工藝要點（1）TIG焊電弧穩(wěn)定，可添加或不加焊絲焊接，接頭形式不受限制，焊縫成形美觀，表面光亮；焊接接頭的強度、塑性和韌性較好；焊接變形小，最適于板厚小于6mm的薄板焊接，并且適用于全位置焊接。交流TIG焊具有清理氧化膜的作用，不用熔劑，避免了焊后熔劑對接頭的腐蝕作用，簡化了焊后清理過程。1）接頭與坡口形式2）焊接參數(shù)3）操作技術要點手工鎢極氬弧焊一般采用左焊法，焊槍應均勻、平穩(wěn)向前作直線運動，弧長要保持穩(wěn)定；盡量采用短弧焊，以保證熔透和避免出現(xiàn)咬邊；填充焊絲與焊件應保持一定角度，一般為10～15°，傾角不宜太大，以免擾亂氣流和電弧的穩(wěn)定性。（2）MIG焊焊接速度快，生產(chǎn)效率高。用于焊接鋁及鋁合金通常采用直流反極性，焊接薄、中等厚度板材時，用純氬作保護氣；焊接大厚度工件時，采用氬氣+氦氣作保護氣。焊前一般不需預熱，即使厚大工件也只需預熱引弧部位。確定焊接參數(shù)時，應先根據(jù)焊件厚度、坡口尺寸選擇焊絲直徑，再根據(jù)熔滴過渡形式（短路過渡或噴射過渡）確定焊接電流、電弧電壓及其他焊接參數(shù)。5）焊后清理鋁及鋁合金氣焊后，殘留在焊縫表面及兩側的熔劑及焊渣會破壞鋁材表面的氧化膜，引起接頭腐蝕。因此，應在焊后1～6h內(nèi)將其清理干凈。清理方法有以下幾種：一是在60～80℃熱水中用硬毛刷仔細刷洗焊縫正反面；二是對重要的工件，經(jīng)上述刷洗后，再放入60～80℃、質量分數(shù)為2%～3%的稀鉻酸水溶液中浸洗5～10min，然后用熱水沖洗并干燥；三是先用60～80℃熱水刷洗，再用質量分數(shù)為5%的硝酸和質量分數(shù)為2%的重鉻酸的混合液清洗5～10min，最后用熱水沖洗并干燥。第二節(jié)銅及銅合金的焊接能力知識點1銅及銅合金的類型及性能特點按化學成分銅及銅合金分為純銅、黃銅、青銅及白銅等。1．純銅純銅中銅的質量分數(shù)不小于99.95%，具有很高的導電性、導熱性，良好的耐蝕性和塑性。在退火狀態(tài)（軟態(tài)）下塑性較高，但強度不高；通過冷加工變形后（硬態(tài)），強度和硬度均有提高，但塑性明顯下降。冷加工后經(jīng)550～600℃退火，塑性可完全恢復。焊接結構一般采用軟態(tài)純銅。2．黃銅黃銅是指以鋅為主要合金元素的銅合金，表面呈淡黃色，因此稱黃銅。黃銅的耐蝕性高，冷熱加工性能好，導電性比純銅差，力學性能優(yōu)于純銅，應用較廣泛。黃銅的牌號為H××，其中“H”是漢語拼音“黃”的第一個字母，后面“××”兩位數(shù)字表示銅的質量分數(shù)，其余為鋅，例如H96表示銅的質量分數(shù)為96%的黃銅。在黃銅中加入錫、鉛、錳、硅、鐵等元素就成為特殊黃銅，例如HPb59-1就表示銅的質量分數(shù)為59%、鉛的質量分數(shù)為1%、其余為鋅的特殊黃銅。3．青銅不以鋅和鎳為主要合金元素的銅合金統(tǒng)稱為青銅。青銅具有良好的耐磨性、耐蝕性、鑄造性能和力學性能。常用的青銅有錫青銅（QSn4-3）、鋁青銅（QAl9-2）和硅青銅（QSi3-1）等。4．白銅白銅為鎳的質量分數(shù)低于50%的銅鎳合金。如在白銅中加入錳、鐵、鋅等元素可形成錳白銅、鐵白銅和鋅白銅。白銅可分為結構用白銅和電工用白銅。在焊接結構中使用的白銅不多。能力知識點2

銅及銅合金的焊接性1．難熔合、易變形由于銅的導熱性很強（銅和大多數(shù)銅合金的熱導率比普通碳鋼大7～11倍），焊接時熱量從加熱區(qū)迅速傳導出去，焊件越厚散熱越嚴重。2．熱裂紋傾向大銅及銅合金的焊接裂紋一般出現(xiàn)在焊縫上，也有出現(xiàn)在熔合區(qū)及熱影響區(qū)，裂紋呈晶間破壞特征，從其斷面可以看到明顯的氧化色彩。（1）產(chǎn)生熱裂紋的主要原因銅與其中的雜質可形成多種低熔點共晶引起熱裂紋。2）銅及銅合金中的雜質Bi和Pb本身的熔點低，且在熔池結晶過程中與銅分別生成熔點很低的共晶組織Cu+Bi（熔點為270℃）和Cu+Pb（熔點為326℃），S能較好地溶解在液態(tài)銅中，但當凝固結晶時，在固態(tài)銅中的溶解度幾乎為零，S與銅形成Cu2S，（Cu2S+Cu）的共晶溫度為1067℃，這些低熔點的共晶組織分布在枝晶間或晶界處，都將促使焊縫產(chǎn)生熱裂紋；3）接加熱時，熱影響區(qū)的低熔點共晶會重新熔化，在焊接應力作用下會產(chǎn)生熱裂紋。4）銅及銅合金焊接時會產(chǎn)生較大的焊接應力；純銅焊接時，焊縫為單相組織，且由于銅的導熱性強，焊縫易生成粗大的柱狀晶。這些因素都會加劇熱裂紋的生成。（2）防止銅及銅合金熱裂紋的措施1）嚴格限制銅及銅合金中雜質的含量。2）增強對焊縫的脫氧能力，一般是在焊絲中加入硅、錳、磷等合金元素進行脫氧。3）選用能獲得雙相組織的焊接材料，使低熔點共晶分散、不連續(xù)，打亂柱狀晶的方向性，使焊縫晶粒細化。4）采用預熱、緩冷等措施減小焊接應力。3．容易形成氣孔熔焊銅及銅合金時，氣孔傾向比低碳鋼大得多，引起氣孔的主要是氫和氧。減少和消除銅焊縫中的氣孔的主要措施一是減少氫和氧的來源，二是采取預熱措施來延長熔池存在時間，使氣體易于逸出。另外還可以采用含有鋁、鈦等強脫氧劑的焊絲，也可以收到良好效果。4．焊接接頭性能下降（1）塑性顯著降低（2）導電性下降（3）耐蝕性降低改善接頭性能的措施主要是控制雜質含量，減少合金元素的氧化燒損；其次是減少熱作用，必要時進行焊后消除應力處理等。能力知識點3銅及銅合金的焊接工藝要點1．焊接方法由于銅的導熱性很強，焊接時應該選用功率大、能量密度高的熱源，熱效率越高、能量越集中對焊接越有利。

2．焊接材料（1）焊絲焊接純銅的焊絲中主要添加了Si、Mn、P等脫氧元素，對導電性要求高的純銅不宜選用含P的焊絲。在黃銅焊絲中常加入Si，Si可防止Zn的蒸發(fā)、氧化，還可提高焊縫金屬的抗裂性和耐蝕性。（2）焊條銅焊條分為純銅焊條和青銅焊條兩大類。由于黃銅中的Zn容易蒸發(fā)，極少采用焊條電弧焊，因此沒有黃銅焊條，必要時可采用青銅焊條。3．焊前準備（1）接頭形式及坡口制備盡量不采用搭接接頭、T形接頭和內(nèi)角接頭，應采用散熱條件對稱的對接接頭和端接接頭，并根據(jù)母材厚度和焊接方法的不同，制備相應的坡口。不同厚度（厚度差大于3mm）的純銅板對接焊時，厚度大的一端須按規(guī)定削??；開坡口的單面焊對接接頭要求背面成形時，焊接過程中須在背面加成形墊板；一般情況下，銅及銅合金不宜立焊和仰焊。（2）焊前清理銅及銅合金對焊前清理的要求比較嚴格，經(jīng)清理合格的工件應及時施焊。4．焊接工藝要點（1）鎢極氬弧焊（TIG焊）適合于薄板和小件的焊接與補焊。采用直流正極性，以使焊件獲得較多的熱量和較大的熔深。當焊件厚度小于4mm時可以不預熱；4～12mm的純銅需要預熱至300～500℃，青銅和白銅可降至150～200℃（也可以不預熱）；硅青銅、磷青銅不預熱并嚴格控制道間溫度在100℃以下；補焊大尺寸的黃銅和青銅鑄件時，一般需要預熱200～300℃。如采用Ar+He混合氣體做保護氣焊接銅及銅合金可以不預熱。（2）熔化極氬弧焊（MIG焊）MIG焊是焊接中、厚板銅及銅合金的理想方法。采用直流反極性、大電流、高焊接速度進行焊接。在焊件厚度大于6mm或用焊絲直徑大于1.6mm的V形坡口焊接時需要預熱，對于硅青銅和鈹青銅，根據(jù)其脆性及高強度的特性，焊后應進行消除應力退火和500℃保溫3h的時效硬化處理。（3）焊條電弧焊焊前焊條要經(jīng)200～250℃、烘干2h，以去除藥皮吸附的水分。焊前及多層焊的層間要對工件進行預熱純銅預熱溫度300～600℃；預熱應在200～400℃之間；錫青銅和硅青銅預熱不應超過200℃；磷青銅的流動性差，預熱不超過250℃。為了改善接頭性能和減小焊接應力，焊后應對焊縫和接頭進行熱態(tài)和冷態(tài)的錘擊。對性能要求較高的接頭，采用焊后高溫熱處理消除應力和改善接頭韌性。（4）埋弧焊板厚小于20mm的銅及銅合金工件可以不預熱、不開坡口，采用埋弧焊獲得性能優(yōu)良的焊接接頭，使焊接工藝大為簡化。純銅、青銅的埋弧焊的焊接性能較好。1）焊絲與焊劑可選用高硅高錳焊劑（如HJ431、HJ430）獲得滿意的工藝性能也可選用氧化性較弱的HJ260、HJ150或陶質焊劑。（2）焊接參數(shù)通常采用單道焊。應選用大的焊接電流和高的焊接電壓；焊絲伸出長度一般選擇20～40mm。厚度小于20mm的銅及銅合金采用不開坡口的單面焊或雙面焊，厚度更大的工件最好開U形坡口、較大的鈍邊（鈍邊為5～7mm），并采用并列雙絲焊接。（5）氣焊氧乙炔氣焊適合焊接薄銅件、銅件的修補或不重要結構的焊接。氣焊純銅時應嚴格采用中性焰，薄板和小尺寸件的預熱溫度一般為400～500℃，厚大焊件的預熱溫度提高要到500～600℃。第三節(jié)鈦及鈦合金的焊接能力知識點1鈦及鈦合金的類型及性能特點1．工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦呈銀白色，密度小、熔點高、線脹系數(shù)小、導熱性差。其性質與純度有關，純度越高，強度和硬度越低，塑性越好，易于加工成形。鈦在885℃時發(fā)生同素異構轉變，在885℃以下為密排六方晶格，稱為α鈦；在885℃以上為體心立方晶格，稱為β鈦。工業(yè)純鈦中的雜質有H、O、Fe、Si、C、N等，其中C、N、O與鈦形成間隙固溶體，F(xiàn)e、Si等元素與鈦形成置換固溶體，起固溶強化作用，顯著提高鈦的強度和硬度，降低塑性和韌性。H以置換方式固溶于鈦中，微量的H即能使鈦的韌性急劇降低，引起氫脆。工業(yè)純鈦根據(jù)雜質（主要是O和Fe）含量以及強度差別分為TA1、TA2、TA3三個牌號，隨數(shù)字序號增加，雜質含量增加，強度增加，塑性下降。

工業(yè)純鈦具有很高的化學活性，鈦與氧的親和力很強，在室溫條件下，即可在表面形成一層致密而穩(wěn)定的氧化膜，由于氧化膜的保護作用，使鈦在硝酸、稀硫酸、磷酸、氯鹽溶液以及各種濃度的堿液中都具有良好的耐蝕性。工業(yè)純鈦具有良好的焊接性，還常被用作其他鈦合金的填充金屬。工業(yè)純鈦的板材和棒材可用于制造350℃以下工作的零件，如飛機蒙皮、隔熱板、熱交換器、化學工業(yè)中的耐蝕結構等。2．鈦合金鈦合金分類方法很多，按照鈦的同素異構體和退火組織可分為α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金，其牌號分別以T加A、B、C和順序數(shù)字表示。TA4～TA10表示α鈦合金，TB2～TB4表示β鈦合金，TC1～TC12表示α+β鈦合金。

(1)α鈦合金α鈦合金是通過加入α穩(wěn)定元素Al和中性元素Sn等固溶強化而形成。α鈦合金具有高溫強度高、韌性好、抗氧化能力強、焊接性好、組織穩(wěn)定等特點，比工業(yè)純鈦強度高，但加工性比β和α+β鈦合金差。α鈦合金不能通過熱處理強化，但可以通過600～700℃退火消除加工硬化；也可通過550～650℃不完全退火消除焊接應力。（2）β鈦合金β鈦合金含有很高比例的β穩(wěn)定元素如Mo和V等，使馬氏體轉變β→α進行得很緩慢，在一般工藝條件下，組織幾乎全部為β相。通過時效處理，β鈦合金的強度可以提高。β鈦合金在單一β相條件下加工性能良好，并具有加工硬化性能；但在室溫和高溫下性能差，脆性大，焊接性差，易形成冷裂紋，在焊接結構中較少使用。（3）α+β鈦合金

α+β鈦合金是由α鈦為基體的固溶體和β鈦為基體的固溶體兩相組織構成，可以通過熱處理強化獲得高強度。合金強度高、耐熱性好、熱穩(wěn)定性好。隨α相比例增加，加工性能變差；隨β相比例增加，焊接性變差。α+β鈦合金的典型牌號是TC4（即Ti-6Al-4V），綜合性能良好，焊接性在α+β鈦合金中最好，是航空航天工業(yè)中應用最多的一種鈦合金。能力知識點2鈦及鈦合金的焊接性1．焊接接頭區(qū)的脆化鈦是一種化學活性很高的金屬，常溫下與氧發(fā)生反應生成致密的氧化膜，且氧化膜穩(wěn)定性高而具有耐蝕性，而540℃以上生成的氧化膜則不致密。鈦在高溫下與O、N、H反應劇烈，隨溫度的升高，鈦及鈦合金吸收O、N、H的能力也隨之明顯升高，如圖9所示。鈦從250℃開始吸H，從400℃開始吸O，從600℃開始吸N，這些雜質的吸收都將造成鈦的塑性降低，從而引起接頭區(qū)的脆化。

圖9鈦吸收O、N、H的強烈程度與溫度、時間的關系2．焊接區(qū)裂紋傾向大（1）熱裂紋敏感性低。（2）冷裂紋和延遲裂紋當焊縫含O、N量較高時，焊縫或熱影響區(qū)金屬性能變脆，在較大的焊接應力作用下，會出現(xiàn)裂紋，這種裂紋一般是在較低溫度下形成的。焊接鈦合金時，有時會在熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋，這種裂紋可以延遲幾小時、幾天甚至幾個月出現(xiàn)。延遲裂紋的防止方法，主要是減少焊接接頭的含氫量，必要時進行真空退火處理。3．容易形成焊縫氣孔（1）材質因素主要是氬氣、母材及焊絲中含有的氣體，如O2、N2、H2、CO2、H2O等都會引起焊縫氣孔。當這些氣體在氬氣、母材及焊絲中的含量增加時，氣孔傾向明顯增大。但N2對焊縫氣孔影響較弱。材質表面狀況對生成焊縫氣孔也有較大影響。母材及焊絲表面的水分、油脂、氧化物（常含有結晶水）、含碳物質、砂粒、有機纖維及吸附的氣體等，都會促使鈦及鈦合金焊縫生成氣孔。（2）工藝因素熔池的存在時間對氫氣孔的形成起著重要作用。當熔池存在時間較長時，有利于氣泡的逸出，所以焊縫中的氣孔逐漸減少。防止產(chǎn)生氣孔的措施1）嚴格限制原材料中O2、N2、H2等雜質氣體的含量；2）選用高純度的氬氣氬氣純度應不低于99.99%，氬氣管不宜用橡皮管，而應用尼龍管。3）正確選擇焊接參數(shù)，延長熔池存在時間，以便氣泡逸出?？刂茪鍤饬髁?，防止湍流現(xiàn)象將空氣帶入焊接區(qū)。4）正確選擇焊接方法選用氬弧焊、真空電子束焊或等離子弧焊等方法。能力知識點3鈦及鈦合金的焊接工藝要點1．焊前準備（1）坡口形式及定位焊在選擇坡口形式和尺寸時，應盡量減少焊接層數(shù)和填充金數(shù)量。搭接接頭由于背面保護困難，應盡量不采用；母材厚度小于2.5mm的不開坡口對接接頭，可不添加焊絲進行焊接；厚度大的母材需開坡口并添加焊絲，應盡量采用平焊。坡口加工應采用刨、銑等冷加工方法，以防熱加工時容易出現(xiàn)的坡口邊緣硬度增高現(xiàn)象一般定位焊點間距為100～150mm，定位焊縫長度約為10～15mm。定位焊所用的焊絲、焊接參數(shù)及保護氣體等與焊接時相同，裝配時嚴禁敲擊和劃傷工件表面。（2）機械清理采用細砂布或不銹鋼絲刷擦拭，或用硬質合金刮刀刮削待焊邊緣0.025mm厚度，即可除去氧化膜；然后用丙酮、乙醇、四氯化碳或甲醇等有機溶劑去除坡口兩側的油污及有機物等。（3）化學清理如果鈦板熱軋后已經(jīng)過酸洗，存放后又生成氧化膜的，可將鈦板浸泡在質量分數(shù)為2%～4%的HF+質量分數(shù)為30%～40%的HNO3+H2O（余量）的溶液中15～20min，然后用清水清洗干凈并烘干。熱軋后未經(jīng)酸洗的鈦板，由于氧化膜較厚，須先進行堿洗。方法是將鈦板浸泡在含NaOH80%、NaHCO320%的濃堿水溶液中10～15min，溶液溫度保持在40～50℃之間。堿洗后取出用清水沖洗，再進行酸洗。酸洗液的配方為：每升溶液中HNO355～60mL、HCl

340～350mL、HF5mL，酸洗時間10～15min。取出后分別用熱水、冷水沖洗，并用白布擦拭、晾干。2．焊接方法用于鈦及鈦合金的焊接方法及其特點見表32，其中應用最多的是TIG焊和MIG焊。表32鈦及鈦合金的主要焊接方法及其特點焊接方法特點焊接方法特點鎢極氬弧焊多用于薄板的焊接，板厚3mm以上時須采用多層焊熔深淺，焊道平滑適用于修補焊接等離子弧焊熔深大10mm的板厚可以一次焊成手工操作困難電子束焊熔深大，污染少焊縫窄，熱影響區(qū)小，焊接變形小設備價格高熔化極氬弧焊熔深大，熔敷量大飛濺較大焊縫外形較鎢極氬弧焊差擴散焊可以用于異種金屬或金屬與非金屬的焊接形狀復雜的工件可以一次焊成變形小3．焊接材料鈦及鈦合金對熱裂紋不敏感，焊接時可選擇與母材成分相同或相似的填充金屬。常用的焊絲牌號有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6及TC3等，其成分與相應牌號的鈦材料是一致的。焊絲均是以真空退火狀態(tài)供貨，其表面不得有燒皮、氧化色、裂紋等缺陷存在。常用的焊絲直徑一般為ф0.8～ф2.0mm。為了改善焊接接頭的塑性和韌性，有時采用強度低于母材的填充材料，例如，用工業(yè)純鈦TA1、TA2作填充材料焊接TA7和厚度不大的TC4。保護氣一般采用純氬氣（純度大于99.99%），有時為了增大熔深和加強保護效果（仰焊時），也采用氦氣保護。4．焊接工藝及焊接參數(shù)（1）鎢極氬弧焊（TIG焊）用于焊接厚度在3mm以下的薄板，分為敞開式焊接和箱內(nèi)焊接兩種方法。敞開式焊接是在大氣環(huán)境中施焊，為防治空氣侵入而污染焊接區(qū)金屬，焊接時需要利用帶拖罩的焊槍和背面保護裝置，用Ar或Ar+He混合氣體把處于400℃以上的高溫區(qū)與空氣隔開，這是一種局部氣體保護的焊接方法。當工件結構較復雜，難以使用拖罩或進行背面保護時，應采用在充滿Ar或Ar+He混合氣體的箱內(nèi)施焊，這是一種整體氣體保護的焊接方法。應采用較小的焊接熱輸入。采用直流正極性進行焊接，焊接參數(shù)見表33，該工藝參數(shù)適用于對接焊縫及環(huán)焊縫。厚度0.1～2.0mm的鈦及鈦合金板材、對焊接熱循環(huán)敏感性強的鈦合金及薄壁鈦管焊接時，宜采用脈沖電流焊接。表33鈦及鈦合金手工TIG焊的工藝參數(shù)板厚/mm坡口形式鎢極直徑/mm焊絲直徑/mm焊接層數(shù)焊接電流/A氬氣流量/L·min-1噴嘴孔徑/mm備注主噴嘴拖罩背面0.5～1.52.0～2.5I形坡口對接1.5～2.02.0～3.01～21～21130～8080～1208～1212～1414～1616～206～1010～1210～1212～14對接接頭的間隙為0.5mm，不加鈦絲時的間隙為1.0mm3～44～67～8V形坡口對接3.0～4.03．0～4.04.02～32～43～41～22～33～4120～150130～160140～18012～1614～1614～1616～2520～2625～2810～1412～1412～1414～2018～2020～22坡口間隙2～3mm，鈍邊0.5mm。焊縫反面加鋼墊板，坡口角度60o～65o10～1320～2225～30對稱雙Y形坡口4.04.04.03～43～43～54～810～1612～18160～240200～250200～26014～1615～1816～1818～2420～3826～3012～1418～2620～2620～2220～2220～22坡口角度60o，鈍邊1mm；坡口角度55o，鈍邊1.5～2.0