鋁及鋁合金的焊接工藝的研究

...wd......wd......wd...鋁及鋁合金的焊接工藝研究摘要有色金屬，狹義上的有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外所有金屬的統(tǒng)稱。雖然有色金屬只占金屬總量的百分之五左右，但有色金屬在工程應(yīng)用中的重要作用卻是鋼鐵或其他材料無(wú)法替代的。鋁合金由于重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無(wú)磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接構(gòu)造產(chǎn)品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,構(gòu)造重量可減輕50%以上。因此，鋁及鋁合金除廣泛的應(yīng)用于航空、航天和電工等領(lǐng)域外，同時(shí)還越來(lái)越多的應(yīng)用于石油化學(xué)工業(yè)。但是鋁及鋁合金在焊接過(guò)程中，易出現(xiàn)氧化、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷等問(wèn)題。此類材質(zhì)是被公認(rèn)為焊接難度較大的被焊接材料，特別是小徑薄壁管的焊接更難掌握。因此，解決鋁及鋁合金的這些焊接缺陷是施工過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬構(gòu)造材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶、及化學(xué)工業(yè)中已經(jīng)大量應(yīng)用。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)技術(shù)的飛速開展，對(duì)鋁合金焊接構(gòu)造件的需求日益增多，是鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的開展，同時(shí)焊接技術(shù)的開展有拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究熱點(diǎn)之一。本文通過(guò)對(duì)鋁及鋁合金性能的分析掌握其特點(diǎn)及焊接性何其焊接工藝方法并了解鋁及鋁合金的焊接實(shí)例。關(guān)鍵詞：有色金屬鋁及鋁合金焊接工藝工業(yè)材料目錄畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書…………………....1畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)需知…………………2中文摘要……………...7英文摘要………………8一、緒論…………………....11二、有色金屬的分類、性能及焊接特點(diǎn)…………....11種類特性……………...11種類面積………………11用途……………………..11鋁及鋁合金的焊接缺點(diǎn)……………13鋁及鋁合金的焊接優(yōu)點(diǎn)……………13三、鋁及鋁合金性能的特點(diǎn)分析及其焊接性……..13四、鋁及鋁合金的焊接工藝方法……...14焊前準(zhǔn)備……………...15確定裝配間隙及定位焊距離……..15選擇焊接設(shè)備…………15選擇焊絲……………….15選擇焊接方法和參數(shù)………………...15五、鋁及鋁合金的焊接實(shí)例：鋁制壓力容器的焊接……………....16焊前準(zhǔn)備………………..16焊前清理………………..17鋁儲(chǔ)罐的焊接………....17焊后處理……………….18焊后檢查……………….18完畢語(yǔ)…………………..18致謝……………………..19參考文獻(xiàn)………………..20一、緒論鋼構(gòu)造焊接制造是一門理論和實(shí)踐性較強(qiáng)的綜合性技術(shù)。鋁合金由于重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無(wú)磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接構(gòu)造產(chǎn)品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,構(gòu)造重量可減輕50%以上。因此，鋁及鋁合金除廣泛的應(yīng)用于航空、航天和電工等領(lǐng)域外，同時(shí)還越來(lái)越多的應(yīng)用于石油化學(xué)工業(yè)。但是鋁及鋁合金在焊接過(guò)程中，易出現(xiàn)氧化、氣孔、熱裂紋、燒穿和塌陷等問(wèn)題。此類材質(zhì)是被公認(rèn)為焊接難度較大的被焊接材料，特別是小徑薄壁管的焊接更難掌握。因此，解決鋁及鋁合金的這些焊接缺陷是施工過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。二、有色金屬的分類、性能及焊接特點(diǎn)定義：狹義的有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱。廣義的有色金屬還包括有色合金。有色合金是以一種有色金屬為基體〔通常大于50%〕，參加一種或幾種其他元素而構(gòu)成的合金。種類特性：有色金屬是指鐵、鉻、錳三種金屬以外所有的金屬。中國(guó)在1958年，將鐵、鉻、錳列入黑色金屬；并將鐵、鉻、錳以外的64種金屬列入有色金屬。這64種有色金屬包括：鋁、鎂、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、銅、鉛、鋅、錫、鈷、鎳、銻、汞、鎘、鉍、金、銀、鉑、釕、銠、鈀、鋨、銥、鈹、鋰、銣、銫、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鎢、鉬、鎵、銦、鉈、鍺、錸、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔、硅、硼、硒、碲、砷、釷。在歷史上，生產(chǎn)工具所用的材料不斷改良，它與人類社會(huì)開展的關(guān)系十分密切。因此歷史學(xué)家曾用器物的材質(zhì)來(lái)標(biāo)志歷史時(shí)期，如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代等。到17世紀(jì)末被人類明確認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的有色金屬共8種。中華民族在這些有色金屬的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)方面有過(guò)重大的奉獻(xiàn)〔見冶金史〕。進(jìn)入18世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的迅速開展，促進(jìn)了許多新的有色金屬元素的發(fā)現(xiàn)。上述的64種有色金屬除在17世紀(jì)前已被認(rèn)識(shí)應(yīng)用的8種外，在18世紀(jì)共發(fā)現(xiàn)13種。19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)39種,進(jìn)入20世紀(jì),又發(fā)現(xiàn)4種。有色合金的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高，電阻比純金屬大、電阻溫度系數(shù)小，具有良好的綜合機(jī)械性能。常用的有色合金有鋁合金、銅合金、鎂合金、鎳合金、錫合金、鉭合金、鈦合金、鋅合金、鉬合金、鋯合金等。種類面積：有色金屬外表積也是非常重要的，比外表積測(cè)試有專用的比外表積測(cè)試儀，國(guó)外采用的一般是靜態(tài)氮吸附法，國(guó)內(nèi)比擬成熟的動(dòng)態(tài)氮吸附法，而現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)儀器中大多數(shù)還只能進(jìn)展直接比照法的。用途：A：有色金屬中的銅是人類最早使用的金屬材料之一。現(xiàn)代，有色金屬及其合金已成為機(jī)械制造業(yè)、建筑業(yè)、電子工業(yè)、航空航天、核能利用等領(lǐng)域不可缺少的構(gòu)造材料和功能材料。B：實(shí)際應(yīng)用中，通常將有色金屬分為5類：1、輕金屬。密度小于4500千克/立方米，如鋁、鎂、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇等。2、重金屬。密度大于4500千克/立方米，如銅、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻鎘、汞等。3、貴金屬。價(jià)格比一般常用金屬昂貴，地殼豐度低，提純困難，如金、銀及鉑族金屬。4、半金屬。性質(zhì)價(jià)于金屬和非金屬之間，如硅、硒、碲、砷、硼等。5、稀有金屬。包括稀有輕金屬，如鋰、銣、銫等；稀有難熔金屬，如鈦、鋯、鉬、鎢等；稀有分散金屬，如鎵、銦、鍺、鉈等；稀土金屬，如鈧、釔、鑭系金屬；放射性金屬，如鐳、鈁、釙及阿系元素中的鈾、釷等鋁及鋁合金焊接的缺點(diǎn)：

1焊接構(gòu)造容易引起較大的剩余應(yīng)力。由于絕大多數(shù)焊接方法都采用局部加熱，經(jīng)焊接后焊件，不可防止的在構(gòu)造中會(huì)產(chǎn)生一定的焊接變形，從而影響構(gòu)造的承載能力，加工精度尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，在焊縫與焊件交界處還會(huì)引起應(yīng)力集中，對(duì)構(gòu)造的脆性斷裂有較大影響。

2焊接接頭中容易存在一定數(shù)量的缺陷，如裂紋。氣孔，夾渣，未焊透，未融合等。缺陷的存在會(huì)降低強(qiáng)度，引起應(yīng)力集中，損壞焊縫致密性，是造成焊接構(gòu)造破壞的主要原因之一。

3

焊接接頭具有較大的性能不均均性。由于焊縫的成份及金相組織與母材不同，接頭各部位經(jīng)歷熱盾環(huán)不同，使不同區(qū)或接頭的性能不同。

4

焊接過(guò)程中產(chǎn)生高溫，強(qiáng)光及一些有毒氣體，對(duì)人體有一定的損害，故需要堅(jiān)強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)。

鋁及鋁合金焊接的優(yōu)點(diǎn)：

1

節(jié)省金屬材料，減輕構(gòu)造重量，經(jīng)濟(jì)效益好。

2

簡(jiǎn)化加工與裝配工序，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高。

3

構(gòu)造強(qiáng)度高〔接頭能到達(dá)與母材相等強(qiáng)度〕，接頭密封性好。

4

為構(gòu)造設(shè)計(jì)提供較大的靈活性，按構(gòu)造的受力情況可優(yōu)化配置材料，按工況需要，在不同部位選用不同的強(qiáng)度，不同耐磨性，耐高溫性等材料。

5

焊接工藝過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。三、鋁及鋁合金性能的特點(diǎn)分析及其焊接性

鋁及鋁合金其它金屬材料相比，具有以下一些特點(diǎn)：密度?。轰X及鋁合金的密度接近2700Kg／m3,約為鐵或銅的1/3。強(qiáng)度高：鋁及鋁合金的強(qiáng)度高。經(jīng)過(guò)一定程度的冷加工可強(qiáng)化基體強(qiáng)度,局部牌號(hào)的鋁合金還可以通過(guò)熱處理進(jìn)展強(qiáng)化處理。導(dǎo)電導(dǎo)熱性好：鋁的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能僅次于銀、銅和金。耐蝕性好：鋁的外表易自然生產(chǎn)一層致密結(jié)實(shí)的保護(hù)膜，能很好的保護(hù)基體不受腐蝕。通過(guò)人工陽(yáng)極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。易加工：添加一定的合金元素后，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。鋁及鋁合金的焊接性：⑴強(qiáng)的氧化能力鋁在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密結(jié)實(shí)的Al2O3膜薄，厚度約0.1μm。Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋁及鋁合金的熔點(diǎn)〔約660℃〕，而且體積質(zhì)量大，約為鋁的1.4倍。焊接過(guò)程中，氧化鋁薄膜會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易形成夾渣。氧化膜還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。因此，焊前必須嚴(yán)格清理焊件外表的氧化物，并加強(qiáng)焊接區(qū)域的保護(hù)。

⑵較大的熱導(dǎo)率和比熱容鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容約比鋼大1倍，焊接過(guò)程中大量的熱量被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部。因此，焊接鋁及鋁合金比鋼要消耗更多的熱量，焊前常需采取預(yù)熱等工藝措施。

⑶熱裂紋傾向大線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)的體積收縮率達(dá)6.5%左右，因此焊接某些鋁合金時(shí)，往往由于過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生熱裂紋。生產(chǎn)中常用調(diào)整焊絲成分的方法來(lái)防止產(chǎn)生熱裂紋，如使用焊絲HS311。

⑷容易形成氣孔形成氣孔的氣體是氫。氫在液態(tài)鋁中的溶解度為0.7mL/100g，而在660℃凝固溫度時(shí)，氫的溶解度突降至0.04ml/100g，使原來(lái)溶解于液態(tài)鋁中的氫大量析出，形成氣泡。同時(shí)，鋁和鋁合金的密度小，氣泡在熔池中的上升速度較慢，加上鋁的導(dǎo)熱性強(qiáng)，熔池冷凝快，因此，上升的氣泡往往來(lái)不及逸出，留在焊縫內(nèi)成為氣孔?；≈鶜夥罩械乃?、焊接材料及母材外表氧化膜吸附的水分都是氫的主要來(lái)源，因此焊前必須嚴(yán)格做好焊件的外表清理工作。

⑸接頭不等強(qiáng)度鋁及鋁合金的熱影響區(qū)由于受熱而發(fā)生軟化、強(qiáng)度降低使接頭與母材無(wú)法到達(dá)等強(qiáng)度。純鋁及非熱處理強(qiáng)化鋁合金接頭的強(qiáng)度約為母材的75%～100%；熱處理強(qiáng)化鋁合金的接頭強(qiáng)度較小，只有母材的40%～505。

⑹焊穿鋁及鋁合金從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，無(wú)明顯的顏色變化，所以不易判斷母材溫度，施焊時(shí)常會(huì)因溫度過(guò)高無(wú)法覺察而導(dǎo)至焊穿。四、鋁及鋁合金的焊接工藝方法鋁合金材料焊接的工藝方法〔1〕焊前準(zhǔn)備采用化學(xué)或機(jī)械方法，嚴(yán)格清理焊縫坡口兩側(cè)的外表氧化膜。

化學(xué)清洗是使用堿或酸清洗工件外表，該法既可去除氧化膜，還可除油污，具體工藝過(guò)程如下：體積分?jǐn)?shù)為6%～10%的氫氧化鈉溶液，在70℃左右浸泡0．5min→水洗→體積分?jǐn)?shù)為15%的硝酸在常溫下浸泡1min進(jìn)展中和處理→水洗→溫水洗→枯燥。洗好后的鋁合金外表為無(wú)光澤的銀白色。

機(jī)械清理可采用風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)銑刀，還可采用刮刀、銼刀等工具，對(duì)于較薄的氧化膜也可用0．25mm的銅絲刷打磨去除氧化膜。

清理好后立即施焊，如果放置時(shí)間超過(guò)4h，應(yīng)重新清理?！?〕確定裝配間隙及定位焊間距施焊過(guò)程中，鋁板受熱膨脹，致使焊縫坡口間隙減少，焊前裝配間隙如果留得太小，焊接過(guò)程中就會(huì)引起兩板的坡口重疊，增加焊后板面不平度和變形量；相反，裝配間隙過(guò)大，則施焊困難，并有燒穿的可能。適宜的定位焊間距能保證所需的定位焊間隙，因此，選擇適宜的裝配間隙及定位焊間距，是減少變形的一項(xiàng)有效措施。根據(jù)經(jīng)歷，不同板厚對(duì)接縫較合理的裝配工藝參數(shù)?！?〕選擇焊接設(shè)備目前市場(chǎng)上焊接產(chǎn)品種類較多，一般情況下宜采用交流鎢極氬弧焊〔即TIG焊〕。它是在氬氣的保護(hù)下，利用鎢電極與工件問(wèn)產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。該焊機(jī)工作時(shí)，由于交流電流的極性是在周期性的變換，在每個(gè)周期里半波為直流正接，半波為直流反接。正接的半波期間鎢極可以發(fā)射足夠的電子而又不致于過(guò)熱，有利于電弧的穩(wěn)定。反接的半波期間工件外表生成的氧化膜很容易被清理掉而獲得外表光亮美觀、成形良好的焊縫?！?〕選擇焊絲一般選用301純鋁焊絲及311鋁硅焊絲?！?〕選取焊接方法和參數(shù)一般以左焊法進(jìn)展，焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上時(shí)，以右焊法進(jìn)展，焊炬和工件成90°角。

焊接壁厚在3mm以上時(shí)，開V形坡口，夾角為60°～70°，間隙不得大于1mm，以多層焊完成。壁厚在1．5mm以下時(shí)，不開坡口，不留間隙，不加填充絲。焊固定管子對(duì)接接頭時(shí)，當(dāng)管徑為200mm，壁厚為6mm時(shí)，應(yīng)采用直徑為3～4mm的鎢極，以220～240A的焊接電流，直徑為4mm的填充焊絲，以1～2層焊完。五、鋁及鋁合金的焊接實(shí)例子:鋁制壓力容器的焊接焊前準(zhǔn)備：〔1〕坡口形式、接頭形式及其尺寸坡口形式、接頭形式及其尺寸取決于鋁焊件厚度、焊接位置、熔滴過(guò)渡形式及焊接工藝。在焊件厚度、焊接位置和焊接工藝一定時(shí)，熔滴過(guò)渡形式是確定坡口形式，焊接工藝參數(shù)的重要條件。鋁儲(chǔ)罐的最大壁厚為8mm〔封頭的壁厚〕，但封頭是一整板經(jīng)沖壓成型無(wú)焊縫，而封頭與筒節(jié)屬于不等厚度對(duì)接。考慮到降低應(yīng)力集中，將封頭直邊削薄與筒體以V形坡口對(duì)接，具體形式見附圖1〔a〕。壁厚為6mm的筒節(jié)之間的環(huán)焊縫也采用了V形坡口對(duì)接，筒體與接收、筒體與補(bǔ)強(qiáng)圈的接頭形式如附圖1〔b〕、〔c〕、〔d〕所示，接收與法蘭采用角接接頭形式，按薄壁厚度3/4取焊角尺寸K。〔2〕焊前清理鋁焊件及焊絲外表的氧化膜及污染物可引起MIG焊過(guò)程中電弧靜特性曲線下移，從而使焊件電流突然上升，焊絲熔化速度增大，電弧拉長(zhǎng)，此時(shí)，電弧的聲音也從原來(lái)有節(jié)奏的嘶嘶聲變?yōu)榇潭暮艚新?。因此，MIG焊前零件及焊絲外表應(yīng)嚴(yán)格清理，其清理的質(zhì)量將直接影響焊接工藝與接頭質(zhì)量，如焊縫氣孔產(chǎn)生的傾向和力學(xué)性能等。焊件與焊絲MIG焊前外表清理，常采用化學(xué)清洗和機(jī)械清理兩種方法。同時(shí)鋁及鋁合金焊絲最好采用經(jīng)特殊外表處理的光滑、光潔、光亮的“三光〞焊絲。〔3〕鋁儲(chǔ)罐的焊接鋁儲(chǔ)罐的焊接主要指筒體之間，筒體與封頭之間的縱、環(huán)縫的焊接，它們均是在轉(zhuǎn)胎上采用焊接操作機(jī)與反面墊板配合進(jìn)展。其弧長(zhǎng)、電流、焊接速度等焊接工藝參數(shù)的選擇關(guān)系到熔池在高溫下存在時(shí)間的長(zhǎng)短，熔池凝固速率的上下及氫的熔入或逸出。增大單位能時(shí)，可增長(zhǎng)熔池在高溫下存在時(shí)間，有利于氫逸出，但也有利于氫熔入。從單項(xiàng)參數(shù)來(lái)說(shuō)，弧長(zhǎng)〔電弧電壓〕不宜太高，焊接速度寧可就低而不就高?！?〕焊后處理焊后留在焊縫及附近的殘存焊劑和焊渣等會(huì)破壞鋁外表的鈍化膜，有時(shí)還會(huì)腐蝕鋁件，應(yīng)清理干凈。本產(chǎn)品采用的焊后清理方案：先在60℃～80℃熱水中用硬毛刷刷洗焊縫及熱影響區(qū)，再在60℃～80℃左右、濃度為2％～3％的鉻酐水溶液中浸洗5min～10min，在用硬毛刷洗刷，然后把工件用熱水洗干凈并用熱空氣吹干?！?〕鋁儲(chǔ)罐的焊后檢驗(yàn)該鋁制容器所有環(huán)縫、縱縫經(jīng)煤油試驗(yàn)及100％射線探傷檢驗(yàn)。力學(xué)性能檢驗(yàn)。凡檢驗(yàn)出超過(guò)規(guī)定的焊接缺陷，都應(yīng)進(jìn)展返修，直到重新探傷合格。焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)與返修的各項(xiàng)規(guī)定可參看JB1580-1988《鋁制焊接容器技術(shù)條件》及HB5375－1987《鋁及鋁合金熔焊質(zhì)量檢驗(yàn)》的有關(guān)內(nèi)容。結(jié)論為保證焊件的焊接質(zhì)量，須選用合理的焊接工藝參數(shù)，本論文首先通過(guò)對(duì)鋁及鋁合金的焊接性能分析和焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。其次，通過(guò)焊前控制，焊接過(guò)程中控制及焊后檢驗(yàn)，保證焊接接頭的質(zhì)量?？傊?，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì),我深刻體會(huì)到要做好一個(gè)完整的事情，需要有系統(tǒng)的思維方式和方法，對(duì)待要解決的問(wèn)題，要耐心、要善于運(yùn)