焊接冶金學(xué)及金屬材料焊接-課件模塊十

焊接冶金學(xué)及金屬

材料焊接主編吳金杰（第二版）模塊十

常用有色金屬的焊接課題一

銅及銅合金的焊接課題二

鋁及鋁合金的焊接課題三

鈦及鈦合金的焊接課題一

銅及銅合金的焊接一、銅及銅合金的焊接性

1.焊縫成形能力差銅的導(dǎo)熱性好，焊接時熱量迅速從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，使得焊接熱影響區(qū)加寬，熔焊銅及大多數(shù)銅合金時容易出現(xiàn)難熔合、焊不透和表面成形差的外觀缺陷。在焊件剛度較小時，容易產(chǎn)生較大的變形；在剛度較大時，又會在焊件中造成很大的焊接應(yīng)力，如果焊件厚度越大，散熱就越嚴(yán)重。在焊接銅及其合金的時候，銅在熔化時流動性大，容易導(dǎo)致熔化金屬流失。

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2.焊縫及熱影響區(qū)熱裂傾向大焊縫的熱裂紋傾向是與焊縫雜質(zhì)的影響有關(guān)，還與焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān)。焊縫中的氧對焊縫熱裂紋傾向影響很大。在高溫液態(tài)下銅與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成Cu2O。Cu2O會形成熔點為1064℃的Cu+Cu2O的低熔點共晶。銅及銅合金中的雜質(zhì)Bi和Pb本身的熔點低，在熔池結(jié)晶過程中它們與銅分別生成熔點為270℃的Cu+Bi、熔點為326℃的Cu+Pb低熔點共晶體，分布在枝晶間或晶界處，使銅和銅合金有明顯的熱脆性，在焊接應(yīng)力作用下會產(chǎn)生熱裂紋。

課題一

銅及銅合金的焊接防止熱裂紋的措施有以下幾點（1）嚴(yán)格限制銅中雜質(zhì)(氧、鉍、鉛、硫等)的含量。（2）增強對焊縫的脫氧能力，通過焊絲加入硅、錳、磷等合金元素脫氧。（3）選用能獲得雙相組織的焊材，破壞低熔點共晶薄膜的連續(xù)性，打亂柱狀晶的方向。（4）預(yù)熱、緩冷等措施來減少焊接應(yīng)力，減小根部間隙尺寸，并加大根部焊道尺寸，以防止裂紋的產(chǎn)生。課題一

銅及銅合金的焊接

3.容易形成氣孔(1)氣孔產(chǎn)生的主要原因

1）液態(tài)銅中溶解較多的氫，而凝固時其溶解度大大降低，若焊接時，焊縫冷卻較快，過剩的氫來不及溢出則形成氣孔。

2）焊接高溫下銅與氧生成的氧化亞銅，Cu2O不溶于銅而析出，與氫或CO反應(yīng)生成水蒸氣或CO2也不溶于銅，生成反應(yīng)性氣孔。Cu2O+2H=2Cu+H2O↑Cu2O+CO=2Cu+CO2↑

3）銅的熱導(dǎo)率比鐵大8倍以上，焊縫的冷卻要快得多，氫擴散逸出和H2O的上浮條件更惡劣，形成氣孔的敏感性自然增大。課題一

銅及銅合金的焊接（2）減少和消除銅焊縫中的氣孔措施

1）減少氫和氧的來源和預(yù)熱來延長熔池存在時間，使氣體易于析出；

2）采用含鋁、鈦等強脫氧劑的焊絲（同時也可脫氮脫氫）或在銅合金中加入鋁、錫等元素都會獲得良好的效果。課題一

銅及銅合金的焊接

4.焊接接頭性能下降（1）塑性顯著降低焊縫與熱影響區(qū)晶粒變粗，各種脆性的低熔點共晶出現(xiàn)在晶界，削弱金屬間的結(jié)合力，使接頭塑性和韌性顯著下降。（2）導(dǎo)電性下降銅中任何元素的摻入都會使其導(dǎo)電性下降。因此焊接過程中雜質(zhì)和合金元素的溶入都會不同程度地使銅接頭導(dǎo)電性能變壞。（3）耐蝕性能下降銅合金的耐蝕性能是依靠鋅、錳、鎳、鋁等元素的合金化獲得的。熔焊過程中這些元素的蒸發(fā)和氧化燒損都會不同程度地使接頭耐蝕性下降。課題一

銅及銅合金的焊接二、銅及銅合金的焊接工藝及工藝要點

（一）工藝要點

1.焊前準(zhǔn)備和焊后清理銅及其合金焊接的焊前準(zhǔn)備和焊后清理與鋁及其合金焊接時相似，如對工件和焊絲在焊前的清理，焊接過程中需要加強對熔池的保護及預(yù)熱等。

2.焊接方法選擇通常氣焊、碳弧焊、焊條電弧焊和鎢極氬弧焊多用于厚度小于6mm的工件，而熔化極氬弧焊及埋弧焊則用于更大厚度工件的焊接。

課題一

銅及銅合金的焊接

3.背面加墊板由于純銅的密度大，熔化后銅液流動很快，極易燒穿及形成焊瘤。為了防止銅液從焊縫背面流失，保證反面成形良好，在焊接時需加(銅、石墨、石棉等)墊板。

4.預(yù)熱由于銅的導(dǎo)熱性很強，焊接時通常預(yù)熱溫度也較高，一般在300℃以上。焊接銅時盡量少用搭接、角接及T形等。課題一

銅及銅合金的焊接（二）氣焊工藝氣焊純銅時，可選用純銅絲HS201、HS202或母材切條作為填充焊絲，熔劑選用“CJ301”?；鹧娌捎弥行匝?，為了保證熔透，宜選用比較大的火焰能率，焊接時需要進行預(yù)熱，對中小件，預(yù)熱溫度取400～500℃；厚大件預(yù)熱溫度取600～700℃。為防止接頭晶粒粗大，焊后對焊件應(yīng)進行局部或整體退火處理。用氧乙炔火焰加熱到550～650℃，然后放在水中急冷。

課題一

銅及銅合金的焊接黃銅氣焊時填充金屬可選用1號黃銅絲HS221、2號黃銅絲HS222或4號黃銅絲HS224。熔劑可采用硼砂20%+硼酸80%，或硼酸甲脂75%+甲醇25%配方自制。氣焊火焰采用輕微的氧化焰，以使熔池表面形成一層氧化鋅薄膜，由這層薄膜阻止鋅的進一步蒸發(fā)和氧化。焊接薄板時一般不預(yù)熱；板厚大于5mm時，預(yù)熱溫度為400～500℃；板厚大于15mm時，預(yù)熱溫度為550℃。為防止應(yīng)力腐蝕，焊后須進行270～560℃的退火處理，以消除焊接應(yīng)力。課題一

銅及銅合金的焊接（三）氬弧焊工藝

1.鎢極氬弧焊

TIG焊純銅可采用純銅焊絲(HS201)，接頭不要求導(dǎo)電性能時也可選用青銅焊絲(HS211)。黃銅常用焊絲牌號為4號黃銅絲(HS224)，但考慮氬弧焊電弧溫度高，黃銅焊絲在焊接過程中鋅的蒸發(fā)量大，煙霧多，且鋅蒸汽有毒，故也可用無鋅的青銅焊絲，如“HS211”焊絲。純銅、黃銅手工鎢極氬弧焊工藝參數(shù)見表10-1（見教材）。課題一

銅及銅合金的焊接

2.熔化極氬弧焊由于熔化極氬弧焊的電弧功率大，焊接熱影響區(qū)小，預(yù)熱溫度較低且接頭質(zhì)量及焊接生產(chǎn)率高，因此，國內(nèi)已應(yīng)用于純銅的厚板件焊接中。熔化極氬弧焊焊接純銅時，為了更有效地防止氣孔，最好選用含有脫氧劑鋁、鈦的焊絲，一般選用“HS201”焊絲。課題一

銅及銅合金的焊接（四）埋弧焊工藝采用埋弧焊焊接純銅時，由于熔化金屬與外界隔離，并且焊接電流較大，可獲得較大的熔深，焊件變形小，接頭質(zhì)量好，焊接生產(chǎn)率高，還可在一定程度上降低預(yù)熱溫度。因此，埋弧焊用于純銅焊接有一定的優(yōu)越性，特別適用于中厚度工件規(guī)則的長焊縫的焊接。銅及銅合金埋弧焊工藝參數(shù)見表10-2（見教材）。

課題一

銅及銅合金的焊接（五）焊條電弧焊

焊純銅時采用的焊條有T107、T207兩種。一般交直流焊機都可用來焊接純銅，但采用直流焊機時必須采用反極性接法。焊接電流應(yīng)根據(jù)焊件厚度、焊件外形尺寸、焊條直徑和預(yù)熱溫度選擇，隨預(yù)熱溫度的提高，焊接電流應(yīng)相應(yīng)減小。三、焊接實例（見教材）課題一

銅及銅合金的焊接一、鋁及鋁合金的焊接性

1.容易被氧化焊前必須將焊件、焊絲表面的氧化膜用化學(xué)或機械的方法清除干凈，并有效防止焊接熔池、熔滴不被繼續(xù)氧化。

2.熱導(dǎo)率和比熱容大為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，必要時可采用預(yù)熱等工藝措施。

3.容易形成熱裂紋（1）熱裂紋產(chǎn)生的原因低熔點共晶和鋁合金的線脹系數(shù)大，在拘束條件下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，這也是促使鋁合金產(chǎn)生裂紋的原因之一?；啬夸浾n題二

鋁及鋁合金的焊接（2）影響焊接熱裂紋的因素母材的合金系統(tǒng)及其具體成分，對焊接熱裂紋的產(chǎn)生有根本性的影響。在鋁及鋁合金中，純鋁的裂紋傾向最低，加銅的合金裂紋傾向最大，添加鎂、鋅、硅等合金元素對裂紋也有不同程度的影響。因此，對于硬鋁(Al-Cu-Mg)合金和超硬鋁(Al-Zn-Mg-Cu)合金，目前還很難采用熔焊方法得到?jīng)]有裂紋的優(yōu)質(zhì)接頭，所以一般不希望用熔焊的方法制造這類合金的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。課題二

鋁及鋁合金的焊接（3）防止焊接熱裂紋的途徑

1）選擇適當(dāng)?shù)奶畛浣饘?/p>

調(diào)整焊縫的化學(xué)成分焊縫的成分取決于焊絲和母材兩個方面，因此，對于特定的鋁合金，正確的選擇焊絲是防止熱裂紋的關(guān)鍵。

2）合理選擇焊接方法及焊接參數(shù)熱能集中的焊接方法，加熱、冷卻的速度快，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，使晶粒細化，因而可以改善抗裂性。所以采用TIG或MIG焊接時的裂紋傾向比氣焊要小得多。焊接電流增大，會使熔池過熱，同時增大熔合比，使抗裂能力較差的母材過多的進入焊縫，從而降低焊縫的抗裂性。焊接速度加快，會增加焊接接頭的應(yīng)變率，也會增加裂紋的傾向。因此，焊接裂紋傾向較大的鋁合金時，不易采用大焊接電流和較快的焊接速度。

3）選用拘束度較小的結(jié)構(gòu)形式課題二

鋁及鋁合金的焊接二、鋁及鋁合金的焊接工藝及工藝要點（一）焊接工藝要點

1.焊接材料的選擇鋁及鋁合金的焊接材料包括鋁焊絲、鋁氣焊熔劑以及鋁焊條等。（1）鋁焊絲鋁焊絲通常有以下幾類：

1)專用焊絲用于焊接與其成分相同或相近的母材，可根據(jù)母材成分選用。若無現(xiàn)成焊絲，也可從母材上切下窄條作為填充金屬。

2)通用焊絲是含硅量wSi=5%的Al-Si焊絲，通常用于除Al-Mg合金以外的各種鋁合金。焊縫金屬的流動性好且具有較高的抗裂紋能力。

課題二

鋁及鋁合金的焊接

3)特種焊絲是為焊接各種硬鋁、超硬鋁而專門冶煉的焊絲。這類焊絲的成分與母材相近，與通用焊絲相比，焊縫金屬既有良好的抗裂性，又有較高的強度和塑性。常用鋁及鋁合金焊絲型號及牌號見表10-3（見教材）。（2）氣焊熔劑

氣焊熔劑的主要作用是去除焊接時的氧化膜及其它雜質(zhì)，改善熔池金屬的流動性。鋁及鋁合金氣焊熔劑的牌號、成分和使用要求見表10-4（見教材）。

（3）鋁焊條鋁及鋁合金焊接用焊條上藥皮涂料主要由氯化物和氟化物組成。藥皮的作用除造渣和保護熔池外，還可以清除氧化膜和穩(wěn)定電弧燃燒。施焊時，一般采用直流反接法。鋁及鋁合金焊條的牌號及應(yīng)用見表10-5（見教材）。課題二

鋁及鋁合金的焊接

2.焊接方法的選擇表10-6（見教材）列出了鋁及鋁合金常用焊接方法的特點及適用范圍，在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇其中最合適的一種方法。

3.焊前準(zhǔn)備及焊后清理（1）焊前準(zhǔn)備鋁及鋁合金焊前準(zhǔn)備包括焊前清理、設(shè)置墊板和預(yù)熱。

1）焊前清理去除坡口表面的油污和氧化膜等污物。氧化膜清除后，通常應(yīng)在2h之內(nèi)焊接，否則會有新的氧化膜生成。氬弧焊時可在24h之內(nèi)焊接，因為新生成的氧化膜極薄，可利用氬弧焊的“陰極清理”作用將其清除。課題二

鋁及鋁合金的焊接

2）設(shè)置墊板墊板由銅或不銹鋼板制成，用以控制焊縫根部形狀和余高量。墊板表面開有圓弧形或方形槽，墊板及槽口尺寸如圖所示。墊板及槽口尺寸a)方形槽b)圓弧形槽課題二

鋁及鋁合金的焊接

3）預(yù)熱

由于鋁的導(dǎo)熱性好，為了防止焊縫區(qū)熱量的大量流失，焊前應(yīng)對焊件進行預(yù)熱。薄并且小的鋁件可不預(yù)熱；厚度超過5～8mm的鋁件焊前應(yīng)預(yù)熱至150～300℃；多層焊時，注意控制層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

（2）焊后清理

焊后殘留在焊縫及附近表面的熔劑及焊渣，在空氣、水分的參與下會激烈地腐蝕鋁件，因此必須及時清理。一般的清理的方法可將焊件在10%的硝酸溶液中清洗。處理溫度15～20℃，時間為10～20min；若溫度為60～65℃，時間為5～15min。浸洗后用冷水再沖洗一次然后用熱空氣吹干或在100℃干燥箱內(nèi)烘干。課題二

鋁及鋁合金的焊接（二）焊接工藝

1.鎢極氬弧焊

1）接頭形式鋁及鋁合金手工鎢極氬弧焊的接頭形式可見表10-7（見教材）。

2）焊接電源及焊接工藝參數(shù)常用交流鎢極氬弧焊工藝參數(shù)見表10-8（見教材）

2、熔化極氬弧焊(MIG焊)

1）特點及應(yīng)用中等厚度、大厚度鋁及鋁合金廣泛應(yīng)用自動和半自動熔化極氬弧焊。效率較鎢極氬弧焊顯著提高，且隨板厚增加，這種效果更加突出。自動熔化極氬弧焊適用于較規(guī)則的縱縫，環(huán)縫及水平位置的焊接；半自動熔化極氬弧焊大多用于定位焊、短焊縫、斷續(xù)焊縫以及鋁容器中封頭、人孔接管、加強圈等各種內(nèi)件的焊接課題二

鋁及鋁合金的焊接

2）焊接參數(shù)

表10-9（見教材）和表10-10（見教材）列出了鋁及鋁合金的半自動和自動熔化極氬弧焊焊接參數(shù)。自動鎢極氬弧焊焊接參數(shù)與半自動熔化極氬弧焊相似，鋁及鋁合金熔化極氬弧焊，目前都采用直流電源反極性，幾乎不用直流正極性或交流。采用噴射過渡熔化極氬弧焊，電弧熱量集中，焊接熔深大，故焊中厚鋁板時可不進行預(yù)熱。但當(dāng)板厚大于25mm或環(huán)境溫度低于-10℃時，應(yīng)預(yù)熱100℃，以保證開始焊接時能熔透。

3.氣焊鋁及鋁合金氣焊接工藝參數(shù)見表10-11。三、焊接實例（一）5A06鋁鎂合金與ZL101A鑄鋁合金材料的焊接（見教材）。（二）鋁合金焊接生產(chǎn)應(yīng)用實例（見教材）課題二

鋁及鋁合金的焊接【對鈦的認識】

鈦是一種活性金屬，常溫下能與氧生成致密的氧化膜而保持高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。540℃以上生成的氧化膜則不致密。鈦具有高塑性，高純鈦的延伸率可達50%～60%，斷面收縮率可達70%～80%，但強度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦中雜質(zhì)的存在，對其機械性能影響極大，特別是間隙雜質(zhì)（氧、氮、碳）可大大提高鈦的強度，顯著降低其塑性。鈦作為結(jié)構(gòu)材料所具有的良好機械性能，就是通過嚴(yán)格控制其中適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量和添加合金元素而達到的。

回目錄課題三鈦及鈦合金的焊接一、鈦及鈦合金焊接性

1.能夠快速吸氣

高溫下鈦與氧、氮、氫反應(yīng)速度較快，鈦在300℃以上快速吸氫，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。因此，在焊接鈦及鈦合金時，對于剛凝固的焊縫金屬和高溫近縫區(qū)，不管是正面還是背面，如果不能受到有效保護，必將引起塑性下降。液態(tài)的熔池和熔滴金屬若得不到有效保護，則更容易受空氣等雜質(zhì)污染，脆化程度更嚴(yán)重。課題三鈦及鈦合金的焊接

2.焊接接頭組織和性能的變化除上面由雜質(zhì)污染接頭導(dǎo)致脆化外，焊接接頭還會因焊接相變引起性能的變化。對于α-鈦合金，其焊接性良好。用鎢極氬弧焊填加同質(zhì)焊絲或不填焊絲，在保護良好的條件下焊接接頭強度系數(shù)接近100%，接頭塑性稍差。

3.容易形成氣孔氣孔是焊接鈦及鈦合金最常見的焊接缺陷。氣孔不僅易造成應(yīng)力集中，而且氣孔邊緣的金屬含氫量高、塑性低，使焊接接頭的塑性和疲勞壽命降低，嚴(yán)重的還能導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞。課題三鈦及鈦合金的焊接（1）氣孔的產(chǎn)生主要與以下因素有關(guān)

1）氬氣的純度氬氣中雜質(zhì)氣體有O2、H2、N2、H2O等，當(dāng)這些氣體的含量較高時，都會增加焊縫氣孔的數(shù)量。其中，N2對氣孔的影響較弱。

2）鈦板及焊絲表面狀態(tài)鈦板及焊絲表面常受到外部雜質(zhì)（如水分、油脂、氧化物、含碳物質(zhì)、塵埃、砂粒、磨料質(zhì)點、有機纖維、臟指印及吸附的氣體）的污染。

3）焊接工藝

氫是焊接鈦及鈦合金時形成氣孔的主要氣體，當(dāng)焊縫中含氫量增加時，氣孔數(shù)量明顯增加。研究表明課題三鈦及鈦合金的焊接

熔池的存在時間對氫氣孔的形成起著重要作用。當(dāng)熔池存在時間很短時，氫的擴散過程不充分，即使有氣泡核存在也來不及形成氣泡；當(dāng)熔池存在時間逐漸增加時，有利于氫氣泡核擴散及宏觀氣泡的形成，所以焊縫中的氣孔不斷增多；當(dāng)熔池存在時間再進一步增長時，由于有利于氣泡的逸出，所以此時的氣孔是逐漸減少的。課題三鈦及鈦合金的焊接（2）常用的減少氣孔的措施