船用铝及其合金的焊接

铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity船用铝及其合金的焊接上海交通大学焊接工程技术研究所楼松年教授铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity1.铝合金的分类2.铝合金的物理、化学性能3.铝合金焊接时的气孔4.铝合金焊接时的裂纹5.铝合金焊接时的等强性铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity1.铝合金的分类铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity可热处理合金该类合金是通过加工强化和固溶强化来获得所需要的强度，通常的固溶强化元素有Mg和Mn，主要在1xxx、3xxx、5xxx系列的合金中。不可热处理合金材料的强度和硬度依靠合金成分和热处理（固溶处理和淬火+自然或人工时效处理生成的细小弥散相强化）获得。主要的合金元素主要存在于2xxx、6xxx、7xxx和8xxx系列合金中。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity铸铝和锻铝铸铝合金中的合金元素含量高于锻铝，这样改善了铸铝件的质量，但是对其加工性能则不利。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity常用的铝合金焊丝4043（Al-Si）：用于Al-Si和Al-Mg-Si系（6061、6082等）以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和TIG焊。5356（Al-Mg-Si）：用于Al-Mg系（Mg5%）合金的MIG和TIG焊。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity2.Al合金的物理化学性能铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity线膨胀系数大，比热大，是钢的1倍；比热大，是钢的2倍；密度小；晶型是面心立方，没有同素异构转变，塑性好，无低温脆性转变，但强度比较低。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity3.铝合金焊接过程中形成的气孔铝是活性元素，本身能脱氧，不象钢焊接过程中会形成CO或CO2气孔，所以主要是氢气孔。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity（1）氢的主要来源1）保护气体中的水分；2）焊材和母材表面吸附的水分；3）工件坡口处的氧化膜、油污等。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity（2）产生气孔的原因主要是由铝本身的物理性能造成的。1）产生气孔的临界氢分压最低氢在铝中的固溶度（S）与氢分压PH2有关：S=KPH2½产生气孔时几种金属临界氢分压的比较：AlCuNiFe铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity即在焊接铝、铜、镍和铁时，铝产生气孔时所需的临界氢分压最低，所以容易产生气孔，纯铝的最低，所以纯铝对气氛中的水分最为敏感。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity2）与氢在铝中的溶解度变化有关氢在铝中的溶解度氢在铝合金的凝固点时从0.69突降到0.036ml/100g，相差约20倍，这是产生气孔的重要原因。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity3）铝的导热系数很大，在相同的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度是高强钢的4~7倍，不利于气泡的逸出。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity冷却速度很大时，在凝固点以上溶解度差形成的气孔虽然不多，但来不及逸出，形成粗大孤立的皮下气孔。铝合金焊接中的“皮下气孔”（LF6，TIG）铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity冷却速度较小，在凝固点溶解度发生突变，沿结晶的层状线形成均布形式的“结晶层气孔”。铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔”（Al-Zn-Mg,TIG）铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity（3）焊缝气孔的影响因素1）焊接方法的影响MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡，弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸氢；TIG焊时，主要是熔池金属表面与氢反应，比表面积小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如MIG有利；另外，MIG焊熔池深度大于TIG焊，不利于氢气泡的逸出。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity2）极性的影响TIG焊时，直流反接，具有阴极雾化作用，可以避免氢的产生，但钨极易烧损，形成缺陷；正接时无阴极雾化作用，熔深大，对气泡逸出不利，所以采用交流。MIG焊时，采用直流反接，无阴极雾化作用，也没有钨极烧损。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity3）焊接工艺参数焊接规范主要影响熔池在高温的停留时间，从而对氢的溶入时间和析出时间产生影响。TIG焊时，采用小线能量，采用较大的规范，高的焊速，减少熔池存在时间，减小氢的溶入；MIG焊时，焊丝氧化膜的影响更为显著，不能通过减少熔池时间来防止氢向熔池的溶入，所以通过降低焊速和提高焊接线能量来增大溶池存在时间，有利于减少焊缝中的气孔。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity4）保护气体中的水分和氧化性影响采用高纯Ar或采用Ar+He改变（即提高）热容量，改变溶池形状，使尖“V”型变为圆底型，延长溶池停留时间，有利于气孔逸出；或者采用Ar+0.5~1%O2，Ar+2~5%CO2，增强保护气氛的氧化性，减少氢。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity5）表面状态的影响不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差别。MgO疏松，易吸水，产生气孔倾向大；MnO致密，不易吸水，气孔倾向小。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG)铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity6）环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。0C以下，湿度不影响气孔的产生；0C以上，温度越高，湿度越大，越易对气孔敏感。另外，表面油污也可以导致气孔。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity3.铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金是典型的二元或多元共晶合金，在焊接加热和冷却过程很迅速，合金来不及建立平衡状态，固相和液相之间的扩散来不及进行，先结晶的为高熔点组元，后结晶的为低熔点组元被排挤到焊缝中心，在焊接应力作用下发生开裂，形成焊缝中心结晶裂纹。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity铝合金接头中的结晶裂纹铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity铝合金接头热影响区中的液化裂纹铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity液化裂纹的说明在母材的热影响区中，成分为XC的铝合金在平衡状态下，t1温度下组织为+，t2时中的组元开始向固溶体溶解，t3时全部转化为固溶体。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity液化裂纹的说明在焊接快速加热条件下，在t2来不及溶解，达不到平衡，到t3时仍可能为+两相状态，t4时已超过共晶温度，中的组元还未完全溶入固溶体，则在和两相界面出现共晶液相，这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜形成“液化裂纹”。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity（2）热裂纹的形成原因1）拘束度的影响；2）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状晶之间产生成分偏析，导致容易产生裂纹；3）材料因素的影响：a）铝合金为共晶合金，裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系；铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度(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杂质时，可能出现三元共晶，其熔点比二元更低，结晶温度区间更大，更容易产生热裂纹。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversityb)线膨胀系数大，是钢的1倍，在拘束条件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂纹倾向；c)铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，容易偏析。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity（3）热裂纹的影响因素1）焊缝合金系统的影响控制适量的易熔共晶，缩小结晶温度区间。少量的易熔共晶增大热裂倾向，增大主要合金元素xm，对热裂纹产生愈合作用。焊接Al-Mg合金时采用Mg含量超过3.5~5%的焊丝；LF21（Al-Mn）采用Mg含量超过8%的焊丝；对热裂倾向大的LY合金采用含5%Si的Al-Si焊丝解决抗裂问题。铝合金的焊接上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity2）变质剂的影响Ti、Zr、V、B微