第7章-常用有色金属的焊接.

第7章常用有色金属的焊接铝及铝合金常用有色金属铜及铜合金钛及钛合金7.1铝及铝合金的焊接知识目标：1.了解铝及铝合金的性能特点和应用；2.熟悉铝及铝合金的焊接性；3.掌握铝及铝合金的焊接工艺。能力目标：能够根据铝及铝合金的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。7.1.1铝及铝合金的分类、成分及性能铝及铝合金的分类变形铝合金铸造铝合金工业纯铝1000系热处理强化铝合金非热处理强化铝合金Al-Mg-Si锻铝4000系或6000系防锈铝3000或5000系硬铝2000系Al-Cu-Mg超硬铝7000系Al-Zn-Mg-Cu新型铝合金Al-Li系合金铝硅系合金铝镁系合金Al-Cu-Mg-Si铝铜系合金铝锌系合金Al-Mn合金Al-Mg合金分类合金名称合金系性能特点牌号示例Al-Mn3A21非热处理强化铝合金防锈铝Al-Mg抗蚀性、压力加工性与焊接性能好，但强度较低5A05硬铝Al-Cu-Mg力学性能高2A11超硬铝Al-Cu-Mg-Zn强度最高7A04Al-Mg-Si-Cu6A02变形铝合金热处理强化铝合金锻铝Al-Cu-Mg-Fe-Ni锻造性能好，耐热性能好2A70铝硅合金Al-Si铸造性能好，不能热处理强化，力学性能较低ZL102Al-Si-MgZL101特殊铝硅合金Al-Si-Cu铸造性能良好，可热处理强化，力学性能较高ZL107铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好，铸造性能与抗蚀性差ZL201铸造铝合金铝镁铸造合金Al-Mg力学性能高，抗蚀性好ZL301表7-1铝合金分类类别合金牌号材料状态抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率(%)断面收缩率(%)布氏硬度HB1A99固溶态450.2=105=50—178A06退火903030—25工业纯铝1035冷作硬化14010012—323A21退火冷作硬化130160501302010705530405A02退火冷作硬化200250100210236——4560防锈铝5A055B05退火27015023——702A11淬火+自然时效退火包铝的，淬火+自然时效包铝的，退火420210380180240110220110181818183558——10045100452A12淬火+自然时效退火包铝的，淬火+自然时效包铝的，退火470210430180330110300100171818183055——1054210542硬铝2A01淬火+自然时效退火30016017060242450—7038锻铝6A02淬火+人工时效淬火退火323.4215.6127.4274.4117.660122224205065956530超硬铝7A04淬火+人工时效退火588254.8539127.41213——150—表7-2常用铝及铝合金的力学性能7.1.2铝及铝合金的焊接性铝及铝合金的焊接性焊缝中的气孔焊接热裂纹焊接接头的“等强性”焊接接头的耐蚀性铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050℃，MgO熔点约为2500℃）,加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。焊接性及适用范围工业纯铝铝锰合金铝镁合金铝铜合金适用厚度/mm焊接方法1070110030033004508350565052545420142024推荐可用说明TIG焊(手工、自动)好好好好很差1~100.9~25填丝或不填丝，厚板需预热。交流电源MIG焊(手工、自动)好好好好差≥8≥4焊丝为电极，厚板需预热和保温。直流反接脉冲MIG焊(手工、自动)好好好好差≥21.6~8适用于薄板焊接气焊好好很差差很差0.5~100.3~25适用于薄板焊接焊条电弧焊尚好尚好很差差很差3~8—直流反接，需预热，操作性差电阻焊(点焊、缝焊)尚好尚好好好尚好0.7~30.1~4需要电流大等离子弧焊好好好好差1~10—焊缝晶粒小，抗气孔性能好电子束焊好好好好尚好3~75≥3焊接质量好，适用于厚件表7-3部分铝及铝合金的相对焊接性焊缝中的气孔产生原因控制措施弧柱气氛中水分的影响氧化膜中水分的影响减少氢的来源控制焊接工艺1.焊缝中的气孔(1)气孔的分布特征1)临近焊缝表层的“皮下气孔”。2)焊缝中部或根部的“密集气孔”。3)熔合区边界的“氧化膜气孔”。图7-1(2)气孔的形成原因1)焊接区内存在氢的来源。2)铝合金中氢的溶解度存在突变。3)铝合金熔池凝固速度快。图7-2氩气中水的体积分数对气孔生成倾向的影响温度/℃溶解度/(mL/100g)扩散速度/(c/s)00．0011．9×11000．0012．9×16000．0254．7×1660(固)0．0351．7×1660(液)0．75—8001．7—表7-4氢在铝中的溶解度和扩散速度(3)气孔的防止措施1)清除材料表面的氧化膜和污染物。2)降低气氛中的水分。图7-3铲根对铝镁合金MIG焊焊缝气孔倾向的影响图7-4相对湿度对焊缝中气孔数量的影响3)控制焊接参数。图7-5MIG焊的焊缝气孔倾向与焊接参数的关系2.热裂纹(1)热裂纹的形成原因如图7-6所示，铝合金焊接裂纹可能出现在焊缝，也可能出现在焊接热影响区，而在焊缝的弧坑处更容易出现。图7-6铝合金的焊接热裂纹a)弧坑裂纹b)焊缝中的热裂纹c)热影响区中的热裂纹焊接热裂纹铝合金属于共晶型合金。从理论上分析，最大裂纹倾向与合金的“最大凝固温度区间”相对应。但是，由平衡状态图得出的结论与实际情况有较大出入。在铝中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素可获得不同性能的合金。特点防止途径铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。通过改变焊丝的成分通过改变焊接参数焊接接头的“等强性”非时效强化铝合金（如Al-Mg合金），在退火状态下焊接时，接头与母材是等强的；在冷作硬化状态下焊接时，接头强度低于母材。表明在冷作状态下焊接时接头有软化现象。时效强化铝合金，无论是退火状态下还是时效状态下焊接，焊后不经热处理，接头强度均低于母材。特别是在时效状态下焊接的硬铝，即使焊后经人工时效处理，接头强度系数也未超过60%。Al-Zn-Mg合金的接头强度与焊后自然时效的时间长短有关系，焊后仅依靠自然时效的时间增长，接头强度即可提高到接近母材的水平，这是Al-Zn-Mg合金值得注意的特点。铝合金焊接时的不等强性表明焊接接头发生了某种程度的软化或性能上的削弱。就焊缝而言，由于是铸态组织，即使在退火状态以及焊缝成分与母材一致的条件下，强度可能差别不大，但焊缝塑性都不如母材。对于熔合区，非时效强化铝合金的主要问题是晶粒粗化而降低塑性；时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，还可能因晶界液化而产生显微裂纹。无论是非时效强化的合金或时效强化的合金，（HAZ）都表现出强化效果的损失，即软化。控制措施改善接头组织成分的不均匀性消除焊接应力采取保护措施焊接接头的耐蚀性影响因素接头组织均匀性、焊缝金属的纯度和致密性也是影响接头耐蚀性的因素。焊接应力也是影响铝合金耐蚀性的敏感因素。7.1.3铝及铝合金的焊接工艺焊接方法焊接材料焊前清理和预热铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类也可采用冷压焊、超声波焊、钎焊等常用的有氩弧焊（TIG、MIG）、等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等焊接工艺要点化学清理机械清理焊前预热铝及铝合金的气焊铝及铝合金的钨极氩弧焊（TIG焊）铝及铝合金的熔化极氩弧焊（MIG焊）1.焊接方法(1)钨极氩弧焊钨极氩弧焊热量比较集中，电弧燃烧稳定，采用交流或直流反接，可用于焊接铝合金，能得到高质量的接头。(2)熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊可焊的铝合金厚度明显加大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。(3)变极性等离子弧焊变极性等离子弧焊技术用于铝合金焊接，明显提高了单道焊接铝合金所能达到的厚度。(4)激光和电子束焊激光和电子束是焊接铝合金较好的热源，焊接变形小，焊接质量高。(5)搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊属于一种新型的固态连接方法，具有高质量、低成本、低变形、易于自动化等特点，克服了熔焊方法易产生气孔、裂纹及接头性能严重降低的问题，使那些曾经被认为是难于焊接的铝合金变得非常容易焊接，而且焊接效率高，对环境无污染，可以焊接所有牌号的铝合金，为大型铝合金结构产品的开发提供了可能。图7-7搅拌摩擦焊接过程示意图2.焊接材料母材10601050A、12005A025A035A055B053A212A112A12焊丝1070AHS3011050AHS3015A025A035A035A05HS3315A055A06HS3315A065B063A21HS3212A11HS311HS311表7-5铝及铝合金焊接用焊丝的选择母材推荐的填加材料要求必要的强度要求必要的塑性要求阳极化处理后颜色的一致性要求抗海水腐蚀性能1100404311001100110022192319231923192319606153565356515440436063535653565356404330035356110011001100505253565356535640485086555653565356518350835183535653565183545453565554555455545456555653565556555670395039535650395039表7-6针对特殊目的而推荐使用的焊接材料与母材的组配3.焊前准备(1)焊前清理铝及铝合金焊接时，为了保证焊接质量，在焊前必须清除焊丝(表面抛光焊丝除外)和母材表面上的油污和氧化膜。(2)施加垫板铝及铝合金在高温时强度很低，焊接时容易下塌。(3)焊前预热厚度超过5～8mm的焊件，焊前需将工件慢慢加热到100～300℃，以防止变形、未焊透，并减少气孔。4.接头设计5.焊接参数板材厚度/mm焊丝直径/mm钨极直径/mm预热温度/℃焊接电流/A氩气流量/(L/min)喷嘴孔径/mm焊接层数(正面/反面)备注11．62—45～607～98正1卷边焊1．51．6～22—50～807～98正1卷边或单面对接22～2．52～3—90～1208～128～12正1V形坡口对接32～33—150～1808～128～12正1V形坡口对接434—180～20010～158～121～2/1V形坡口对接53～44—180～24010～1510～121～2/1V形坡口对接645—240～28016～2014～161～2/1V形坡口对接84～55100260～32016～2014～162/1V形坡口对接104～55100～150280～34016～2014～163～4/1～2V形坡口对接124～55～6150～200300～36018～2216～203～4/1～2V形坡口对接表7-7纯铝和铝镁合金手工钨极氩弧焊的焊接参数7.1.4典型铝合金的焊接1.材质与结构（如图7-8）图7-8纯铝容器结构图1—人孔2—筒身3—管接头4—封头2.焊接工艺要点(1)焊接方法和参数采用手工钨极氩弧焊的方法，所用焊接参数列于表7-8中。(2)焊接材料填充材料采用与母材同牌号的1035焊丝。(3)焊前准备6mm厚板(筒体)不开坡口，装配定位焊后的间隙为2mm。(4)焊后检验所有环缝和纵缝采用煤油进行渗透性检验和100%的X射线探伤。工件厚度/mm焊丝直径/mm钨极直径/mm焊接电流/A喷嘴孔径/mm电弧长度/mm预热温度/℃65～65190142～3不预热866260～270142～3150表7-8纯铝容器手工钨极氩弧焊焊接参数表7-9铝及铝合金TIG焊的常见缺陷及防止措施缺陷产生原因防止措施气孔氩气纯度低，焊丝或母材坡口附近有污物；焊接电流和焊速选择过大或过小；熔池保护欠佳，电弧不稳，电弧过长，钨极伸出过长保证氩气纯度，选择合适气体流量；调整好钨极伸出长度；焊前认真清理，清理后及时焊接；正确选择焊接参数裂纹焊丝成分选择不当；熔化温度偏高；结构设计不合理；高温停留时