船用铝及其合金的焊接

铝合金的焊接

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1.铝合金的分类当前第1页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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。当前第2页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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。当前第3页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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（Mg<5%）合金的MIG和TIG焊。当前第4页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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2.Al合金的物理化学性能当前第5页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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。当前第6页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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3.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。当前第7页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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（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。当前第8页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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（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=KPH2

½产生气孔时几种金属临界氢分压的比较：

Al<Cu<Ni<Fe当前第9页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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。当前第10页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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2）与氢在铝中的溶解度变化有关氢在铝中的溶解度当前第11页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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3）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。当前第12页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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）当前第13页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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）当前第14页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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（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。当前第15页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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2）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。当前第16页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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3）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。当前第17页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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4）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。当前第18页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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5）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。当前第19页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG)当前第20页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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6）环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。

0C以下，湿度不影响气孔的产生；

0C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。当前第21页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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3.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。当前第22页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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铝合金接头中的结晶裂纹当前第23页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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铝合金接头热影响区中的液化裂纹当前第24页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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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。

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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”。当前第26页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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（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；

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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。当前第28页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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b)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。当前第29页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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（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。当前第30页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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2）变质剂的影响Ti、Zr、V、B微量元素作为变质剂，在焊接过程中生成细小难熔质点，作为结晶时的非自发形核核心，细化晶粒，改善塑性，还能显著改善抗裂性能。当前第31页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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3）焊接规范的影响采用热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接，防止形成方向性强的粗大柱状晶，改善抗裂性。采用小电流施焊，减小熔池过热；增大焊速和提高电流都不利于抗裂。因为提高焊速，促使焊接接头的应变速率，增大热裂倾向。当前第32页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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5.铝合金焊接中接头的等强性问题

（1）不可热处理合金（LFAl-Mg）不可热处理铝合金的主要问题是晶粒粗化（焊接热影响区温度超过再结晶温度，一般为200~300C，引起晶粒长大）而降低塑性，表现为接头强度低于母材。当前第33页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头软化与焊接峰值温度的关系当前第34页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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不可热处理铝合金焊接前后强度变化当前第35页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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影响因素

1）热影响区温度峰值越高，软化越明显；2）焊前冷作强化程度越高，焊后失强越明显，而且这种软化无法消除；3）冷却速度对软化影响不大。当前第36页\共有41页\编于星期三\11点铝合金的焊接

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2）热处理强化合金（LD、LY、LC）

热处理铝合金的软化问题主要是“过时效”软化。严重程度取决于第二相的性质，也和热循环特性有一定关系。当前第37页\共有4