铸铝焊接工艺 毕业设计.doc

摘 要铝合金具有密度小，耐腐蚀性高，比强度高，导电导热性好等优点，成为工业生产中最常用的有色金属之一。tig焊作为最常见的铝合金焊接方法具有焊接接头质量高，可进行全位置焊接等优点，但是由于钨极载流能力有限，电弧热分散，单道焊接熔深浅，熔覆率低，焊接生产率低，限制了它的应用。本课题主要的研究研究铸造铝合金的类型、特性及焊接特点，掌握了铸铝焊接时容易出现气孔、裂纹等问题，在焊接过程中要在焊接材料、焊接过程、焊接操作等方面进行严格控制。研究在实际生产中已广泛应用的铸铝焊接技术的原理及工艺特点，如焊条电弧焊、钨极氩弧焊以及熔化极氩弧焊。同时探讨了近几年来在国内外出现的铝焊新技术的基本原理及特点，通过研究，掌握每种焊接方法的工艺特点、适用场合等，其中在我国具有较好应用前景的是熔化极脉冲氩弧焊、搅拌摩擦焊等。关键词：铝合金；氩弧焊；焊接工艺42abstractaluminum alloys have been intensively applied as one of the ferrous metals in industrial production，due to advantages of low density，corrosion proof，high specific intensity and heat and electrical conductivity. tig welding used as the common welding process for aluminum alloys has many advantages，including high welding quality and all position welding and so on. normally，it is used to weld thin plate owing to poor penetration and low deposition coefficient in one weld，because that the tungsten electrode has the restricted carrying capacity and arc heat have dispersive radiation .so its application is limited.the main studies and the classifications ,properties and weld ability of casting aluminum alloy systematically , mastered the problems when welded, such as porous、crack etc. during welding ,we must control material ,process strictly. have studied the principle and characteristics of the common welding technologies ,such as electrode-arc welding etc.；however ,some advanced technologies are introduced sketchy , .each technology has different characteristic and practical occasion .by analyzed ,pc-mig welding and fsw have good practical prospectskey word: aluminum alloy;argon arc;weldding process 朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典目录摘 要iabstractii1 绪论11.1 前言11.2 焊接简介21.2.1 熔焊21.2.2 压力焊41.2.3 钎焊51.3 铸铝焊接51.3.1 铝合金焊接性51.3.2 铝合金、铸铝的焊接应用61.4 铸铝合金tig焊特点及应用71.4.1 铝合金tig焊原理71.4.2 tig焊对铝合金焊接的特点81.4.3 铸铝所选择的氩弧焊电流种类及极性选择81.4.4 tig焊技术及其应用于铝合金141.5 本课题研究的工作、背景及意义152 实验材料与实验方法162.1 实验材料162.1.1 母材162.1.2 焊丝162.1.3 焊接材料172.2 焊接设备192.2.1 tig焊对焊接电源的要求192.3 焊接工艺212.3.1焊接接头设计212.3.2 焊接清理212.3.3 焊接参数222.4 焊接操作232.5 金相实验243 铸造铝合金tig焊接头组织观察分析273.1 焊接接头宏观形貌273.2 焊接接头微观形貌274 结 论30参考文献31致 谢32附录a33附录b371 绪论1.1 前言焊接技术是材料领域的主要加工工艺之一，已广泛应用在航天、航空、能源、交通、化工、武器、机械。电子、医药以及各种金属结构等工业部门。随着科学技术的不断发展和各种新材料的不断出现，焊接技术在我国科学事业、经济建设和国防建设上将起到越来越重要的作用。随着我国在民船上层建筑、船舶结构，豪华游艇及特殊船上越来越广泛地使用铝合金，我国焊接工作者也开展了大量的铝合金焊接研究。在基础理论研究方面，目前开展了：铝合金焊接结构及接头抗疲劳性能的研究，以提高模拟结构件的设计和制造质量；铝合金残余应力的降低和释放；热循环对lf6铝合金焊接接头断裂机理的影响；厚板高强铝合金的焊接工艺研究；制定铝合金焊接工艺方案的专家系统等。在新工艺研究方面，目前开展了：甘肃工业大学樊丁等人的a-tig焊；北京工业大学马德等人对数字化脉冲mig焊铝的一脉一滴熔滴过渡特点，总结出了铝的一脉一滴脉冲参数选择规律；上海交通大学焊接研究所探讨了工艺参数对焊缝成型的影响规律及激光与电弧的复合作用，并取得一定研究成果；co2-激光焊接船用铝合金t型材的焊缝成形控制等。在焊接技术研究方面也在突飞猛进的发展，表现为：基于对传统焊接技术的改进和创新而出现的新型铝合金焊接技术，如低频调制脉冲mig焊、交流tig焊、双面双弧tig焊、穿孔型等离子立焊等；高能密度焊接技术在铝合金焊接领域的的进一步推广应用，如电子束焊、yag激光焊等；搅拌摩擦焊在铝合金焊接领域的出现。在应用方面，激光焊技术已用于汽车制造业，双丝mig焊已用于压力容器、机车制造中，北京赛福斯特公司已与英国twi成合作开发了搅拌摩擦焊焊接设备，并成功用于船上建铝合金带筋板的焊接等。在国外，铝合金焊接的研究相对比较成熟，率先研发出了铝焊新技术，如a-tig焊技术、双面双弧tig焊工艺、脉冲mig焊（pmig）、双脉冲mig焊（dpmig）、双丝mig焊、搅拌摩擦焊等新工艺，对与之相配套的基本原理、设备设计、工艺特点等各方面也在不断深入研究，应用研究也日渐成熟，形成规模化生产，在石油化工、交通运输、船舶制造等相关领域中得到较好的推广应用，如挪威船舶铝业公司（一家专业生产和焊接高速渡船、大型铝结构的公司）首次将摩擦搅拌焊用于生产，该公司制作了世界上第一台搅拌摩擦焊的商业设备，可焊接厚315mm、尺寸616的铝合金。研究开发兼具高力学性能和工艺性能的新型铸造铝合金，如美国正在研究利用快速凝固的微晶合金，由于具有极细的显微结构，不仅强度和疲劳强度好，而且还具有良好的韧性，其工艺性能也较好。1.2 焊接简介按照焊接过程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。铝及铝合金对各种焊接方法的适应性，几乎各种焊接方法均可用于焊接铝及铝合金，但是，铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自应用场合。各种焊接方法的特点可简述如下：1.2.1 熔焊1、氧燃气火焰气焊 此法热效率低，焊接热输入不集中，焊接时需要采用焊剂，焊接后需清除焊剂残渣，接头质量及性能不高，因此，不适合焊接铝特别是热处理强化铝合金，此法应用较少，但因设备简单、无需电源及氩气，使用方便。因此，有时应用于焊接质量要求不高的铝焊件或补焊。 2、碳极电弧焊 此法以碳棒或石墨棒作电极，在电极与焊件间产生电弧，焊接热输入比氧燃气火焰气焊较为集中，但仍需采用焊剂，焊后仍需清除焊剂残渣，此法不合适焊铝，应用较少，但设备简单，使用方便，有时仍用于物理条件差的地方。 3、药皮焊条电弧焊此法焊接热输入较为集中，但需药皮焊条、药皮易潮湿、焊后仍需清除残余焊渣。此法也不适合焊铝，但有时可用于补焊铝合金铸件。 4、钨极气体保护电弧焊钨极气体保护电弧焊是应用最为广泛的铝及铝合金熔焊方法之一。此法在近代发展很快，已不断深化和完善。5、钨极交流氩弧焊此法电弧稳定，熔池保护好，电弧有阴极清理作用，能在焊接过程中清除氧化膜，无需配用焊剂，无需焊后清除熔渣，可焊接薄件，焊接质量及接头性能好。但此法深熔能力弱，零件坡口单层焊时，需要坡口实施多层焊、生产效率低。6、钨极直流氦弧焊此法采用氦气保护和直流正接，电弧无阴极清洗作用，但氦弧发热及母材受热大，可短弧熔深，可焊接厚件、焊接效率高、母材热影响轻微，零件不开坡口实施单层焊时，其适焊厚度达12mm；零件不开坡口实施双面焊时，其适焊厚度可达20mm；即开破口，坡口亦可明显减小。此法特别适合焊接厚件及对热敏感的热处理强化铝合金结构。7、钨极脉冲氩弧焊此法焊接电流基值电流和脉冲电流组合而成，焊接薄件时，电弧更为稳定，可调参数增多，便于焊接热循环的调节与控制，零件视焊厚度范围增大，焊接变形减小，母材热影响区变变窄，它特别适合薄型零件焊接、全位置焊接、对热敏感的热处理强化铝合金的焊接。按其频率高低，此法又可分为低频脉冲钨极氩弧焊、高频脉冲钨极氩弧焊，后者的电弧挺度大、热输入集中、电弧熔透能力强，熔深不随电弧长度变化而变化，但是，后者电弧伴随有尖锐的噪声，可能影响操作工人情绪。8、熔化极惰性气体保护电弧焊熔化极惰性气体保护电弧焊也是应用最为广泛的铝及铝合金熔焊的方法之一。此法在近代发展也很快、已不断深化和完善。9、熔化极氩弧焊采用直流反接，电弧有阴极清理作用，可使用比钨极氩弧焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，生产效率比手工钨极氩弧焊挺高23。零件不开坡口时，对接焊零件厚度范围为26mm，零件开剖口时，零件适焊厚度可达5060mm。由于熔化极氩弧焊属熔滴过度过程，不如钨极氩弧焊过程那样安宁和稳定，其焊缝金属生成的气孔敏感高。 10、等离子弧焊 paw 等离子弧广泛应用于焊接、喷涂和堆焊。能够焊接更细、更薄（如 1mm以下极薄金属的焊接）的工件，适合用于焊接厚壁零件及对敏感的热处理强化铝合金结构及缺陷补焊。 11、激光焊 law 激光焊可以焊接各种金属材料和非金属材料如碳钢、硅钢、铝和钛等金属及其合金、钨、钼等难熔金属及异种金属以及陶瓷、玻璃和塑料等。特别适于焊接微型、精密、排列非常密集、对热敏感性强的工件，适于焊接厚度小于0.5mm的薄板、直径小于0.6mm的金属丝。但是，铝合金对激光的反射率高，焊接时需大功率激光器，或需在铝材表面上施加特殊的表面材料，以减小反射率，提高吸收率。目前，铝及铝合金激光焊技术正在研究发展中。 12、电子束焊 ebw 电子束焊设备复杂，价格贵，使用维护要求高；焊件装配要求高，尺寸受真空室大小限制；需防护x射线。电子束焊可以用来焊接绝大多数金属及合金以及要求变形小、质量高的工件等。目前电子束焊已广泛应用于精密仪器、仪表和电子工业等。1.2.2 压力焊1、电阻焊 电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊和对焊。 电阻对焊是一种对电阻加热至高温塑性状态下的零件加压顶锻而实现其连接的固态焊接方法。由于铝材电导率高，且氧化膜在对焊过程中不易去除，铝材电阻对焊应用较少，但电阻加热闪光对焊方法可使铝材对接表层熔化、挤出并随即铝材发生高温塑性变形而实现锻焊连接，此法特别适合于焊接厚大截面的铝合金材、板材、型材，但需要大功率焊接电源。 2、超声焊 这是一种利用超生的机械振动能量转变为零件间的摩擦功、形变能及有限的升温而实现连接的固态焊接方法，特别适合于焊接由高热导率及电导率的铝及铝合金制成的小型器材。3、扩散焊 这是一种通过加热和加压使两铝材相互接触，通过微观塑性变形或通过界面产生微量液面相而扩大接触，再经长时原子相互扩散而实现冶金结合的焊接方法。在预先以完善的表面清理方面彻底清除铝材表面氧化膜的基础上，使焊接过程再生的氧化膜破碎，以复合形态被挤出接头外。目前铝材扩散焊技术仍在研究中。1.2.3 钎焊1、火焰钎焊 火焰钎焊适于碳素钢、铸铁以及铜及其合金等材料的钎焊。氧乙炔焰是常用的火焰。燃气种类很多，对铝及铝合金来说，可供选择的适用燃气有乙炔、天然气、氢气。铝及铝合金火焰钎焊时必须配用钎剂，钎焊后一般需要清理钎剂残渣，由于铝及铝合金加热过程中无颜色变化，手工火焰钎焊时不易钎焊的加热温度，操作技术难度大。 2、空气炉中钎焊 空气炉中钎焊铝合金时必须配用钎剂，用腐蚀性钎剂钎焊后需清除焊剂残渣。 3、气保护炉中钎焊 气保护炉中钎焊焊接铝及铝合金时，如采用惰性气氛保护，则钎焊前需对连接表面进行彻底清洗，炉内气氛先需置换然后持续通吹，制造成本高；如采用氮气保护，即需采用无腐蚀性钎剂。此法较为适合。4、刮擦钎焊这是一种无需配用钎剂的软焊铝及铝合金组件的方法，刮擦钎焊时，钎料在加热的组件表面刮擦、熔化，即完成软钎焊过程。此法限于手工操作，一般用于小型的简单组件的钎焊。1.3 铸铝焊接铸铝合金又称为硅铝明，一般si的质量分数为4%22%。该系合金由于加入了大量的si而具有优良的铸造性能，即流动性好、收缩小、热裂倾向小。此外气密性好，经过变质处理和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能和加工性能，也有较好的耐蚀性，是铸造铝合金中品种最多、使用量最大的一类。1.3.1 铝合金焊接性 铝及铝合金焊接时具有以下特性： 1、铝的还原能力 铝和氧的化学结合力很强，常温下表面就能被氧化而生成一层厚度为0.10.2m的al2o3薄膜，al2o3的熔点高达2050，远远超过铝及铝合金的熔点（660），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，al2o3薄膜会阻碍熔化金属之间良好结合，形成夹渣，并且还会吸附水分，在焊缝中产生气孔。 2、较大的热导率和比热容 铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量热量被迅速传导到基体金属内部，因此消耗更多的热量。 3、热裂倾向大 铝及铝合金的线胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%。因此，焊接时具有一定的热裂倾向。 4、容易形成气孔 氮不溶于液态铝，铝也不含碳。因此，焊接铝及铝合金时在焊缝中不会产生n气孔和co气孔，只可能产生氢气孔。 氢在液态铝中的溶解度为0.7ml/100g，而在660凝固温度时，氢的溶解度突然降至0.04ml/100g，使原来溶于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝和铝合金的的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及退出而留在焊缝中成为气孔。 5、接头不等强度 铝及铝合金的热影响区由于受焊接热循环作用而发生软化，强度降低，使接头与母材金属无法达到等强度。工业纯铝及非热处理强化铝合金的强度约为母材金属的75%100%；热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材金属的40%50%。6、 焊穿 铝及铝合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材金属温度，施焊时常会因温度过高无法察觉而导至烧穿。1.3.2铝合金、铸铝的焊接应用 铝合金是工业中应用中最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械等工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。纯铝的密度小，大约是铁的三分之一，熔点低（660），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的其强度很低，退火状态较低，故不宜做结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加如合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能有较高的强度，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、运力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压力机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。1.4 铸铝合金tig焊特点及应用1.4.1 铝合金tig焊原理实验用的焊接铸铝用的是钨极氩弧焊，它是用钨棒作为电极加上氩气进行保护的焊接方法，其方法构成如图1.1所示。焊接时氩气从焊枪的喷咀中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔深及邻近热影响区的有害影响，从而获得优质的焊缝。焊接过程根据工件的具体要求可以加或者不加填充焊丝。图1.1 钨极惰性气体保护焊示意图1-喷嘴 2-钨极 3-电弧 4-焊缝 5-工件 6-熔池 7-填充焊丝 8-惰性气体1.4.2 tig焊对铝合金焊接的特点1)氩气具有极好的保护作用，能有效地隔绝周围空气，焊接时无需使用焊条或溶剂和焊剂，焊后无需清除残余溶剂或焊渣。因为氩气可良好地保护电弧、熔池及母材热影响区而不受氧化，氩气本身不与铝发生物理化学反应。2)钨极电弧非常稳定，即使在很小的电流情况下(10a)仍可稳定燃烧，特别适合于薄板铝合金材料焊接；3)热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整，所以这种焊接方法可进行全位置焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法；4)由于填充焊丝不通过电流，故不会产生飞溅，焊缝成形美观；5)交流氩弧在焊接过程中能够自动清除铸铝合金工件表面的氧化膜作用。6)钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而引起夹钨；7)采用的氩气较贵，熔敷率低，且氩弧焊机又较复杂，和其他焊接方法(如焊条电弧焊、埋弧焊、co2气体保护焊)比较，生产成本较高；8)氩弧受周围气流影响较大，不适宜室外工作。1.4.3 铸铝所选择的氩弧焊电流种类及极性选择 不同的金属材料，在进行钨极氩弧焊时要求不同的电流种类和极性。铝、镁及其合金一般选用交流，而其他的金属焊接均采用直流正接(1)交流钨极氩弧焊 交流电流的极性是在周期性地变换，相当于在每个周期里半波为直流正接，半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而不致于过热，有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。这样，同时兼顾了阴极清理作用和钨极烧损少、电弧稳定性好的效果，对于活泼性强的铝、镁、铝青铜等金属及其合金一般都选用交流氩弧焊。上述几种氩弧焊的特点如表1.1所示。表1.1 各种电流钨极惰性气体保护焊的特点电流种类直流交流正接反接正弦波矩形波示意图电流波形两极热量比例(近似)工件70%钨极30%工件30%钨极70%工件50%钨极50%通过占空比可调熔深特点深、窄浅、宽中等较深钨极许用电流最大 例如3.2mm，400a小 例如6.4mm，120a较大 例如3.2mm，225a大 例如3.2mm，325a阴极清理作用无有有(工件为负的半周时)有电弧稳定性很稳不稳很不稳稳直流分量无无有无交流氩弧焊较直流氩弧焊复杂，主要表现在以下几个方面：1)阴极清理作用 当采用交流氩弧焊时，有显着的阴极清理作用。当工件为负极时，表面生成的氧化膜逸出功小，易发射电子，所以阴极斑点总是优先在氧化膜处形成。工件为冷阴极材料时，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点能量密度相当高，远远高于阳极。正离子在阴极电场作用下高速撞击氧化膜，使得氧化膜破碎、分解而被清理掉，接着阴极斑点有在邻近的氧化膜上发射电子，继而又被清理，阴极斑点始终在金属表面的氧化膜上游动，被清理的氧化膜面积也不断地扩大，直到在氩气所能保护的范围内。清理作用的强弱与阴极区的能量密度和正离子质量有关，能量密度越高，离子质量越大清理效果越好。正接时，工件转为阳极，不存在清除氧化膜的功能。2)直流分量 交流钨极氩弧焊时电压和电流的波形如图所示。正半波时，钨极为负极，因其熔点和沸点高，且导热差，直径小，则钨极具有很高温度使得热电子发射容易，所以电弧电压低，焊接电流大，导电时间长；负半波时，工件为负极，其熔点和沸点低，且尺寸大，散热快，电子发射困难，所以电弧电压高，焊接电流小，导电时间短。由于正负半波电流不对称，在交流焊接回路中存在一个由工件流向钨极的直流分量，这种现象称为电弧的 “整流作用”。电极和工件的熔点、沸点、导热性相差越大(如钨和铝、镁)，上述不对称情况就越严重，直流分量就越大。图1.2 交流钨极氩弧焊的电压、电流波形及直流分量u0-电源电压 ua-电弧电压 iw-焊接电流 ioc-直流分量uri-p-正半波重新引弧电压 uri-n-负半波重新引弧电压直流分量的存在削弱了阴极清理作用，使焊接过程困难，另外，直流分量磁通将使得焊接变压器铁芯饱和而发热，降低功率输出甚至烧毁变压器，为此要降低或消除直流分量。可以在焊接回路中串接无极性的电容器组，容量按300400f/a计量3)引弧和稳弧性能差 由于交流氩弧的电压和电流随着时间其幅值和极性在不断地变化，每秒有100过零，因此电弧的能量也是不断地在变化，电弧空间温度随之而改变，电流过零时，电弧熄灭，下半周必须重新引燃，重新引燃所需的电压值与电弧空间气体残余电离度、电极发射电子能力及反向电源电压上升速度有关，因此焊接参数、电弧空间气体介质、电极材料、电源动态特性等对交流氩弧的引弧和稳弧性能有着很大影响。为了改善其引弧和稳弧性，必须要采取相应的措施。短路引弧：利用钨极与焊件短暂接触、短路、快速脱开而引弧。此法便利，但易使钨极沾污、耗损、破坏其端部形状及尺寸，应避免应用。高频引弧：利用高频振荡器产生的高频电压击穿钨极与焊件之间的间隙（3mm左右），从而可引燃电弧。但高频发生器的高频振荡也会损坏电源或焊接程序控制系统（包括电脑）内的精密器件，否则需采用防干扰技术措施。高压脉冲引弧：在钨极与焊件之间加一高压脉冲，使两者之间的保护气体电离而引弧，脉冲幅值800v。(2) 交流矩形波氩弧焊 这是一种新型的交流氩弧焊，它能很好地改善交流电弧的稳定性，它能很好地改善交流电弧的稳定性，有能合理地分配钨极和工件之间的热量，在满足阴极清理的条件下，最大限度地减少钨极烧损和大的熔透深度。这种焊接方法包括两种电流波形，如图1.3所示。通过试验发现占空比对于铝材的焊接有着重要影响。可用下式表示： (1.1)式中 tn-周期中负半波时间： tp-周期中正波时间。图1.3 交流矩形波氩弧焊a)矩形波变脉宽 b)变极性tn-负半波时间 in-负半波电流 tp-正半波时间 ip-正半波时间当增大时，阴极清理作用加强，但母材得到的热量减少，熔深浅而宽，钨极烧损加大；反之，减小时，阴极清理作用稍稍减弱尚能满足要求熔深增加，且钨极烧损大为下降。一般可在10%50%范围内调节。最近通过实验又发现，在工件为负半波时，其电流数值对阴极清理作用影响更大。如果增大tn半波的电流值(图1.3)，可进一步减少tn时间，满足工件表面去除氧化膜的要求，而使交流氩弧的稳定性大大提高。钨极的烧损减小到最小程度。图1.4显示了tn期间其电流大小和时间长短对阴极清理作用的影响。这种焊接电流波形被称为变极性交流矩形波氩弧焊。矩形交流氩弧焊的优点是：1)由于矩形波过零后电流增长快，再引燃容易，和一般正弦波相比，大大提高了稳弧性能 2)可根据焊接条件选择最小而必要的使其既能满足清理氧化膜的需要，又能获得最大的熔深和最小的钨极损耗。图1.4 tn期间电流和时间对阴极清理作用影响(3)脉冲氩弧焊 脉冲氩弧焊是采用可控的脉冲电流来加热工件。当每一次脉冲电流通过时，工件被加热熔化形成一个点状熔池，基值电流通过时使熔池冷凝结晶，同时维持电弧燃烧，见图1.5。因此焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝是由一个一个点状熔池叠加而成。电弧是脉动的，有明亮和暗淡的闪烁现象。由于采用了脉冲电流、脉冲时间和基值电流、基值时间的调节能够方便地调整热输入量大小。实践证明，脉冲电流频率超过5khz后，电弧具有强烈的电磁收缩效果，使得高频电弧的挺度大为增加，即使在小电流情况下，电弧亦有很强的稳定性和指向性，因此对薄板焊接非常有效；电弧压力随着焊接电流频率的增高而增大，如1.6所示。所以高频电弧具有很强的穿透力，增加焊缝熔深；高频电弧的振荡作用有利于晶粒细化、消除气孔，得到优良的焊缝接头。交流脉冲氩弧焊可以得到稳定的交流氩弧，同时通过调节正负半波的占空比既满足去除氧化膜，又能得到大的熔深，钨极烧损又最少。综合上述分析可知，脉冲氩弧焊具有以下几个特点：1)焊接过程是脉冲式加热，熔池金属高温停留时间短，金属冷凝快，可减少热敏感材料产生裂纹的倾向性；2)焊件热输入少，电弧能量集中且挺度高，有利于薄板、超薄板焊接；接头热影响区和变形小，可以焊接0.1mm后不锈钢薄片3)可以精确的控制热输入和熔池尺寸，得到均匀的熔深，适合于单面焊双面成型和全位置管道焊接；4)高频电弧振荡作用有利于获得细晶粒的金相组织，消除气孔，调高接头的力学性能。5)高频电弧挺度大、指向性强，适合高速焊，焊接速度最高可达到3m/min，大大提高生产率。图1.5 钨极脉冲氩弧焊电流波形和焊缝a)直流脉冲氩弧焊电流波形 b)交流脉冲氩弧焊电弧电流波形ip-直流脉冲电流 ip-交流脉冲电流幅值 ib-直流基值电流 ip-交流基值电流幅值tp-脉冲电流持续时间 tb-基值电流持续时间图1.6 脉冲频率与电弧压力之间关系曲线1.4.4 tig焊技术及其应用于铝合金tig焊几乎用于所有钢材、有色金属及其合金焊接，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难溶的活泼金属和异种金属的焊接。tig焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成型，主要用于薄件焊或厚件打底焊，脉冲tig焊特别适宜焊接薄板和全位置管道对接焊。铝及铝合金tig焊时铝及铝合金较完善的焊接方法，主要用于薄板焊接，它具有独特的物理化学性能，它的能量较为集中，热影响区小。由于在电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易于维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定。焊接时焊缝金属主要靠惰性气体保护，所以tig焊时，可以不用焊剂，从而避免了焊后残渣对焊接接头的腐蚀，也免除了焊后清渣，而且接头形式也可以不受限制。tig焊时，惰性气体在电弧周围形成保护气层，使熔融金属，钨极端头和焊丝不与空气接触，因此在焊接过程中被焊金属和焊丝中的合金元素不易烧损。此外，保护气体不溶于金属，故在焊缝中不形成气孔。焊接时保护对焊接区域的冲刷，使焊接接头加快冷却，从而改善了接头的组织和性能，并减少焊接变形。同时交流tig焊电源电弧稳定性好，电弧稳定。因此，交流tig焊被广泛应用。1.5 本课题研究的工作、背景及意义铝合金是在本世纪初才开始工业性应用，在第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。二战之后，铝工业界着手开发民用铝合金，近年来，为了保护环境、节约能源，人们强烈希望汽车、飞机、机车车辆、船舶等运输机械轻量化，为此，使铝合金的应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门以及人民日常生活之中。现在铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，是第二大金属材料。本论文通过研究，掌握铸铝焊接时容易出现的问题，掌握每种焊接方法的工艺特点、设备要求、应用局限性以及适用的场合等，了解影响焊接质量的因素。对材料的金相组织及焊后组织进行较为严格的观察，整理，并对其焊接过程中电流、电压等对焊接过程中的影响进行分析、总结。2 实验材料与实验方法2.1 实验材料2.1.1 母材实验采用的铸铝102是一种将纯铝或铝合金按标准的成份比例配置后，经过人工加热将其变成铝合金液体过熔融状态形成的，不可热处理强化，该合金的铸造性能优良,无热裂及疏松倾向，气密性较高。其密度小，耐蚀性好，可在受大气.海水腐蚀的环境中使用，可承受工业气氛的环境中浓硝酸.过氧化氢等的腐蚀作用；焊接性能也好。但该合金的力学性能低，耐热性和切削加工性差。 化学成份： 硅 si ：10.0-13.0 铝 al ：余量 铁(砂型铸造)： 0.000 0.700 铁(金属型铸造)： 0.000 1.000 铜 cu：0.30(杂质) 锰 mn：0.5(杂质) 镁 mg：0.10（杂质） 锌 zn：0.1(杂质) 钛 ti：0.20(杂质) 注：杂质总和:(砂型铸造)2.0;(金属型铸造)2.2力学性能： 抗拉强度 b (mpa)：145 伸长率 5 (%)：4 硬度 (hb)：50(5/250/30)2.1.2 焊丝焊丝是影响焊缝金属成分、组织、液相线温度、固相线温度、焊缝金属及近缝区母材的抗热烈性、耐蚀性及常温或高低温下力学性能的重要因素。当铝材焊接性不良、熔焊时出现裂纹、焊缝即焊接接头力学性能欠佳或焊接结构出现脆性裂纹时，改用适当的焊丝而不改变焊件设计和工艺条件常成为必要、可行和有效的艺术措施。因为本实验采用的是zl102时al-si合金，所以焊丝要用以含si5%的标准的铝硅系合金4043焊丝， 它的焊缝金属抗热裂能力强，适于6061及其他易产生焊接热裂纹的热处理强化铝合金及铸铝的焊接。但其熔敷金属的塑形和韧性较差，而且阳极化处理后的焊缝与母材的色调不一致。其焊接区强度约170mp250mp。焊条芯的化学成分：si：4.56.0 fe0.8 cu0.3 mn0.05 zn0.1 al余量其他元素总量0.152.1.3 焊接材料（1）钨极 铝及铝合金钨极氩弧焊可供选用的钨极材料有纯钨、锆钨、钍钨、铈钨等，钨的熔点为3400摄氏度，是迄今为止最好的一种非熔化电极材料，具有很强的电子发射能力，在钨极成分中加入稀土元素锆、钍、铈等氧化物后，逸出功降低，载流能力提高。纯钨电极熔点高，不易熔化和挥发，但电子发射能力较低，载流能力亦较低，抗污染能力差，现已较少使用。钍钨电极含氧化钍1%2%（质量分数），电子发射能力较强，允许电流密度较大，寿命较长，抗铝污染性较好，易引弧，电弧稳定，但价格稍高，有微量放射性，应用范围受到一定限制，w（th）=2%的钍钨电极已极少采用。锆极电极含质量分数1%左右的微量氧化锆，载流能力强，抗铝污染性好，保持电极端部形状（半球形）的功能较好，不易使焊缝夹钨。铈钨极成分中含质量分数为1.8%2.2%的氧化铈，具有以下优点：1）发射x射线剂量较小，抗氧化性较钨极有明显改善。2）逸出功比钍钨极低10%，因而易于引弧，电弧稳定性较好。用小直径铈钨极进行tig焊时，引弧电流（8a）最低，引弧后弧长可达10mm。3）化学稳定性好，对保护气体纯度的要求比钍钨极略低。4）允许的电流密度大。如采用直流正接tig焊接方法，则允许的电流密度比钍钨电极高5%8%。5）烧损率低，电极使用寿命较钍钨极电极更长。我国工业部门已广泛采用铈钨电极，西方国家则较多采用钍钨电极及锆钨电极。一定直径的钨极要求相应的极限电流。超过极限电流值，钨极将过热、熔化、蒸发，引起电弧不稳、焊缝夹钨。钨极许用的极限电流还与极性有关。直流正接时，课采用较大的焊接电流；交流时，课采用的电流较小；直流反接时，可采用的电流更小。交流tig焊铝及铝合金时，电极端部应呈半球形，为此，可采用如下的简单成形方法：取比使用焊接电流要求的钨极规格大一号的钨极，将端部磨成圆锥形，然后垂直地夹持电极，用比使用的焊接电流大20a的电流进行焊接几秒钟，此电极端部即成形为半球形。直流正接tig焊接铝及铝合金时，常采用钍钨极，此时电极的端部应磨成60120的圆锥，以便获得更大的熔深。如果钨极被铝所污染，则必须立即去除污染物。如果污染程度较轻微，可采用该钨极在铝试板上起起弧，争取烧掉铝污染物。如果污染严重，则应立即清理、修整，或予以更换。（2）保护气体 电弧焊铝及铝合金时，保护气体一般只用惰性气体，即氩、氦或氩氦各种比例的混合气体。表2.1 各种气体的物理特征分子量(或相对原子质量)密度（273k，0.1mpa）/（kg/m3）电离电位/v比热容（273k时）热导率（273k时）5000k时离解程度ar39.9441.78215.70.5230.0158不离解he4.0030.17824.55.2300.1390不离解h22.0160.08913.514.2320.19760.96n228.0161.25014.51.0380.02430.038空气291.2931.0050.0238有表可见，氩气的密度比空气大，比热容和热导率比空气小，这些特性使氩气能很好地保护焊接区域，并具有良好的稳弧特性。氩气的密度比空气及氩气小，因此，为有效地保护焊接区，其流量消耗应比氩气大得多。氦气的电离电位比氩气高，热导率大，在相同的焊接电流和电弧长度下，氦狐的电弧电压比氩弧高，因此氦弧功率较大，加之氦气的热导率高，冷却效果好，使得电弧能量密度大，弧柱较细，热量集中，利于深熔。交流钨极氦弧焊时，引弧较困难，电弧不稳定，无阴极清理作用，因此考虑采用氦气时，一般不采用交流电源，而只采用正接的直流电源。直流正接氦弧焊铝合金时，一般采用短弧。此时，氦弧发热大，热量集中，电弧穿透力强，焊缝成形窄而深。单面焊接厚度可达12mm，双面焊可达20mm。与交流氩弧焊相比，坡口小，熔深大，焊道窄，变形小，热影响区窄，软化程度低，虽无阴极清理，但仍有去除木材表面氧化膜的作用，虽然焊接区表面出现黑尘，但易于擦掉，且内部质量良好，气孔及氧化膜夹杂物等缺陷较少。氩气容易买到且价格较低，氦气价格昂贵，只在某些特殊行业获得应用，如航空、航天及核工业等。考虑到氩气及氦气的优缺点，实践中常采用氩气及氦气混合保护气体，例如，氩弧焊时氩气中加少量氦气，以增大电弧的熔透能力；氦弧焊时氦气中加少量氩气，以改善引弧及稳弧特性。2.2 焊接设备本实验采用的tig焊接设备为美国林肯焊机precision tig275型焊机（如图所示），美国林肯焊机precision tig275型焊机用于交直流氩弧焊和手工焊精密方波输出技术，特别适合焊铝和铝合金，直流输出焊铜具有很好的效果，微起弧专利技术，可在小电流下起弧精密交流技术输出焊接更加稳定，自平行技术自动调整ac波形平行。图2.1 tig焊接设备为美国林肯焊机precision tig275型焊机2.2.1 tig焊对焊接电源的要求手工tig焊设备 包括焊接电源、控制系统、引弧装置、稳弧装置(交流焊接设备用)、焊枪，供气系统和供水系统等部分。其中，控制系统包括两部分：一部分时为了保证焊接电源实现tig焊所要求的垂降外特性、电流调节特性等而设置的；另一部分是为了协调气体与电源之间先后顺序而设置的程序控制系统。在现在生产的新型直流tig焊设备及方波交流tig焊设备中，控制系统已经和焊接电源合为一体。自动氩弧焊机由焊接电源、焊接机头、操作机、变位机、控制箱、供气系统、供水系统、及装备焊接夹具组成。焊机接头上包括焊枪、焊枪升降及姿态微调机构、焊丝输送机构，有时还包括轨迹跟踪装置、电弧摆动装置等。操作机上装有焊接机头，能使其升降及行走的立柱和横臂结构，横臂尚可绕立柱适当回转。变位机一般具有两个自由度的翻转功能。控制箱内包括基本控制系统和程序控制系统，前者包括焊接电源输出调节系统、焊接机头行走调节系统、保护气体流量调节系统；后者则包括各配套件在焊接过程前、过程中及过程后程序动作的调节、协调和控制系统。现在焊接设备行业发展很快，焊接设备技术进步明显，焊接设备产品相当完善，因此用户被迫自行设计制造焊接设备的年代已经过去了，可根据需要和条件，参考国内外焊接设备产品最新样本资料向焊接设备厂商洽谈选购。上述焊接设备系统内的核心设备是焊接电源，对铝及铝合金焊接电源的要求如下：（1）空载电压 电源的空载电压高些引弧容易、电弧燃烧稳定。因此在符合安全性条件下空载电压高些对焊接有利。标准规定tig焊机空载电压80v。（交流有效值或直流平均值）（2）电源的外特性 tig焊要求电源具有下降的外特性。这样可以保证焊接过程中焊接电流不随着弧长的变化而变化。根据我国标准，外特性曲线工作部分斜率应7v/100a。（3）调节特性 为了适合不同的工件材料厚度、接头形式、产品结构，要求足够的焊接电流调节范围。调节范围越宽，适应性越强。通常规定直流焊接电源的最小焊接电流imin 10%ie，交流焊接电源的最小焊接电流imin 20%ie，最大焊接电流imin ie （ie 为额定焊接电流）。（4）负载持续率 它是反映焊机工作时间长短对输出功率影响的一个指标，具体定义用下式表示： 负载持续运行时间 tfs = 100% = 100% (2.1) 负载持续运行时间+休止时间 t 2.3 焊接工艺本实验采用的是交流氩弧焊焊接。薄板和中板焊接时，采用纯氩为保护气体；焊接厚的大件时，采用（ar+he）混合气体保护，其中he之比例多为25%左右。厚板也可采用纯氩保护，但国内应用甚少。2.3.1焊接接头设计焊接连接形成的焊接接头是焊接结构的重要基本要素。焊接接头的设计是在充分考虑结构特点、材料、接头工作条件和经济性等的前提下，在首先选定焊接方法之后，正确合理地布置焊缝，确定接头的类型。对于熔焊接头，还需要合理地确定破口尺寸，校核接头的承载能力，最后参照有关国家标准，把焊接接头在结构图样准确的表达出来。设计焊接接头的形式及基本尺寸时，可参考国内外相关标准或手册资料内的数据，最后还要稳相关人士，以验证资料上的信息数据是否适合实际结构和焊接工艺的具体条件。表2.2 焊接接头形式接头形式母材厚度/mm焊接层数tig焊时尺寸/mm备注对接612b3使用mig焊时可以用垫板2.3.2 焊接清理1)焊前清理铸造铝合金的焊接清理是焊接工艺中第一项重要环节，其目的是去除焊件表面的氧化膜和油污。焊前清理时防止产生气孔的重要措施。氩弧焊时，对材料的表面质量要求很高，焊前必须严格清除填充焊丝和坡口，以及坡口两侧至少20mm范围内的油污、氧化膜、水分、金属污染物和灰尘等。如果焊丝、坡口清理的不好，会出现焊道表面不光泽并有灰黑色薄膜。在焊接过程中，将影响电弧的稳定性，恶化焊缝成形，导致气孔、夹杂、未熔合等缺陷，直接影响焊接质量。在采用任何一种方法清理时，都必须对不容易清理到的死角，例如整体填料的根部等，严格加以检查，确保清理干净。不仅焊件要焊前清理，而且焊接的夹具清理也必须严格重视。焊前清理还包裹保护气垫板、供气通道、管道的接头等部位；随时清除有可能侵入焊接区域的油、水等。在焊接过程中，每焊完一个焊件，准备装配下一个焊件之前，都应对焊接夹具进行一定的清理。清理后的焊件，应尽快进行焊接。因为金属一旦暴露在大气中，就会立即生成氧化物，及影响焊接接头质量。清理的方法，通常要视污染的类型规定。常用的清理方法如下：1) 去除油污、灰尘 可采用有机溶剂（丙酮）擦洗，也可配置专用化学溶液清洗。2) 除氧化膜 一般，去除氧化膜的方法有机械清除和化学清除两种。 机械清除是用不锈钢丝轮或铜丝轮，将坡口两侧氧化膜清除。由于铝及铝合金材质较软，使用跨刀清除也有效，可是刮去一层氧化膜至露出金属光泽。但机械清理效率低，去除氧化膜不彻底，所以一般只用于尺寸大、生产周期长或化学清理后又局部污染的工件。化学清洗是采用溶液或用清洗剂进行清洗。 （2）焊接过程中清理多层焊时，除第一曾外，每层焊前均用机械法清除前一层焊缝上的氧化膜。由于加热会促使成氧化膜重新生长，在焊接过程中，应随时注意焊缝熔池情况。长焊缝也可以分段清理，以缩短焊接的间隔时间。（3）焊后清理由于氩弧焊铝材时不用焊剂，所以焊后只需要清理飞溅、污染区等，并使焊缝圆滑过渡。2.3.3 焊接参数焊接参数可影响焊缝成形、焊接质量及焊接接头的性能。选择焊接参数的依据是工件的材料、零件厚度、焊接方法、接头形式、破口尺寸、焊接位置、操作人员的经验及技艺。可供参考的信息可来自焊接手册、焊接工艺指