（材料科学与工程专业论文）含er的almg合金焊丝制备及其组织和机械性能.pdf

独创性声明 f f j f j j y 17 8 8 0 d 咎。 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：日期：尘! ! ! i ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期：鲨f 竺! ：! ! 摘要 摘要 本文以含铒的5 a 0 6 铝合金板材为焊接对象，提出了配用焊丝生产设计方案， 采用微量过渡元素m n 、z r 、e r 复合微合金化技术及先进的焊丝加工工艺制备了 舢一6 m g o 7 m n - o 1 z r 、a l 一6 m 哥o 7 m n o 1 z r - o 3 e r 、灿一4 9 m g o 7 m n - o 1 z r 、 a l 一4 9 m g o 7 m n o 1 z r 0 3 e r 四种铝合金焊丝，之后采用研制的1 6 m m 焊丝对 4 n 姗厚的5 a 0 6 板材进行t i g 焊。借助硬度、拉伸力学性能测试方法和金相、x 射线衍射分析、扫描电镜与能谱分析、透射电镜等微观组织观察手段，评价了四 种铝合金焊丝的焊接效果，研究了焊接接头微观组织与性能的关系，深入分析了 微量元素e r 在焊丝合金及焊接接头中的存在形式、与合金元素的交互作用、对 合金的细化与强化机理。 结果表明：添加o 3 e r 能改善焊丝合金的铸态组织，细化铸态晶粒，减轻枝 晶偏析，减小枝晶间距。e r 细化晶粒的机理是：含o 3 e r 的a 1 4 9 m g - o 7 m n o 1 z r 及a l 。6 m g o 7 m n o 1 z r 合金在凝固过程中直接从熔体中析出一次a 1 3 e r 相，它们与 基体具有良好的界面匹配性，可以作为非均质形核核心，提高形核率，从而能有 效细化晶粒组织。 焊丝制备过程中析出大量纳米级的次生a 1 3 e r 粒子，弥散分布在基体中，与 位错交互作用提高焊丝合金的强度。e r 对合金的强化机制主要有三种：细晶强化、 固溶强化和第二相强化，第二相强化为主要的强化机制。这是由于在加工过程中， e r 与a 1 基体形成的次生a 1 3 e r 粒子，该粒子细小弥散，有效钉扎晶界和位错运动， 提高合金的强度。 焊丝中添加o 3 e r 能提高实验合金的焊接性能。采用 a 1 6 m g o 7 m n o 1 z r - 0 3 e r 焊丝所焊焊接接头的性能最好，焊接接头强度系数达 到8 0 ，接头的抗拉强度比用灿6 m g o 7 m n o 1 z r 焊丝施焊的焊接接头提高 5 7 m p a ，抗拉强度和延伸率的提高幅度分别为1 9 和8 5 。e r 提高合金焊接性 能的机理是：e r 的加入能细化焊缝中心的急冷凝固组织，改善枝晶偏析倾向， 显著降低焊接过程中裂纹形成倾向和气孔数；基体中的a 1 3 e r 或a 1 3 ( z r 、e r ) 粒子能有效抑制焊接热影响引起的基材再结晶行为，细化热影响区的再结晶晶 粒，保留大量冷变形组织，提高了a 1 m g m n z r - e r 合金板材抗焊接软化的能力， 从而提高了焊接接头的性能。 关键词a 1 m g m n z r - e r 焊丝；灿3 e r 粒子；微观组织；力学性能；焊接系数 北京丁业大学工学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a bs t r a c t t a k e s5 a 0 6a l u m m 啪a 1 1 0 yp l a t ec 0 m a i m n ge r ：b i u m 舔n l ew e l d i n go b j e c t ，n l i s n l e s i ss h o w o dm ed e s i 霉la n dm 籼自u c l 1 1 陀p r o c c s so fm ew e l d i i l gw i r e f o u i l 【i 1 1 d so f a l l n j n l 蛐a l l o yw e l d i i l gw i i 镪( 趾一6 m g o 7 m n o 1 z r ，a l - 6 m 哥o 7 m n o 1 z 卜o 3 e r ， 舢4 9 m g o 7 m n o 1 z r ，灿4 9 m g o 7 m n 一0 1 z r o 3 e r ) w e r ep r 印a r e db ya d d i i l g 如j i l o r 胁1 s i t i o nm e t a le l e m 饥t ss u i c h 嬲l v m ，：盈a n di 址u s i i l g1 1 1 i c r 0 - a l l o 姐n g t ec _ h n o l o g ya i l da d v 觚c e dp r o c e s s i l l gt e c l m 0 1 0 9 龇l dt i g w e l d i l l gw a sc 硎e do u tt 0 l e5 a 0 6p l a t eo f4 m m “c k n e s ss u b s e q u e n t l y i i lt l l ep a p v 撕o u se ) 【p 舐m 铋t a l 趾d t e s 缸gm e m o d s ，s u c h 嬲h 疵i i l e s st e s t i n 舀t e n s i i em e c ：h 嘶c a ip r o p e n i e st e s 血舀 o p t i c a lm i c r o s c o p y x r a yd i 伍? 枷o n 趾a l y s i s ，s c m m i l l ge l e 酏r o nm i c r o s c 0 p ya n d e i l 嘴ys p e 咖狮a l y s i s ，仃a n s i i l i s s i o ne l e c 仃d nm i c r o s c o p yw e r ec 删e do u t t h e w e l d a b i l i 锣o fm ef o u rl 【i n d so f 砧一m 哥m n z 卜e ra 1 1 0 yw e l d i i l gw i r ew e r es t u d i e db y u s i n gt i gw e l d i n g ，a n dm ea u m o ri n v e s t i g a t e dm er e l a t i o n s h i po f t h ep r o p 硎e s 锄d m i c r o s 仃u c l 黼so fw e l d e dj o i n t s b e s i d e s ，m ee x i s t 堍f o m so fe r 觚di n 胁c t i o l l s b e 铆e e r 锄d 吐1 eo 1 e ra o y i l l ge l e m e i l t si 1 1 舢- m g m n - z ra 1 1 0 yw e l d i n gw i r ea n di n m ew e l dj o 逾t sw e r ep r o f o u n m ys t u d i e d ，a n d l es 仃e i l g t h e n i n ga 1 1 dr e f i 】= l i i l gm e c k 血s m w e r ed i s c u s s e dt o o 。 t h er e s u l t ss h o w e dm a t ：a d d e do 3 e rc 觚i m p r 0 v et 1 1 e 嬲一c 嬲t 刖- m g m h z r w e l d i n gw i r e sb yr e f i i l i n gn l eg r a i ns i z eo f 嬲一c a s ta 1 1 0 y s ，d e c r e a s i l l gm es i z eo f d e n e 晡t e ，a n dr e d u c i i l gm ed 阻d d t e 黝s p a c e t h em e c h a l l i s mo fe rr e f i n em e 掣a i n s i z ei sa s f o l l o w s ：d u r i i 培s 0 1 i d i f i c a t i o n ，a 1 3 e rp a m c l e sp r e c i p i t a t e s 自o m m e a l - 4 9 m g o 7 m n - o 1 z 卜o 3 e r 锄da l - 6 m 争o 7 m n o 1 z r - o 3 e rm o l t e l la l l o yd i r e c t l y ， m e yh a v e ag o o di n t e 血c em a t c ：h i n gw i mm es u b s 仃a t e 恤c ha r ec o h 盯c 殂to r s e m i c o h e r e i l tw i m 廿1 em a t r i x ，a 1 1 da c t 嬲h e t e r o g e i l e o u sn u c l e it 0i n c r e a u s et 1 1 e n u c l e a t i o nr a t e ，w h ic _ hc a nr e f i n em e 伊a i n sr e m 砌( a b l y d u r i n gm a n u f a c t u r cp r o c e s so ft h ew e l d i n gw i r e ，a1 g em m l b e ro fn a n o s c a l e s e c o n d a r ya 1 3 e kp 枷c l e sp r e c i p i t a t e d 缸 mm 撕xa i l dd i s p e r s e di nm em 删x u n i f o m l l 弘a n dt l l e yi n t e r a c tw i md i s l o c a t i o n si n t e i l s i v e l yt 0i m p r o v et h es 仃e 1 1 9 t l lo f w e l d 吨w 的t h em a i ns 仃e i l 砷觚n gm e c h 疵s m so fe rt om ew e l d i n gw i r ea 1 1 0 ya r e 蓼a i n r e f i n 锄e n t s 仃e n g 1 e i l i n g ，s o l u b i l i 够s 仃e n g m 砌n g a n d p r e c i p i t a t i o n s 仃e n g m e n i n g o fa l lm e n t i o n e dt l l r e es 仃e n g 也e n i n gm e c h a m s m s ，n l ep r e c i p i t a t i o n s 仃e 1 1 9 t 1 1 饥i n gp l a y sm ek e y r o l e i ti sd u et oe ra n d 灿m 疵xt of o 肋s e c o n d a r ya 1 3 e r p 枷c l e s 如j n gp r o c e s s 堍n l e 舢3 e rp 枷c 1 e sa r ef h l ea i l dd i s 劬u t e di n l em 确x d i s p e r s i v e l y ，w l l i c he 舵c t i v e l yp i 眦i n gm e 乒a i l lb o u l l d 撕e s a n d 1 ed i s l o c a t i o n m o v e m e m ，a n dt h u si m p r o v i n gm es 仃饥g 吐1o fa l l o y s e rc a l li m p r o v et 1 1 ew e l d a b i l i t ) ro fm ee x p 舐m e n t a lw e l d i n gw i r e n l et e l l s i l e s 仃e n g t l li n c r c a s c d5 7 m p a a i l dt 1 1 ec o e 伍c i e n to f w e l dj o i n tc a nr e a c ht 0o 8w h e i lt 1 1 e 趾6 m g o 7 m n - o 1z r - 0 3 e rw d d 洫gw i r ew 嬲l l s e da u sf i l l i n gm a t 耐a 1 1 1 1 et e l l s i l e i 北京_ 业大学工学硕士学位论文 s 仃g t h 觚de l o n g a t i o no fw e l dj o i n tf i l l e dw i t ha l - m g m n - z r - e rw e l d i n gw 讹i s i 1 1 c r e a s e db y1 9 a n d8 5 卿a r e dt o 也ew e l d e dj o i n tt l l a t _ f i l l e dw i m 灿m g m n z rw e l d i n gw i r er e s p e c t i v e l y t h em e c h a 苴1 i s m o fe r i m p r o v e 廿l e w e l d a b i l i 付o fm ee x p 幽t a la ：u o ya r e ：e rc a nr e 丘n e 吐l es o l i d i f i c a t i o ns t “l c 吣r e d 嘶n gw e l d i n g ，觚di i l ：i l i b i tt h ef o m a t i o no fe q u i a x e dz o n en e a rn l ew e l dl i l l e sw h i c h s i 嘶f i c 孤t l yr e d u c em ed e f e c t ss u c ：ha sg 勰p o r o s i _ t i e s ，c a 啊t i e sa n di n i c r 0 一c r a d k s n gw e l d i n gp r o c e s s i i lh e a t - 疵c t e dz o n e ，l ea 1 3 e rp 枷c 1 e sa r es t i ud i s 劬u t e d i i lm em a t r i x d i s p e r s e d l y a n dp m f l i i l gm ed i s l o c a t i o n s 锄ds u b - b o u n d a r i e s ，也e y r e s 硼nt h er e c r y s t a l l i z a t i o no ft l l eb a s em c t a l ，r e f i n et h er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i l l so fm e h e a t a 丘b c t e dz o n e ，a n dr e t a i l lal a r g en 1 1 1 b e ro fc o l d d e 】确e ds t n l c t u f e ，w h ic ：h r e s u l t si 1 1e x c e l l e n tp r o p e r t i e so fm ew e l dj o i n t k e yw o r d sa 1 - m 争m n - z r - e rw e l ( 1 i n gw i r e ； a 1 3 e rp a m c l e ；m i c r o s 仃u c t l l r e ； m e c h a m c a lp r o p e r t i e s ；c o e f ! f i c i e n to fw e l dj o i m s 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 稀土铝合金的研究现状1 1 1 1 稀土在铝合金中的作用1 1 1 2 稀土对铝合金焊接性能的影响2 1 1 3 稀土元素e r 及其应用。2 1 2 铝合金焊接概述3 1 2 1 铝及铝合金的焊接特点4 1 2 2 焊接方法5 1 2 3 焊接材料5 1 2 4 焊前准备6 1 2 5 焊后处理7 1 3 课题研究的背景8 1 4 课题研究的主要内容8 第2 章材料制备与实验方法1 1 2 1 实验方案1 1 2 2 焊丝合金成分设计和配料1 2 2 3 焊丝的制备1 3 2 3 1 合金的熔铸1 3 2 3 2 合金均匀化处理和热挤压1 4 2 3 3 合金的冷拔工艺及道次退火一1 4 2 4 实验方法16 2 4 1 力学性能测试1 6 2 4 2 焊接性能研究16 2 4 3 微观组织观察和结构分析1 7 第3 章e r 在a 1 - m g - m n - z r 焊丝合金中的作用1 9 v 北京工业大学工学硕十学位论文 3 1e r 对a l m g m n - z r 焊丝合金拉伸力学性能的影响1 9 3 1 1 焊丝合金的拉伸性能一1 9 3 1 2 焊丝拉伸断口形貌观察2 0 3 2e r 对焊丝合金微观组织的影响2 1 3 2 17 群和8 j f j 焊丝合金铸态显微组织2 1 3 2 27 和8 群焊丝合金均匀化态显微组织2 3 3 2 37 群和8 挣焊丝合金热挤态显微组织2 3 3 2 。47 # 和8 ：j ! 焊丝合金冷拉态显微组织2 4 3 3 物相分析2 5 3 4 扫描电镜组织观察与分析2 6 3 5t e m 观察与分析2 8 3 5 18 j f i 焊丝合金均匀化态的t e m 分析2 8 3 5 28 撑焊丝合金热挤压态的t e m 分析3 0 3 5 38 | j 焊丝合金冷拉态的t e m 分析3 1 3 6 本章小结：3 3 第4 章自制焊丝的焊接组织及焊接性能分析3 5 4 1 焊接实验材料及方法3 5 4 2 焊接接头组织性能测试方法3 7 4 2 1 焊接接头的硬度测试3 7 4 2 2 焊接接头的拉伸性能测试3 9 4 2 3 焊接接头的拉伸断口形貌4 0 4 3 焊接接头的微观组织观察4 3 4 3 1m 一6 m 争o 7 m 【1 o 1 z r - o 3 e r 焊缝组织的金相显微照片4 4 4 3 2a 1 - 6 m 争o 7 m n o 1z r - o 3 e r 焊缝组织的s e m 4 5 4 3 3a l 一6 m g - 0 7 m n - o 1 z r - o 3 e r 焊接接头的t e m 分析4 7 4 4e r 对合金焊接性能的影响机理4 8 4 5 本章小结4 9 结论5 1 参考文献5 3 v i 目录 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 致谢5 9 v i i 北京工业大学t 学硕七学位论文 v i i i 第l 章绪论 第1 章绪论 铝在地球中的储量极其丰富，约占地壳的8 1 3 ，是铁蕴藏量的一倍多。铝 合金具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性 能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易进行表面处理、易于加工成型性、 良好的焊接性和耐蚀性以及高回收再生性等。因此，在工程领域内，铝一直被认 为是“希望金属”，铝工业则一直被认为是“朝阳工业”【l 翊，世界上各工业发 达国家都重视对铝及其合金的研究、开发、生产和应用。 近4 0 年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广， 铝及铝合金在航空、航天、航海、交通运输、建筑、桥梁、化工机械、制造业、 低温工程等各种结构方面的应用在不断扩大。随其应用领域的进一步拓宽，人们 对铝及其铝合金的性能和质量如：强度、塑性、焊接性及耐蚀性等，也提出了越 来越高的要求。近年来微合金化的方法已成为全球最为瞩目的提高铝合金综合性 能的手段之一，备受研究者的关注。其中效果较显著的微合金元素包括过渡族元 素( 如m n 、c r 、z r 等) 和稀土元素( l a 、c e 、y 、s c 等) 。稀土作为微量添加合金元 素，研究历史不长，却是非常有效的添加元素，也是目前的研究热点。 1 1 稀土铝合金的研究现状 稀土元素具有独特的物理、化学性质，加入到铝及其合金中，除了起到微合 金化的作用，还能够细化晶粒、防止偏析、除气、除杂、变质和净化以及改善组 织，从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目的【弘5 1 ，因而得到了 国内外材料工作者的普遍关注。前苏联早在2 0 世纪7 0 年代初期就发现了稀土元素 钪在铝合金中的积极作用而对其进行了系统的研究，开发出一系列先进的含钪铝 企。各【6 1 0 】 口皿 。 我国稀土资源相当丰富，品种全，质量好，已探明储量3 7 0 0 0 万吨，占世界 储量的8 0 。迄今为止，我国稀土铝合金的研发工作已经进行了五十多年【l 卜1 3 】， 近些年，稀土已被广泛应用于冶金、机械、化工、电子及国防等领域。然而以往 关于稀土铝合金的研究大多集中于l a 、c e 、y 以及混合稀土在某些工业铝合金中 的作用效果，关于单一稀土元素e r 在铝及其合金中的作用机制，特别是在强韧化、 焊接性等方面国内外的相关报道极少。 1 1 1 稀土在铝合金中的作用 稀土元素非常活泼，极易与气体( 如h ) 、非金属( 如s ) 及其它金属作用， 生成相应的稳定化合物。稀土元素的原子半径大于常见的金属如铅、镁等，在这 北京工业大学工学硕士学位论文 些金属中的固溶度极低，几乎不能形成固溶体。一般认为，稀土元素加入到铝合 金中可起到微合金化的作用；此外，它与氢等气体和许多非金属有较强的亲和力， 能生成熔点高的化合物，故它有一定的除氢、精炼、净化作用；通常情况下，稀 土原子半径大于铝原子半径，又由于稀土元素比较活泼，它熔于铝液后极易填补 合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力，使得晶核生长速度增 大。同时，它还能在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大， 结果导致晶粒细化，有变质的作用【1 4 。15 1 。铝合金中添加稀土元素，可以提高合金 的强度，如s c 加入到铝合金中，形成细小弥散分布的a 1 3 s c 粒子，在较大的塑性 变形和较高的退火温度下能有效阻止再结晶发生，改善合金的塑性、耐磨性，抗 腐蚀性能【1 6 1 。稀土元素加入到砧c u 合金中，能显著提高合金的高温持久寿命【1 7 】。 在a l m g s i 合金中加入适量的稀土，能提高合金的耐蚀耐磨性，可以抑制m g 在 合金表面析出，提高合金表面质量【l8 1 ，改善铸造工艺性能等，具有显著的精炼、 合金化作用。 1 1 2 稀土对铝合金焊接性能的影响 铝及其合金在固态和熔融状态下易氧化，而且铝焊缝形成气孔和结晶裂纹的 倾向特别明显，给铝合金焊接造成很大困难。在铝合金中添加适量稀土元素，可 以细化晶粒，抑制热影响区的再结晶，减少焊缝热裂纹倾向，改善铝合金的焊接 性能。有文献【1 9 】表明：a 1 4 7 8 z n 2 1 5 m g o 3 8 s c 合金挤压带材，淬火后再 经1 2 0 4 8 h 时效，o b - 5 2 7 m p a ，焊接接头经1 2 0 4 8 h 时效，焊缝的断裂强度 = 5 1 5 m p a ，断裂位置在基体上，焊接强度系数高达o 9 7 1 o ；含m n 和s c 的合金， 焊缝断裂强度吼= 4 7 1 m p a ，焊接强度系数为0 8 5 o 8 7 ，而一般铝合金的焊接系数 达o 8 即己合格。s c 能改善铝合金的可焊性，是因为s c 具有强烈的变质作用，能 细化焊缝熔化区的晶粒组织，显著降低焊接裂纹倾向性。s c 还能有效抑制再结晶 过程，使具有再结晶组织的过渡区或热影响区消失，由基体的亚晶组织直接过渡 到铸态组织。 1 1 3 稀土元素e r 及其应用 铒( e r ) 是第六周期、第三副族元素，属重稀土元素，其晶体结构在室温 9 1 7 为密排六方结构。e r 的原子序数为6 8 ，原子量为1 6 7 2 6 ，密度为8 7 9 5 c 1 1 1 3 ， 熔点为1 5 2 2 ，原子半径为1 7 5 7 a 。电子逸出功为3 1 2 e v ，具有较高的化学活 性，可与氧反应生成玫瑰红色的e r 2 0 3 ，并可与氢、碳、硫、铁和硅等元素生成 熔点较高，稳定性较好的化合物。e r 的储量十分丰富( 在地壳中的质量百分数为 2 4 7 1 0 4 ) ，相对于其他一些稀土元素如s c ，e r 的价格比较低廉，因此e r 在铝工 第1 苹绪论 业上的推广应用具有很大的优势。e r 与砧的电负性差值也较小，这有利于提高e r 在灿中的固溶度。 e ，具有极丰富的电子能级，被广泛地应用于光纤通讯、陶瓷制品的着色及 玻璃抛光、着色等，目前e r 主要在功能材料中得到了广泛的应用；e r 在结构材料 中应用却不常见，相关报道仅见于快速凝固铝合金及导电铝合金中，有文献【2 0 】 指出，采取锤砧技术制备厚o 0 4 0 0 6 m m 快速凝固的a 1 r e ( r e - e r ，l a ，c e ， y 等) 合金箔试样时，e r 在铝中的亚稳扩展固溶度达4 4 7 叭( o 7 5 a t ) 。在舢一m g 合金中掺入e r 后，提高了合金的抗氧化和抗腐蚀能力【2 1 1 。添加微e r 、z r 的铝合金 导线在2 0 0 2 8 0 下具有良好的热稳定性【2 2 1 。 图1 1 为a l e r 二元合金相图，根据相图，铝端有一共晶体a 1 a 1 3 e r ，共晶温 度为9 2 8 k ( 6 2 5 ) ，共晶点成分约为6 叭e r 。e r 与a l 发生包晶反应： l + a 1 2 e r a 1 3 e r ，从而生成灿3 e r 化合物，其结构为立方晶系，空间群为p m 3 m ( 与 舢，s c 和亚稳相a 1 3 z r 的结构类似) ；该化合物具有l 1 2 型结构，晶格常数 a _ o 4 2 1 5 l 珊，与铝的晶格常数( 铲o 4 0 5 9 n m ) 十分接近，其熔点为1 0 6 7 ，具有 较高的热稳定性，这些特点充分说明了e r 可以作为变质剂加入到铝合金中。 蟹 i e r ( a t ) 2 51 0 2 0 e r ( w c ) 图1 1 铝一铒相图( 铝侧) 【2 3 】 f i g 1 - 1a l - e rp h a s ed i a g r a m ( a le n d ) 1 2 铝合金焊接概述 当前，随着铝及其合金的应用在工业领域的方兴未艾，世界各国的大学、研 究所和企业的研究机构都正在积极开展铝及其合金的研究工作。铝及其合金的焊 北京工业大掌工学硕l j 学位论文 接结构也正在大量增加，国内外焊接界的科研人员对铝及其合金的研究主要在以 下几个方面【2 4 】： 1 ) 焊接方法的应用：研究激光焊、电子束焊、等离子焊、点焊和搅拌摩擦 焊等焊接方法在铝合金焊接方面的应用【2 5 彩】； 2 ) 焊接接头的组织与性能分析【3 0 。3 2 】； 3 ) 焊接缺陷的产生机理和防止方法【2 8 3 3 。4 】； 4 ) 焊接过程的数值模拟等 3 5 1 。 然而，对于含稀土元素的铝合金焊丝材料的制备及将其用于焊接方面的研 究，国内外的相关报道极少。 1 2 1 铝及铝合金的焊接特点 在飞机、汽车和机车车辆等运输行业中，铝合金主要是作为薄壁结构使用 的，结构复杂，需要连接的部位较多。长期以来，这些行业中铝合金板材结构 的连接直到目前仍然使用落后的加工工艺铆接，造成结构自重增加。究其 原因，主要是由于铝合金焊接难度大造成的。 铝及铝合金材料的焊接主要有以下特点： ( 1 ) 铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝( 灿2 0 3 ) 熔点高、非常 稳定，不易去除。铝材的表面氧化膜会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。 氧化膜不易浮出表面，易造成未熔合、未焊透等缺欠，氧化膜还会吸附大量的水 分，焊接时易使焊缝产生气孔。这些缺陷，都会降低焊接接头的性能。 ( 2 ) 铝的热导率和比热大，导热快。铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳 素钢和低合金钢的两倍多，热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中， 大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗 于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量 的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量 集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。 ( 3 ) 铝及铝合金的线膨胀系数大，约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时 的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。 铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用 调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可 采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅o 5 时热裂 倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率 下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5 6 时可不产生热裂， 因而采用s 灿s i 条( 硅含量4 5 6 ) 焊丝会有更好的抗裂性。 ( 4 ) 容易形成气孔。焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷， 第1 覃绪论 尤其是纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及铝合金焊接时产生气孔的主要原因。铝及 铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却 的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母 材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严 格控制，以防止气孔的形成。 ( 5 ) 焊接接头容易软化。母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊 接热会使热影响区的强度下降。 ( 6 ) 合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。一些铝合金含有低沸点的合 金元素( 如m g 、z n 等) ，这些元素在高温下容易蒸发烧损，从而改变了焊缝金属 的化学成分，降低焊接接头的性能。 ( 7 ) 铝在高温时的强度和塑性低。铝在3 7 0 时强度仅为1 0 m p a ，焊接时会因 为不能支撑住液体金属铒使焊缝成形不良，甚至形成塌陷或穿烧。 ( 8 ) 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊 缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。 ( 9 ) 无色泽变化，给焊接操作造成困难。铝对光、热的反射能力较强，固、 液态转变时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。 1 2 2 焊接方法 几乎各种焊接方法都可以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的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法， 设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。 焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊( t i g 或m i g ) 方法是应 用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极 脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔 化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体 保护焊应用越来越广泛( 氩气或氩氦混合气) 。 1 2 3 焊接材料 ( 1 ) 焊丝 铝合金焊丝是铝合金焊接所必需的填充材料，是决定焊缝质量的因素之一， 在铝合金焊接生产中占有重要地位。铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工 艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性( 通过弯曲试验) 达到规定 要求，对含镁量超过3 的铝镁合金应满足冲击韧性的要求，对有耐蚀要求的容 器，焊接接头的耐蚀性还应达到或接近母材的水平。因而焊丝的选用主要按照下 北京工业大学工学硕士学位论文 列原则： 1 ) 纯铝焊丝的纯度l 般不低于母材； 2 ) 铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近； 3 ) 铝合金焊丝中的耐蚀元素( 镁、锰、硅等) 的含量一般不低于母材； 4 ) 异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝； 5 ) 不要求耐蚀性的高强度铝合金( 热处理强化铝合金) 可采用异种成分的焊 丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝s 灿s i 1 等( 注意强度可能低于母材) 。 ( 2 ) 保护气体 保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频t i g 焊时，采用大于9 9 9 纯氩气，直流正极性焊接宜用氦气。m i g 焊时，板厚 7 5 i 衄时推荐采用添加5 0 7 5 氦气的氩 气。氩气应符合g b 厂r 4 8 4 2 9 9 5 纯氩的要求。氩气瓶压低于0 5 m p a 后压力不 足，不能使用。 ( 3 ) 钨极 氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点 高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。在纯钨 中加入1 2 氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高， 电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。 在纯钨中加入1 8 2 2 的氧化铈( 杂质o 1 ) 的电极为铈钨极。铈钨极电子逸 出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。 锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。 1 2 4 焊前准备 ( 1 ) 焊前清理 铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污， 清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。 常采用化学清洗和机械清理两种方法。 1 ) 化学清洗 化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。 可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用4 0 7 0 的5 1 0 n a o h 溶液碱洗3 m i n 7 m i n ( 纯铝时间稍长但不超过2 0 m i n ) ，流 动清水冲洗，接着用室温至6 0 的3 0 h n 0 3 溶液酸洗1 m i n 3 m i n ，流动清水冲 洗，风干或低温干燥。 2 ) 机械清理 、 第1 荦绪论 在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机 械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为 o 1 5 m m o 2 m m 的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。一般不 宣用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等 缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。 工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在 潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，工件 和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一 般应在清理后4 h 内施焊。清理后如存放时间过长( 如超过2 4 b ) 应当重新处理。 ( 2 ) 垫板 铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容 易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及 附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面 开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要 求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。 ( 3 ) 焊前预热 薄、小铝件一般不用预热，厚度1o i l l i i l 1 5 m 时可进行焊前预热，根据不 同类型的铝合金预热温度可为1 0 0 2 0 0 ，可用氧乙炔焰、电炉或喷灯等加 热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。 1 2 5 焊后处理 ( 1 ) 焊后清理 焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝表面的钝化膜，有时还会 腐蚀铝件，应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷 等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件，在热水中用硬毛刷刷洗后，再在 6 0 8 0 左右、浓度为2 3 的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5 1 1 1 i n 1 0 1 1 1 i n ，并用硬毛刷洗刷，然后在热水中冲刷洗涤，用烘箱烘干，或用热空气吹 干，也可自然干燥。 ( 2 ) 焊后热处理 铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有 明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力，来使容器 上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下，这时应由容器设计文件提出 特别要求，才进行焊后消除应力热处理。如需焊后退火热处理，对于纯铝、5 0 5 2 、 5 0 8 6 、5 1 5 4 、5 4 5 4 、5 a 0 2 、5 a 0 3 、5 a 0 6 等，推荐温度为3 4 5 ；对于2 0 1 4 、2 0 2 4 、 3 0 0 3 、3 0 0 4 、5 0 5 6 、5 0 8 3 、5 4 5 6 、6 0 6 1 、6 0 6 3 、2 a 1 2 、2 a 2 4 、3 a 2 1 等，推荐温 北京工业大学工学硕：e 学位论文 度为4 1 5 ；对于2 0 1 7 、2 a 1 1 、6 a 0 2 等，推荐温度为3 6 0 ，根据工件大小与要 求，退火温度可正向或负向各调2 0 3 0 ，保温时间可在o 5 h 2 h 之间。 1 3 课题研究的背景 a 1 m g 系合金属于中强、耐蚀、可焊铝合金，热处理不可强化，主要通过加 工硬化和微合金化的手段来提高该系合金的综合性能。其突出的性能特点是优异 的塑性、耐腐蚀性和焊接性能，加工硬化不降低材料的高耐蚀性和良好的焊接性 能，所以既可以在退火状态使用，也可以在冷作硬化状态使用。 砧m g 系合金是目前铝焊结构中应用最广的合金，具有良好的焊接性能，被 广泛用于大型结构件的焊接结构材料。焊接结构的性能，在基材一定的情况下， 主要取决于焊接工艺和焊丝的合金成分及性能【3 6 1 。其中，焊丝是影响焊缝金属 成分、组织、液固相线温度、近缝区母材