有色金属焊接.ppt

6铝和铝合金的焊接 一 概述1 铝的性能特点密度小 导电及导热性能好 抗大气腐蚀性好 塑性高 强度低 无磁性 无打击火花 加工工艺性好等 2 纯铝的分类 高纯铝L01 04 工业高纯铝L0 L00 工业纯铝L1 5 3 铝合金的分类 Cu Mg和Mn能提高强度 Ti能细化晶粒 Mg能防止海水的腐蚀 Ni能提高耐热性 铝合金的分类 形变铝合金 铸造铝合金 不能热处理强化铝合金 能热处理强化铝合金 合金元素及加工工艺性 4 常用的铝合金 1 形变铝合金 deformationaluminumalloy A 防锈铝合金 LF Al Mn通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 比纯铝好 例如 LF21 Al Mg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 比纯铝轻 例如 LF2 LF6等 按化学成分和性能特点 分为防锈铝 硬铝 超硬铝和锻铝 不能热处理强化 B 硬铝合金 LY Al Cu Mg通过时效强化提铝合金强度 但耐蚀性不高 LY1 LY11 LY12 C 超硬铝合金 LC Al Zn Mg Cu通过时效强化和形成的强化相 使铝合金达到最高的硬度和强度 但耐蚀性较差 LC4 LC9 飞机主起落架 D 锻铝合金 LD Al Mg Si Cu具有良好的热塑性 通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能 LD5 LD6 LD10 压气机叶片 制造形状复杂的大型锻件 如内燃机的活塞 汽缸等 2 铸造铝合金 castaluminumalloy 铸造铝 硅合金铸造铝 铜合金铸造铝 镁合金铸造铝 锌合金 二 铝和铝合金的焊接性 1 容易氧化铝的化学性质活泼 与氧的亲和力很强 在空气中极易与氧结合生成致密的氧化铝 Al2O3 膜 氧化膜对焊接过程造成以下影响 熔点高达2050 而铝只有600 易形成未熔合 密度大 Al2O3为3 965g cm3 约为铝的1 4倍 易形成夹渣 氧化铝膜存在于熔池表面时 影响电弧的稳定燃烧 阻碍焊接过程的正常进行 氧化膜对水分有很高的吸附能力 在焊接时会促使焊缝中生成气孔 预防 严格清理焊件表面的氧化物 对熔池及高温区金属应进行有效保护 防止在焊接过程中的再氧化 2 焊接时耗能大铝合金的熔点虽低 但其比热容高 约是钢的2倍 热导率大 约是钢的3倍 线膨胀系数大 约是铁的2倍 因此 焊接铝及铝合金比焊接钢要消耗更多的热量 为防止变形 必须采用能量集中 功率密度大的热源 有时还需采用预热等工艺措施 3 气孔倾向性大氢是铝在熔焊时产生气孔的主要原因 氢的来源 1 弧柱气氛中的水分 焊材及母材所吸附的水分 2 表面氧化膜对水分的吸附能力很强 特别是组织疏松的MgO膜 氢气孔易产生的原因 1 氢在液态和固态铝中的溶解度相差很大 近20倍 高温下溶入的大量气体 在焊后冷却凝固过程中由于溶解度的变化要析出大量气体 2 铝和铝合金的导热能力强 焊后冷却速度快 不利于气体的析出 3 铝和铝合金的密度小 气泡上浮速度慢 防止产生气孔的途径 1 减少氢的来源 烘干焊接材料 焊前清理氧化膜等 2 控制焊接参数 即通过焊接参数的调整影响熔池高温存在时间 从而影响氢溶入时间和析出时间来控制气孔产生 TIG焊 小热输入 减少熔池存在时间 减少氢的溶入同时未保证根部熔透 需用大电流 所以应 I大 V大 MIG焊 水分主要来自氧化膜 增大熔池存在时间 气泡析出 所以应 I大 V小 必要时预热 3 改变弧柱气氛性质 如氩弧焊中 Ar中加入少量CO2或O2 是氢发生氧化从而减小氢的分压 4 焊接热裂纹倾向大纯铝和非热处理强化铝合金 如Al Mn Al Mg合金等 一般是不容易产生裂纹的 而硬铝及大部分热处理强化铝合金 产生裂纹的倾向较大 原因 1 铝及铝合金的线膨胀系数大 在接头中容易形成较大的拘束应力 2 铝合金大多数属于共晶型合金 其凝固结晶过程是在一定温度区间进行的 其热裂纹倾向与结晶温度区间的大小有直接关系 控制措施 1 调整焊缝成分 如高强铝合金 硬铝 超硬铝 焊接时 常采用含硅量wSi 5 的A1 Si焊丝 SAlSi5 它能形成足够数量的低熔点共晶 流动性好 可填充液态金属收缩时产生的空隙 起到 愈合 作用 2 采用合理的焊接方法及工艺 如应用加热和冷却速度都比较快的焊接方法 如MIG焊 有利于减小热裂纹的产生 5 焊接接头的力学性能下降 1 非热处理强化铝合金的软化在退火状态下焊接 不出现软化 在冷做硬化状态下焊接 加热温度超过一定温度时 将发生再结晶软化 导致接头强度降低 原因 A 焊接HAZ晶粒变粗 B 接头局部冷作硬化效果减退或消失 可通过采用热量集中的焊接方法和焊后冷态敲击接头进行预防 2 热处理强化铝合金的软化无论在退火状态还是时效状态下焊接 焊后不热处理 在焊缝 熔合区或HAZ容易出现强度下降 原因 A 由于热处理强化铝合金热裂纹倾向大 选取的焊丝与母材成分差别大 导致强度低于母材 B 焊缝为粗大的铸态组织 强度 塑性低于母材 C HAZ的软化主要因为焊接最高温度下发生 过时效 即HAZ强化相脱溶析出聚集长大使强化效果消失 预防 小热输入 焊后进行固溶和人工时效处理 6 焊接接头耐蚀性下降纯铝和防锈铝多用于要求耐腐蚀的场合 但生产实践证明 即使采用可靠的焊接方法 如氩弧焊 配以纯度较高的焊丝 严格按照操作规程焊接 焊接接头的耐蚀性一般仍低于母材 原因 1 接头的组织不均匀由于焊接热过程的影响 使得焊缝和热影响区组织不均匀 并且还存在着偏析 会使接头各部位产生电极电位差 在腐蚀介质中形成微电池 产生电化学腐蚀 从而破坏了氧化膜的完整性和致密性 使腐蚀过程加速 2 焊接接头存在有焊接缺陷在焊接接头中总是或多或少地存在有焊接缺陷 如咬边 气孔 夹杂物 未焊透等 这些缺陷破坏了接头表面氧化膜的连续性 3 焊缝金属铸造组织的影响焊缝组织较母材粗大疏松 表面也不如母材光滑 表面氧化膜的连续性和致密性差 另外 焊缝为铸造组织 具有明显的枝状晶特点 由于存在着枝晶偏析 具有很大的组织和成分不均匀性 以及焊缝金属枝状晶的结晶方向 对其耐蚀性均有一定的影响 4 焊接应力的影响焊接应力的存在 容易产生应力腐蚀 预防措施 A 选用纯度高于母材的焊丝 以减少焊缝金属中的杂质含量 B 选择合适的焊接方法及焊接参数 以减小HAZ 防止接头过热 C 焊后碾压或锤击焊缝表面 使焊缝铸造组织趋于致密 消除局部拉应力 D 调节工艺条件 改善焊缝柱状晶成长方向 7 塌陷铝及铝合金的熔点低 高温强度低 而且熔化时没有显著的颜色变化 因此焊接时常因温度过高无法察觉而导致塌陷 为了防止塌陷 可在焊件坡口下面放置垫板 并控制好焊接工艺参数 三 铝和铝合金的焊接工艺1 焊前准备 包括焊前清理 设置垫板和预热 A 焊前清理 去除坡口表面的油污和氧化膜等污物 氧化膜的清理有机械清理和化学清理两种方法 在清除氧化膜之前 应先用有机溶剂 丙酮或酒精 将坡口及其两侧 各约30mm内 的油污 脏物清洗干净 1 机械清理 坡口两侧30 40mm范围内的氧化膜去除 直到露出金属光泽为止 2 化学清理 用酸或碱溶液来溶解金属表面的氧化膜 最常用的方法是 用 5 10 体积的NaOH溶液 约70 浸泡坡口两侧各100mm范围 30 60s后先用清水冲洗 然后在约15 的HNO3水溶液 常温 中浸泡2min 用温水冲洗后再用清水洗干净 最后进行干燥处理 氧化膜清除后 通常应在2h之内焊接 否则会有新的氧化膜生成 B 设置垫板垫板由铜或不锈钢板制成 用以控制焊缝根部形状和余高量 垫板表面开有圆弧形或方形槽 C 预热薄 小铝件可不预热 厚度超过5 8mm的铝件焊前应预热至150 300 多层焊时 注意控制层间温度不低于预热温度 2 焊接方法选择需要采用热量集中的热源 否则 将会造成未焊透或者因加热不集中而变形严重 就熔焊而言 国内最常见的方法是气焊 氩弧焊 焊条电弧焊应用较少 1 气焊 功率低 热量分散 HAZ及工件变形大 生产率低 焊后接头晶粒粗大 容易产生夹渣 裂纹等缺陷 用于厚度0 5 10mm的不重要结构 铸铝件焊补 2 焊条电弧焊 电弧稳定性较大 飞溅大 接头质量较差 仅用于板厚大于4mm且要求不高的工件焊补及修复 3 TIG焊 电弧热量集中 燃烧稳定 焊缝成形美观 接头质量较好 广泛用于厚度6mm以下薄板件的焊接 4 MIG焊 电弧功率大 热源集中 焊件变形及HAZ小 生产效率高 用于焊接50mm以下中厚板 5 电子束焊 功率密度大 焊缝深宽比大 HAZ及焊件变形极小 生产效率高 接头质量好 用于厚度3 75mm的板材焊接 6 电阻焊 利用工件内部电阻产生热量 焊缝在外压下凝固结晶 不需要焊接材料 生产率高 用于焊接4mm以下的铝薄板 3 焊接材料选择铝及铝合金的焊接材料包括铝焊丝 铝气焊熔剂和焊条等 铝焊丝通常分为 1 专用焊丝是专用于焊接与其成分相同或相近的母材 可根据母材成分选用 若无现成焊丝 也可从母材上切下窄条作为填充金属 2 通用焊丝其中HS311 铝硅焊丝 是一种通用焊丝 主要成分为Al Si5 用这种焊丝焊接时 焊缝金属流动性好 抗裂性能好 并能保证一定的接头性能 但用它焊接铝镁合金时 焊缝中会出现脆性相 降低接头的塑性和耐腐蚀性 因此用来焊接除铝镁合金以外的其他各种铝合金 3 特种焊丝是为焊接各种硬铝 超硬铝而专门冶炼的焊丝 这类焊丝的成分与母材相近 一般是在母材的基础上加入变质剂 如Ti Zr V B等 并适当调整合金元素 如Cu Mg Zn 的含量 以达到细化晶粒 缩小结晶温度区间或增加共晶数量的目的 与专用焊丝相比 焊缝金属既有良好的抗裂性 又有较高强度和塑性 气焊熔剂 去除焊接时的氧化膜及其他杂质 改善熔池金属的流动性 气焊熔剂一般是由含有K Na Li Ba等元素的氯化物和氟化物组成 如KCl BaCl2 LiCl及Na3AlF6 铝冰晶石 等 这些盐类与氧化铝反应后可生成易于挥发的A1Cl3或A1F3 如 6LiCl A12O3 A1Cl3 3Li2O 焊条 其药皮组成与气焊熔剂相似 一般由氯化物和氟化物组成 4 焊接工艺要点 1 电源极性MIG一律采用直流反接 TIG一般采用交流焊 在电流方向变化时 有一个半周相当于直流反接 工件为阴极 具有阴极破碎作用 而另一个半周相当于直流正接 钨极为阴极 钨极发热量小 防止钨极熔化 造成夹钨 2 焊接操作A TIG焊前应检查阴极破碎作用 即引燃电弧后 电弧在工件上面垂直不动 熔化点周围呈乳白色 即有阴极破碎作用 B 为防止金属过热及接头晶粒粗大 气焊焊接操作时采用左向焊法 同时应注意焊接层数不宜过多 C 焊接时钨不要触及熔池以免钨极熔化造成夹钨 焊接结束时 注意填满弧坑 防止弧坑裂纹 D 填充焊丝与工件间应保持一定的角度 焊丝倾角越小越好 一般约为10 25 倾角太大容易扰乱电弧及气流的稳定性 室外焊接时 应注意在焊接区周围采取防风措施 5 焊后清理铝及铝合金焊后残留在焊缝及邻近区域的熔剂和焊渣 在空气 水分的参与下会腐蚀焊件 因此必须及时清理干净 清理方法 将焊件放在10 的硝酸溶液中浸洗 处理温度为15 20 时间为15 20min 或处理温度为60 65 时间为5 15min 浸洗后用冷水冲洗一次然后用热空气吹干或在100 的干燥箱内烘干 6铜和铜合金的焊接 1 铜的性能特点 密度大 导电及导热性能好 抗大气腐蚀性好 塑性高 强度低 无磁性 无打击火花 加工工艺性好等 2 纯铜的分类 工业纯铜T1 T4 无氧铜TU2 一 概述 3 铜合金的分类 黄铜 Cu Zn 白铜 Cu Ni 青铜 除黄铜和白铜外的所有铜合金 二 铜及铜合金的焊接性 1 焊缝难熔 成形能力差铜的熔点比钢低 但纯铜的导热性特别高 在常温下的热导率比铁大7倍 在1000 时大11倍 焊接时大量的热将散失于工件内部 坡口边缘难以熔化 造成填充金属与母材不能很好地熔合 容易形成未焊透 铜在熔化温度时的表面张力比铁小三分之一 流动性比钢大1 1 5倍 表面成形能力差 尤其是在大功率的埋弧焊或MIG焊时 熔化金属容易流失 预防 1 采用较大功率的热源 同时焊接纯铜时应充分预热 2 单面焊时反面必须附加垫扳成形装置 2 容易产生焊接热裂纹纯铜在恒温下凝固没有固液共存的温度区间 但焊缝及热影响区仍有较大的热裂倾向 原因 1 纯铜焊接时一般都需要高温预热和采用大线能量 不仅使焊接应力增大 还容易使接头生成粗大柱状晶 2 铜中的杂质 主要为铅 铋等低熔点元素及氧 在晶界偏聚 很容易在凝固后期形成液态薄膜 促使热裂纹敏感性加大 3 铜和铜合金的线膨胀系数和收缩率较大 焊接接头的应力较大 使接头的热裂倾向增大 防止热裂纹措施 1 严格控制母材与焊接材料中的氧 铅 铋 硫等杂质的含量 2 通过在焊丝中加入硅 锰 磷等合金元素 增强对焊缝的脱氧能力 3 采用热量集中的焊接方法 控制焊接线能量 以避免接头过热 并采取工艺措施 尽可能降低接头的应力 3 气孔倾向严重主要是由氢所引起的扩散性气孔和氧化还原反应引起的反应气孔 原因 1 液 固态转变时的溶解度差值大 7 2倍 导致大量气体析出 2 铜的热导率大 焊缝的冷却速度比钢大得多 在高温时所溶解的大量气体会来不及析出 3 在焊接高温下铜与氧所生成的Cu2O 在熔池结晶过程中不溶于铜而析出 它与溶解在液态铜中的氢会发生下列反应 Cu2O 2H 2Cu H2O生成的水蒸气不溶于铜 而促使反应性气孔形成 含氧铜的气孔敏感性要比无氧铜大 预防 1 限制氢 氧来源 2 预热等方法来延长熔池存在时间 使气体易于析出 3 在焊丝中加入一定量的脱氧元素如硅 锰 铝 钛等 4 焊接接头性能下降铜及铜合金在熔焊过程中 由于晶粒严重长大 杂质和合金元素的掺入 使合金元素氧化 蒸发 接头性能发生了很大的变化 如 塑性严重变坏 导电性下降 耐蚀性能下降 三 焊接工艺1 焊前准备和焊后清理铜及铜合金焊接的焊前准备和焊后清理与铝及其合金焊接时相似 2 焊接方法的选择铜及铜合金导热性好 一般需要大功率 高能量的焊接方法 必须根据被焊材料的成分 厚度和结构