船用铝及其合金的焊接.ppt

铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 1 铝合金的分类 2 铝合金的物理 化学性能 3 铝合金焊接时的气孔 4 铝合金焊接时的裂纹 5 铝合金焊接时的等强性 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 1 铝合金的分类 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 2 Al合金的物理化学性能 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 K PH2 产生气孔时几种金属临界氢分压的比较 Al Cu Ni Fe 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 2 与氢在铝中的溶解度变化有关 氢在铝中的溶解度 氢在铝合金的凝固点时从0 69突降到0 036ml 100g 相差约20倍 这是产生气孔的重要原因 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 母材氧化膜引起的气孔 LF6 TIG 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 6 环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度 0 C以下 湿度不影响气孔的产生 0 C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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 铝合金接头中的结晶裂纹 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 铝合金接头热影响区中的液化裂纹 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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200 300 C 引起晶粒长大 而降低塑性 表现为接头强度低于母材 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 冷作硬化铝Al 4Mg 1Mn接头软化与焊接峰值温度的关系 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 不可热处理铝合金焊接前后强度变化 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity 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 铝合