铝合金与不锈钢的焊接工艺

铝合金与不锈钢的焊接工艺 本组成员 何泰CD20150517朱志权CD20150502赵川CD20150523唐靖炎CD20150532 一 铝合金的焊接工艺 1 铝及铝合金的焊接性 1 强的氧化能力铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄 厚度约0 1 m Al2O3的熔点高达2050 远远超过铝及铝合金的熔点 约660 而且体积质量大 约为铝的1 4倍 焊接过程中 氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合 并易形成夹渣 氧化膜还会吸附水分 焊接时会促使焊缝生成气孔 因此 焊前必须严格清理焊件表面的氧化物 并加强焊接区域的保护 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 焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部 因此 焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量 焊前常需采取预热等工艺措施 3 热裂纹倾向大线膨胀系数约为钢的2倍 凝固时的体积收缩率达6 5 左右 因此焊接某些铝合金时 往往由于过大的内应力而产生热裂纹 生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹 如使用焊丝HS311 4 容易形成气孔形成气孔的气体是氢 氢在液态铝中的溶解度为0 7mL 100g 而在660 凝固温度时 氢的溶解度突降至0 04ml 100g 使原来溶解于液态铝中的氢大量析出 形成气泡 同时 铝和铝合金的密度小 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逸出 留在焊缝内成为气孔 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氢的主要来源 因此焊前必须严格做好焊件的表面清理工作 5 接头不等强度铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化 强度降低使接头与母材无法达到等强度 纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75 100 热处理强化铝合金的接头强度较小 只有母材的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 所以不易判断母材温度 施焊时常会因温度过高无法察觉而导至焊穿 2 铝合金焊接前进行的准备工作 1 焊前清理清理的目的是去除焊件表面的氧化膜和油污 这是防止产生气孔 夹渣的重要措施 1 化学清洗效率高 质量稳定 适用于清理焊丝及尺寸不大 成批生产的焊件 化学清洗分浸洗法和擦洗法两种 清洗剂及清洗工艺 2 机械清理先用有机溶剂 丙酮 松香或汽油 擦拭焊件表面的油污 然后用细铜线刷至表面露出金属光泽 或者用刮刀清理表面 清理后的焊件应在4h内施焊 否则应重新清理 2 垫板为了保证焊透并使焊件不致焊穿或塌陷 焊前可在接缝下面安放垫板 垫板材料可采用石墨 不锈钢或碳钢 表面开一圆弧形槽 以保证反面焊缝成形 3 预热对薄 小的焊件一般可以不用预热 焊接厚度超过5mm的焊件时 为了使接缝附近达到所需要的温度 焊前应对焊件进行预热 预热温度为100 300 3 铝合金焊接后的清理工作焊件焊后留在焊缝及邻近的残存熔剂和焊渣 需要及时清理干净 否则在空气 水分的作用下 残存的溶剂和焊渣会破坏具有防腐作用的氧化铝薄膜 激烈的腐蚀焊件 因此 焊后应立即严格清除焊件上残存的污物 常用的清渣方法和步骤 1 在热水中用硬毛刷仔细地洗刷焊接接头 2 将焊件在温度为60 80 质量分数为2 3 的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗约5 10min 并用硬毛刷仔细洗刷 3 在热水中冲刷洗涤焊件 4 将焊件用热空气吹干或在100 干燥箱内烘干 4 铝及铝合金钨极氩弧焊 TIG焊 的焊接工艺 1 焊丝的选用HS311是一种通用焊丝 采用这种焊丝焊接时 金属流动性好 有较高的抗热裂性能 并能保证一定的强度 但在焊接铝镁合金时 焊缝中会出现脆性化合物Mg2Si 降低接头的塑性和耐腐蚀性 焊接铝 镁合金时应采用HS331 2 焊接接头及坡口形式坡口形式 3 焊接电源应选用交流电源 铝及铝合金钨极氩弧焊 TIG焊 这种焊接适于焊接厚度小于3mm的铝及铝合金薄板 工件变形明显小于气焊 交流TIG焊具有去除氧化膜的清理作用 不用熔剂 避免了焊后熔剂残渣对接头的腐蚀 接头形式不受限制 焊缝成形良好 表面光亮 氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快 改善了接头的组织性能 适于全位置焊接 由于不用熔剂 焊前清理要求比其他焊接方法严格 脉冲TIG焊扩大了氩弧焊的应用范围 特别适用于焊接铝合金精密零件 增加脉冲可减小热输入 有利于薄铝件的焊接 交流脉冲TIG焊有加热速度快 高温停留时间短 对熔池有搅拌作用的特点 焊接薄板 硬铝可得到满意的结果 对仰焊 立焊 管子全位置焊 单面焊双面成形等 也可得到较好的焊接效果 5 铝及铝合金熔化极氩弧焊 MIG焊 焊接工艺与TIG焊相比 MIG焊可焊的铝合金厚度明显增大 而且焊接效率高 适合于自动化生产 MIG焊用于焊接铝及铝合金时通常采用直流反极性 焊接薄 中等厚度板材时 可用纯Ar作保护气体 焊接厚大件时 采用 Ar He 混合气体 也可采用纯He保护 焊前一般不预热 板厚较大时 也只需预热起弧部位 脉冲MIG焊可以将熔池控制的很小 容易进行全位置焊接 尤其焊接薄板 薄壁管的立焊缝 仰焊缝和全位置焊缝是一种较理想的焊接方法 脉冲MIG焊电源是直流脉冲 脉冲TIG焊的电源是交流脉冲 铝及铝合金熔化极氩弧焊 MIG焊 二 不锈钢的焊接工艺 1 不锈钢的性能 1 物理性能热导率小 线膨胀系数大 电阻率大 2 耐腐蚀性1 化学腐蚀 金属与介质 干燥气体和非电解质溶液 发生化学反应而产生的腐蚀 例如 高温氧化 脱碳等 特点 无电流产生2 电化学腐蚀 金属与介质 电解质溶液 即酸 碱 盐溶液 发生电化学反应而产生的腐蚀 特点 有电流产生 2 不锈钢的腐蚀形式 1 均匀腐蚀接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象 2 点蚀在金属材料表面产生尺寸小于1 0mm的穿孔性或蚀坑性宏观腐蚀 原因 材料表面钝化膜局部破坏引起 预防措施 A 降低cl 浓度 B 减少夹杂物 增加均匀性 C 降低含碳量 增加Cr Mo Ni含量 3 缝隙腐蚀金属构件中发生的斑点状宏观蚀坑 原因 间隙中溶液流动发生迟滞 致使溶液中局部cl 浓化 不锈钢表面钝化膜吸附cl 被局部破坏 4 晶间腐蚀在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象 原因 贫铬理论 5 应力腐蚀在特定腐蚀介质和拉应力共同作用下而引起的断裂 3 A 奥氏体 不锈钢的焊接显微组织 奥氏体成分 高铬不锈钢 适量的Ni典型钢种 18 8钢0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti25 20钢2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025 35钢0Cr21Ni324Cr25Ni35 1 焊接分析1 接头的耐蚀性变形能力强 含碳量低 焊接性良好 问题 腐蚀 焊接热裂纹 铁素体含量的控制 脆化等 2 预防措施 降低母材和焊缝中的含碳量 将钢中的碳降低到小于或等于其室温时在 相中的溶解度 这样在加热时就不会有或很少有Cr23C6析出 从而从根本上避免了贫铬层的形成 如00Crl9Ni10 00Crl8Nil0N及焊丝H00Crl9Nil2Mo2 在钢中加入稳定的碳化物形成元素 钛 铌 钽等 如0Crl8Ni11Ti 0Crl8Ni11Nb及焊丝H0Cr20Ni10Ti H0Cr20Ni10Nb等 3 焊后进行固溶处理 固溶处理可使已经析出的Cr23C6重溶于奥氏体中 固溶处理 T 1050 1150 此方法对大型复杂零部件有一定的困难 处理后再次在敏化温度范围加热 仍然会形成贫铬层 4 A不锈钢焊接的工艺要点1 焊前准备A 下料方法的选择 机械切割 等离子弧切割及碳弧气刨等 最好等离子弧切割 B 坡口的制备适当减小V形坡口角度 当板厚大于10mm时 应尽量选用焊缝截面较小的U形坡口 C 焊前清理将坡口两侧20mm 30mm范围内的焊件表面清理干净 如有油污 可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭 对表面质量要求特别高的焊件 应在适当范围内涂上用白垩调制的糊浆 以防飞溅金属损伤表面 D 表面防护避免损伤钢材表面 不允许用利器划伤钢板表面 不允许随意到处引弧等 2 焊接方法焊接奥氏体不锈钢时 应控制焊接热输入和层间温度 以防止热影响区晶粒长大及碳化物析出 应根据具体焊接性和使用要求选择 A 焊条电弧焊同样直径的焊条 焊接电流值应比低碳钢焊条降低20 左右 焊条长度应比碳素钢焊条短 采用直流反接施焊 多层焊时 待上一层焊道冷到60 以下再焊下一层焊道 以防晶间腐蚀 在焊接过程中 应注意提高焊接速度 同时焊条不作横向摆动 B 熔化极惰性气体保护焊一般采用直流反接法 焊接电流为相同直径的碳钢焊丝的80 保护气体可用纯Ar Ar O2 CO2 或Ar十He十CO2混合气 板厚 6 25mm用喷射过渡 6mm用短路过渡 CO2气体保护焊不适合焊接A不锈钢 因为CO2焊接时使焊缝增碳 Cr CO2 Cr2O3 C C 钨极氩弧焊焊缝成形好 线能量很低 特别适合焊接对过热敏感的各种奥氏体钢 一般采用直流正接 以防止因电极过热而造成焊缝中渗钨的现象 但因生产效率较低 成本高 一船只用于焊接6mm以下的薄板 D 埋弧焊 含埋弧堆焊及电渣堆焊等 是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法 其固有的焊接质量稳定 焊接生产率高 无弧光及烟尘很少等优点 使其成为压力容器 管段制造 箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法 5 焊接材料选择A 适用性原则B 注重实验验证C 考虑熔合比大小对焊缝成分的影响D 根据焊接性要求确定合金化程度E 注重具体合金成分在该合金系统中的作用 6 焊接工艺要点A 合理选择焊接方法 药芯焊丝电弧焊最好 不锈钢薄板宜用TIG焊 厚板用气保焊 B 控制焊接参数 避免接头产生过热 如热输入比焊接碳钢时小20 30 焊接时采用小电流 窄道快速焊 I 25 35 d 焊完进行强制冷却 加垫板 水冷等 避免交叉焊缝 多层焊时使层间温度冷却到60 以下再焊下一道 C 注意焊接接头设计的合理性 A钢焊接时选择同质材料 坡口一般60 选择镍基材料做焊材时 坡口需增大80 D 尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定 E 控制焊缝成形 保证焊件表面完好无损 焊接时要避免焊件碰撞损伤和在焊件表面进行引弧 造成局部损伤影响其耐蚀性 F 焊后热处理奥氏体不锈钢焊接后 原则上不进行热处理 只在焊接接头产生了