第7章 常用有色金属的焊接

1、第7章 常用有色金属的焊接 铝及铝合金 常用有色金属 铜及铜合金 钛及钛合金7.1 7.1 铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接知识目标：知识目标： 1.了解铝了解铝及铝合金及铝合金的性能特点和应用；的性能特点和应用； 2.熟悉铝熟悉铝及铝合金及铝合金的焊接性；的焊接性； 3.掌握铝掌握铝及铝合金及铝合金的焊接工艺。的焊接工艺。能力目标：能力目标： 能够根据铝能够根据铝及铝合金及铝合金的实际条件正确分析他们的的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。7.1.1 7.1.1 铝及铝合金的分类、成分及性能铝及铝合金的分类、成分及性能铝铝及及铝铝合合金金

2、的的分分类类变形变形铝合金铝合金铸造铸造铝合金铝合金工业纯铝工业纯铝10001000系系热处理热处理强化强化铝合金铝合金非热处非热处理强化理强化铝合金铝合金Al-Mg-SiAl-Mg-Si锻铝锻铝40004000系或系或60006000系系防锈铝防锈铝30003000或或50005000系系硬铝硬铝20002000系系Al-Cu-MgAl-Cu-Mg超硬铝超硬铝70007000系系Al-Zn-Mg-CuAl-Zn-Mg-Cu新型铝合金新型铝合金Al-LiAl-Li系合金系合金铝硅系合金铝硅系合金铝镁系合金铝镁系合金Al-Cu-Mg-SiAl-Cu-Mg-Si铝铜系合金铝铜系合金铝锌系合金铝锌系

3、合金Al-MnAl-Mn合金合金Al-MgAl-Mg合金合金表表7-1 7-1 铝合金分类铝合金分类表表7-2 7-2 常用铝及铝合金的力学性常用铝及铝合金的力学性能能 7.1.2 铝及铝合金的焊接性铝及铝铝及铝合金的合金的焊接性焊接性 焊缝中的气孔焊缝中的气孔 焊接热裂焊接热裂纹纹 焊接接头的焊接接头的“等强性等强性” 焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性 铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（AlAl2 2O O3 3熔点约为熔点约为20502050，MgOMgO熔点约为熔点约为25002500）, ,加之铝及其合金导热加之铝及其合

4、金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度接性强，焊接时易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可吸收较多水分近，也易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线膨胀系而成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。数大，焊接时容易产生翘曲变形。 表表7-3 7-3 部分铝及铝合金的相对焊接性部分铝及铝合金的相对焊接性焊缝焊缝中的中的 气孔气孔 产生产生 原因原因 控制控制措施措施弧柱气氛中水分的影响弧柱气氛中水分的影响 氧化膜中水分的影响

5、氧化膜中水分的影响 减少氢的来源减少氢的来源 控制焊接工艺控制焊接工艺 1.焊缝中的气孔(1) 气孔的分布特征1) 临近焊缝表层的“皮下气孔”。2) 焊缝中部或根部的“密集气孔”。3) 熔合区边界的“氧化膜气孔”。图图7-17-1(2) 气孔的形成原因1) 焊接区内存在氢的来源。2) 铝合金中氢的溶解度存在突变。3) 铝合金熔池凝固速度快。图图7-2 7-2 氩气中水的体积分数氩气中水的体积分数对气孔生成倾向的影响对气孔生成倾向的影响表7-4氢在铝中的溶解度和扩散速度(3) 气孔的防止措施1) 清除材料表面的氧化膜和污染物。2) 降低气氛中的水分。图图7-3 7-3 铲根对铝镁合金铲根对铝镁合

6、金MIG焊焊焊缝气孔倾向的影响焊缝气孔倾向的影响图7-4相对湿度对焊缝中气孔数量的影响3) 控制焊接参数。图图7-5 7-5 MIG焊的焊缝气孔倾焊的焊缝气孔倾向与焊接参数的关系向与焊接参数的关系2. 热裂纹(1) 热裂纹的形成原因如图7-6所示，铝合金焊接裂纹可能出现在焊缝，也可能出现在焊接热影响区，而在焊缝的弧坑处更容易出现。图7-6铝合金的焊接热裂纹a) 弧坑裂纹b) 焊缝中的热裂纹c) 热影响区中的热裂纹 焊接焊接 热裂纹热裂纹铝合金属于共晶型合金。从理论铝合金属于共晶型合金。从理论上分析，最大裂纹倾向与合金的上分析，最大裂纹倾向与合金的“最大凝固温度区间最大凝固温度区间”相对应。但相

7、对应。但是，由平衡状态图得出的结论与是，由平衡状态图得出的结论与实际情况有较大出入实际情况有较大出入。 在铝中加入在铝中加入CuCu、MnMn、SiSi、MgMg、ZnZn等合金元素可获得不同性能等合金元素可获得不同性能的合金。的合金。 特点特点防止防止途径途径铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主 要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。通过改变焊丝的成分通过改变焊丝的成分通过改变焊接参数通过改变焊接参数 焊接接头的焊接接头的“等强性等强性” 非时效强化铝合金（如非时效强化铝合金（如Al-MgAl-Mg合金），在退火状态下焊接时，合金），在

8、退火状态下焊接时，接头与母材是等强的；在冷作硬化状态下焊接时，接头强度低接头与母材是等强的；在冷作硬化状态下焊接时，接头强度低于母材。表明在冷作状态下焊接时接头有软化现象。时效强化于母材。表明在冷作状态下焊接时接头有软化现象。时效强化铝合金，无论是退火状态下还是时效状态下焊接，焊后不经热铝合金，无论是退火状态下还是时效状态下焊接，焊后不经热处理，接头强度均低于母材。特别是在时效状态下焊接的硬铝，处理，接头强度均低于母材。特别是在时效状态下焊接的硬铝，即使焊后经人工时效处理，接头强度系数也未超过即使焊后经人工时效处理，接头强度系数也未超过60%60%。 Al-Zn-MgAl-Zn-Mg合金的接头

9、强度与焊后自然时效的时间长短有关系，焊合金的接头强度与焊后自然时效的时间长短有关系，焊后仅依靠自然时效的时间增长，接头强度即可提高到接近母材的后仅依靠自然时效的时间增长，接头强度即可提高到接近母材的水平，这是水平，这是Al-Zn-MgAl-Zn-Mg合金值得注意的特点。合金值得注意的特点。 铝合金焊接时的不等强性表明焊接接头发生了某种程度的软化或铝合金焊接时的不等强性表明焊接接头发生了某种程度的软化或性能上的削弱。就焊缝而言，由于是铸态组织，即使在退火状态性能上的削弱。就焊缝而言，由于是铸态组织，即使在退火状态以及焊缝成分与母材一致的条件下，强度可能差别不大，但焊缝以及焊缝成分与母材一致的条件

10、下，强度可能差别不大，但焊缝塑性都不如母材。对于熔合区，非时效强化铝合金的主要问题是塑性都不如母材。对于熔合区，非时效强化铝合金的主要问题是晶粒粗化而降低塑性；时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，晶粒粗化而降低塑性；时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，还可能因晶界液化而产生显微裂纹。无论是非时效强化的合金或还可能因晶界液化而产生显微裂纹。无论是非时效强化的合金或时效强化的合金，（时效强化的合金，（HAZHAZ）都表现出强化效果的损失，即软化。）都表现出强化效果的损失，即软化。 控制控制措施措施改善接头组织成分的不均匀性改善接头组织成分的不均匀性 消除焊接应力消除焊接应力 采取保护措施采取保护措

11、施 焊接接头焊接接头的耐蚀性的耐蚀性影响影响因素因素接头组织均匀性、焊缝金属的接头组织均匀性、焊缝金属的纯度和致密性也是影响接头耐纯度和致密性也是影响接头耐蚀性的因素。焊接应力也是影蚀性的因素。焊接应力也是影 响铝合金耐蚀性的敏感因素。响铝合金耐蚀性的敏感因素。 7.1.3 铝及铝合金的焊接工艺焊接焊接方法方法 焊接焊接材料材料 焊前清理焊前清理和预热和预热铝及铝合金焊丝分为同质铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类焊丝和异质焊丝两大类 也可采用冷压焊、也可采用冷压焊、超声波焊、钎焊等超声波焊、钎焊等 常用的有氩弧焊（常用的有氩弧焊（TIGTIG、MIGMIG）、）、等离子弧焊、电阻焊和电

12、子束焊等等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等 焊接工艺焊接工艺要点要点 化学清理化学清理 机械清理机械清理 焊前预热焊前预热 铝及铝合金的气焊铝及铝合金的气焊 铝及铝合金的钨极氩弧焊（铝及铝合金的钨极氩弧焊（TIGTIG焊）焊） 铝及铝合金的熔化极氩弧焊（铝及铝合金的熔化极氩弧焊（MIGMIG焊）焊） 1. 焊接方法(1) 钨极氩弧焊钨极氩弧焊热量比较集中，电弧燃烧稳定，采用交流或直流反接，可用于焊接铝合金，能得到高质量的接头。(2) 熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊可焊的铝合金厚度明显加大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。(3) 变极性等离子弧焊变极性等离子弧焊技术用于铝合金焊接，明显

13、提高了单道焊接铝合金所能达到的厚度。(4) 激光和电子束焊激光和电子束是焊接铝合金较好的热源，焊接变形小，焊接质量高。(5) 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊属于一种新型的固态连接方法，具有高质量、低成本、低变形、易于自动化等特点，克服了熔焊方法易产生气孔、裂纹及接头性能严重降低的问题，使那些曾经被认为是难于焊接的铝合金变得非常容易焊接，而且焊接效率高，对环境无污染，可以焊接所有牌号的铝合金，为大型铝合金结构产品的开发提供了可能。图7-7搅拌摩擦焊接过程示意图2. 焊接材料表7-5铝及铝合金焊接用焊丝的选择表7-6针对特殊目的而推荐使用的焊接材料与母材的组配3. 焊前准备(1) 焊前清理铝及铝合金焊接时，

14、为了保证焊接质量，在焊前必须清除焊丝(表面抛光焊丝除外)和母材表面上的油污和氧化膜。(2) 施加垫板铝及铝合金在高温时强度很低，焊接时容易下塌。(3) 焊前预热厚度超过58mm的焊件，焊前需将工件慢慢加热到100300，以防止变形、未焊透，并减少气孔。4. 接头设计 5. 焊接参数表7-7纯铝和铝镁合金手工钨极氩弧焊的焊接参数7.1.4 典型铝合金的焊接1. 材质与结构（如图7-8）图7-8纯铝容器结构图1人孔2筒身3管接头4封头2. 焊接工艺要点(1) 焊接方法和参数采用手工钨极氩弧焊的方法，所用焊接参数列于表7-8中。 (2) 焊接材料填充材料采用与母材同牌号的1035焊丝。(3) 焊前准

15、备6mm厚板(筒体)不开坡口，装配定位焊后的间隙为2mm。(4) 焊后检验所有环缝和纵缝采用煤油进行渗透性检验和100%的X射线探伤。表7-8纯铝容器手工钨极氩弧焊焊接参数表7-9 铝及铝合金TIG焊的常见缺陷及防止措施7.2 铜及铜合金的焊接知识目标：知识目标： 1.了解了解铜铜及及铜铜合金合金的性能特点和应用；的性能特点和应用； 2.熟悉熟悉铜铜及及铜铜合金合金的焊接性；的焊接性； 3.掌握掌握铜铜及及铜铜合金合金的焊接工艺。的焊接工艺。能力目标：能力目标： 能够根据能够根据铜铜及及铜铜合金合金的实际条件正确分析他们的的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。焊接性，并可以

16、制定相应的焊接工艺。7.2.1 7.2.1 铜及铜合金的分类、成分及性能铜及铜合金的分类、成分及性能表表7-10 7-10 铜及铜合金的分类铜及铜合金的分类材料名称牌号材料状态或铸模抗拉强度b/MPa伸长率5(%)硬度HBS密度/gcm-2线膨胀系数/10-6K-1热导率/Wm-1K-1熔点/纯铜C11000软态196253508.941.68395.801300硬态3294906黄铜H68软态313.6558.519.9117.04932硬态646.83150C28000软态323.449568.4320.6108.68905硬态5883164C85700砂模245101008.317.04

17、1.8900金属模29415110青铜QSn6.5-0.4砂模343441607070908.819.150.16995金属模6867847.512160200QAl 9-2软态4412040801007.617.071.061060硬态58478445160180C65800软态3433925060808.415.845.981025硬态63773515180白铜B10软态30.931149硬态表表7-11 7-11 铜及铜合金的力学性能和物理性能铜及铜合金的力学性能和物理性能7.2.2 铜及铜合金的焊接性铜及铜铜及铜合金的合金的焊接性焊接性 难熔合及易变形难熔合及易变形 热裂纹热裂纹气孔气

18、孔焊接接头性能的变化焊接接头性能的变化 1. 难于熔化及成形表7-12铜与铁的热物理性能参数的比较2. 热裂倾向大3. 气孔倾向严重 图图7-9 7-9 加入氩中水汽量加入氩中水汽量 对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响 图图7-10 7-10 加入氩中氢气量加入氩中氢气量 对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响 4. 接头性能下降(1) 塑性严重变坏焊缝与热影响区晶粒变粗、各种脆性的易熔共晶出现于晶界，使接头的塑性和韧性显著下降。(2) 导电性下降铜中任何元素的掺入都会使其导电性下降。(3) 耐蚀性能下降铜合金的耐蚀性能是依靠锌、锡、锰、镍、铝等元素的合金化而获

19、得的，熔焊过程中这些元素的蒸发和氧化烧损都会不同程度地使接头耐蚀性下降。7.2.3 铜及铜合金的焊接工艺焊接方法焊接方法和焊接材料和焊接材料 焊前准备焊前准备 焊接工艺焊接工艺及参数及参数 焊丝焊丝 焊条焊条 焊剂焊剂 铜及铜合金焊丝见表铜及铜合金焊丝见表5-245-24铜气焊、碳弧焊铜气焊、碳弧焊常常用用的的见表见表5-255-25 埋弧焊常用的有埋弧焊常用的有HJ431HJ150等等 纯铜焊条、青铜焊条纯铜焊条、青铜焊条 焊丝及焊件表面的清理焊丝及焊件表面的清理 接头形式及坡口制备接头形式及坡口制备 氩弧焊工艺（氩弧焊工艺（TIGTIG、MIGMIG）要点）要点 焊条电弧焊工艺要点焊条电弧

20、焊工艺要点 埋弧焊工艺要点埋弧焊工艺要点 表表7-13 7-13 铜及铜合金焊丝的化学成分和主要用途铜及铜合金焊丝的化学成分和主要用途1. 焊接材料焊接材料(1) 焊丝及焊条铜及铜合金熔焊所用的焊接材料有焊丝(棒)、焊条和焊剂，表7-13是铜及铜合金焊丝的化学成分及性能。表表7-14 7-14 铜及铜合金气焊、碳弧焊用焊剂铜及铜合金气焊、碳弧焊用焊剂(2) 焊剂气焊通用的焊剂主要有硼酸盐、卤化物或它们的混合物，如表7-14所示。2. 焊接方法及工艺(1) 气焊氧乙炔气焊比较适合焊接薄铜片、铜件的修补或不重要结构的焊接。(2) 氩弧焊TIG焊是铜和铜合金的主要焊接方法之一，适于中薄板和小件的焊接

21、和补焊。(3) 埋弧焊埋弧焊焊接铜及铜合金时，厚度小于20mm的工件在不开坡口的条件下可获得优质接头，特别适合于中厚板的长焊缝焊接。 (4) 等离子弧焊等离子弧具有比TIG和MIG电弧更高的能量密度和温度，因而具有焊接速度快热影响区及变形量小等优点。(5) 电子束焊电子束的能量密度和穿透能力比等离子弧还强，利用它对铜及铜合金作穿透性焊接有很大的优越性。3. 接头设计图7-11接头形式及坡口尺寸7.2.4典型铜及铜合金的焊接 纯铜母线的焊接(1) 材质与结构母线主要指的是在发电厂、电解工程中用于传导大电流的初级导线，一般厚度均在10mm以上，母线截面有300mm16mm、200mm12mm、20

22、0mm16mm、200mm28mm等多种尺寸，单根母线长短不等。表7-15纯铜T1的化学成分(2) 焊接材料纯铜母线的焊接填充材料可以用母材本身，也可以用HS201焊丝，有棒状和盘装两种，可用于钨极氩弧焊和埋弧焊，其化学成分见表7-16。表7-16HS201焊丝的化学成分(3) 焊接方法及工艺对于大截面尺寸的纯铜母线，可用的焊接方法有钨极氩弧焊和埋弧焊等。1) 钨极氩弧焊。2) 埋弧焊。知识目标：知识目标： 1.了解了解钛钛及及钛钛合金合金的性能特点和应用；的性能特点和应用； 2.熟悉熟悉钛钛及及钛钛合金合金的焊接性；的焊接性； 3.掌握掌握钛钛及及钛钛合金合金的焊接工艺。的焊接工艺。能力目标

23、：能力目标： 能够根据能够根据钛钛及及钛钛合金合金的实际条件正确分析他们的的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。7.3 钛及钛合金的焊接7.3.1 7.3.1 钛及钛合金的分类和性能钛及钛合金的分类和性能分分类类 在在885以下为密排六方晶格，称为以下为密排六方晶格，称为钛钛 钛合金钛合金 钛合金钛合金 + +钛合金钛合金 根据杂质（主要是氧和铁）含量以及根据杂质（主要是氧和铁）含量以及 强度差别分为强度差别分为TA1TA1、TA2TA2、TA3TA3几个牌号几个牌号 在在885885以上为体心立方晶格，称为以上为体心立方晶格，称为钛钛 其

24、牌号分别以其牌号分别以T T加加A A、B B、C C和和顺序数字表示。顺序数字表示。TA4-TA10TA4-TA10表表示示钛合金，钛合金，TB2-TB4TB2-TB4表示表示钛合金，钛合金，TC1-TC12TC1-TC12表示表示+ +钛合金钛合金 工业工业纯钛纯钛钛钛合金合金表表7-17 7-17 常用钛及钛合金的力学性能常用钛及钛合金的力学性能7.3.2 钛及钛合金的焊接性焊接接头焊接接头区的脆化区的脆化 焊接区焊接区裂纹倾向裂纹倾向 焊缝焊缝气孔气孔 氧的影响氧的影响 氮的影响氮的影响 氢的影响氢的影响 氧为氧为稳定元素稳定元素 氮也是氮也是稳定元素稳定元素 氢是氢是相稳定元素相稳定

25、元素 碳的影响碳的影响 提高强度、降低塑性提高强度、降低塑性 热裂纹热裂纹 材质的影响材质的影响 冷裂纹和冷裂纹和 延迟裂纹延迟裂纹工艺因素的影响工艺因素的影响 图图7-12 7-12 焊缝含氧、氮量变化对焊缝含氧、氮量变化对接头强度和弯曲塑性的影响接头强度和弯曲塑性的影响（图中虚线表示接头强度，实线（图中虚线表示接头强度，实线表示弯曲塑性）表示弯曲塑性） 图图7-13 7-13 氩气中氧、氮和空气含量氩气中氧、氮和空气含量 变化对工业纯钛焊缝硬度的影响变化对工业纯钛焊缝硬度的影响 图图7-14 7-14 含氢量对焊缝及焊接接头力学性能的影响含氢量对焊缝及焊接接头力学性能的影响 7.3.3 钛

26、及钛合金的焊接工艺焊接方法焊接方法及焊接材料及焊接材料应用最多的是钨极氩弧焊应用最多的是钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊 钛及钛合金焊接时的填充钛及钛合金焊接时的填充 金属与母材的成分相似。金属与母材的成分相似。 等离子弧焊、电子束焊、等离子弧焊、电子束焊、 钎焊和扩散焊等也有应用。钎焊和扩散焊等也有应用。 常规的焊条电弧焊、气焊、常规的焊条电弧焊、气焊、CO2CO2气体保护焊不适用于气体保护焊不适用于钛及钛合金的焊接钛及钛合金的焊接 焊前焊前 准备准备 坡口的坡口的制备与制备与装配装配 焊前焊前清理清理 化学化学 清理清理 焊焊 前前 准准 备备采用剪切、冲压和切割下料的工采用剪切、冲

27、压和切割下料的工 件需对其接头边缘进行机械清理。件需对其接头边缘进行机械清理。 钛板热轧后已经过酸洗，但存放较久钛板热轧后已经过酸洗，但存放较久又生成新的氧化膜时，可将钛板浸泡又生成新的氧化膜时，可将钛板浸泡在体积分数为在体积分数为(2-4)%HF+(30%-40)%HNO3+H2O（余量）的溶液中（余量）的溶液中15- 20min，然后用清水冲洗干净并烘干。，然后用清水冲洗干净并烘干。热轧后未经酸洗的钛板，应先进行碱热轧后未经酸洗的钛板，应先进行碱洗。经酸洗的焊件、焊丝应在洗。经酸洗的焊件、焊丝应在h内内焊接，否则要重新酸洗。焊接，否则要重新酸洗。 搭接接头尽可能不采用搭接接头尽可能不采用。

28、厚度大的母材需开。厚度大的母材需开坡口并添加填充金属，尽量采用平焊。坡口并添加填充金属，尽量采用平焊。坡口加工时应采用刨、铣等冷加工工艺，以减坡口加工时应采用刨、铣等冷加工工艺，以减 小热加工时容易出现的坡口边缘硬度增高现象小热加工时容易出现的坡口边缘硬度增高现象。焊接工艺焊接工艺及参数及参数 氩气流量氩气流量 钨极钨极氩弧焊氩弧焊熔化极熔化极氩弧焊氩弧焊（MIGMIG） 气体保护气体保护 工艺参数工艺参数 焊后热处理焊后热处理 等离子等离子弧焊弧焊表表7-19 7-19 钛及钛合金钛及钛合金TIGTIG焊的保护措施及特点焊的保护措施及特点表表7-18 7-18 工业纯钛焊缝表面颜色与接头冷弯角的关系工业纯钛焊缝表面颜色与接头冷弯角的关系 1. 铝及其合金是如何分类的，各以何种铝及其合金是如何分类的，各以何种途径强化？铝合金焊接时存在什么问题，途径强化？铝合金焊接时存在什么问题，在焊接性方面有何特点（哪些焊接性好，在焊接性方面有何特点（哪些焊接性好，哪些焊接性