焊接工程学(第三篇 轻合金的焊接)

1、第三篇 轻合金的焊接技术 v第一章 金属焊接性及其试验方法v第二章 铝及其合金的焊接v第三章 铜及其合金的焊接第一章 金属焊接性及其试验方法第一节 金属焊接性概念第二节 焊接性的试验第三节 常用焊接性试验方法第一节 金属焊接性概念 金属焊接性金属焊接性v金属焊接性是指金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。v焊接性包括结合性能和结合后的使用性能。v焊接性主要是金属本身所固有的性能，但工艺条件也起着重要的影响。此外，焊件的使用要求，如载荷的性质、温度的高低、是否承受腐蚀或辐照等，也会影响焊接性评价的。如何分析金属的焊接性 从金属的特性分析焊接性从金属的特性分析焊接性

2、v利用化学成分分析： 1、碳当量法 ； 2、焊接冷裂纹敏感指数；v利用物理性能分析；v利用化学性能分析；v利用合金相图分析；v利用CCT图或SHCCT图分析；如图1-2所示 从焊接工艺条件分析焊接性从焊接工艺条件分析焊接性v热源特点v保护方法v热循环控制v其他工艺因素：1彻底清理坡口及其附近 2严格按规定处理焊接材料 3合理安排焊接顺序 4正确制定焊接规范。第二节 焊接性的试验焊接性试验内容：焊接性试验内容：v焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力；v焊缝及热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力；v焊接接头抗脆性转变能力；v焊接接头的使用性能。焊接性试验方法分类v直接模拟试验类：直接模拟试验类： 1焊接冷裂纹

3、试验 2焊接热裂纹试验 3再热裂纹试验 4层状撕裂试验 5应力腐蚀裂纹试验 6脆性断裂试验v间接推算类间接推算类 概述：概述：不需要焊出焊缝，只是根据材料的化学成分、金相组织、力学性能之间的关系，联系焊接热循环过程进行推测或评估，从而确定焊接性优劣以及所需要的焊接条件。 包括：包括：碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、连续冷却组织转变曲线法、焊接热-应力模拟法、焊接热影响区最高硬度法、焊接区断口金相分析等。v使用性能试验类使用性能试验类 1焊缝及接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验 2高温蠕变及持久强度试验 3断裂韧性试验 4低温脆性试验 5耐腐蚀及耐磨试验 6疲劳试验等选择或制定焊接性试验方法的原

4、则v焊接性试验的条件要尽量与实际焊接时的条件相一致；v焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性；v注意试验方法的经济性。第三节 常用焊接性试验方法 斜斜Y形坡口焊接裂纹试验法形坡口焊接裂纹试验法v主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。v如图1-3所示斜Y形坡口焊接裂纹试验用试件形状及尺寸：v试验焊缝采用手弧焊或采用自动送进焊条电弧焊时分别按照图1-4中的a和b图所示进行。v试样上裂纹长度计算的示意图如图1-5所示。有关裂纹率的计算公式v表面裂纹率：Cf=lf/L*100%v根部裂纹率：Cr=lr/L*100%v断面裂纹率：Cs=Hs/H*100%其中：Cf、Cr、Cs

5、表面、根部、断面裂纹率 lf、lr、Hs表面、根部、断面裂纹长度之和 L试验焊缝长度 Hs5个断面上裂纹深度之和 H5个断面焊缝最小厚度之和直直Y形坡口焊接裂纹试验法形坡口焊接裂纹试验法v主要用于考核焊缝金属的裂纹敏感性。v试验程序与斜Y形坡口相同。v试验焊缝处的坡口形式如图1-6所示：插 销 试 验v用于测定钢材焊接热影响区冷裂纹敏感性，还可测定再热裂纹敏感性和层状撕裂敏感性。v插销试验是将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒，将其插入底板上的孔中，上端于底板表面齐平，试棒上有环形或螺形缺口。实验时在底板上以规定的线能量熔敷一条焊道，起中心线通过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区内

6、。v插销试验的示意图如图1-7所示。插销试棒的形状如图插销试棒的形状如图1-8所示。所示。底板材料应与被测材料相同或热物理底板材料应与被测材料相同或热物理常数基本一致，其形状和尺寸见图常数基本一致，其形状和尺寸见图1-9.压板对接（FISCO）焊接裂纹试验法v主要用于评定热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试验。v试验装置如图1-10所示。v在C形夹具中，试板牢牢固定在试验装置内。试板尺寸如图1-11所示。坡口为I型，厚板时可用Y型。vFISCO试验的焊缝位置如图1-12所示。v裂纹率计算公式： Cr=lr/Lr*100% 其中：CrFISCO试验的裂纹率 lr4条试验焊缝上裂纹长度之和

7、Lr4条焊缝长度之和可调拘束裂纹试验法v主要用于评定热裂纹敏感性。v试验可分为纵向和横向。横向主要用于测试焊缝中央的结晶裂纹和高温失塑裂纹；纵向主要用于测试结晶裂纹和液化裂纹。 如图1-13所示：拉伸拘束裂纹试验v原理：原理： 模拟焊接接头承受的平均约束应力，在一定的坡口形状和一定尺寸的试板间施焊后，冷却规定温度时在焊缝横向施加一个恒定的载荷，直到发生启裂或断裂，调整载荷，可以求得不发生开裂的临界应力，根据此值，即可评定冷裂纹敏感性。刚性拘束裂纹试验v原理：原理： 模拟焊接接头承受外部拘束，由于接头冷却时金属收缩错产生的应力而引起裂纹。v简化原理图如图简化原理图如图1-14所示。所示。 其中:

8、图a为设想的情况； 图b为实际试验机上安装试件的情况。刚性固定对接裂纹试验v主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定热影响区的冷裂纹倾向。v其试件形状、尺寸见图1-15.窗形拘束裂纹试验v主要用于测试多层焊时焊缝横向冷裂及热裂的敏感性。v示意图如图1-16。 其中：图a为窗口及试板； 图b为焊后解剖试板检查裂纹的方式。Z 向 拉 伸 试 验v用于测定层状撕裂敏感性。v示意图如图1-17。 其中：图a是当板厚大于25mm的材料所采用的 沿板厚方向截取小型拉伸试棒的方法。 图b是当板厚小于25mm或者需制备常规拉伸试棒时采用的加工试棒的方法。Z 向 窗 口 试 验v用于测试层状撕裂敏感性。

9、v试件如图1-18所示。第二章 铝及其合金的焊接 第一节 铝及其合金的类型和特性 第二节 铝及其合金的焊接性分析 第三节 铝及其合金的焊接工艺 第一节 铝及其合金的类型和特性 铝及其合金类型铝及其合金类型v工业高纯铝v工业纯铝 非热处理强化合金v防锈铝v硬铝 热处理强化铝合金v超硬铝铝及其合金特性v物理特性：物理特性： 与低碳钢相比，具有密度小、电阻率小、线膨胀系数打、导热系数大的特点。v化学特性：化学特性： 具有优秀的低温韧性、优异的耐蚀性、但是强度低。第二节 铝及其合金的焊接性分析v铝及其合金的化学活泼性强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质。v由于氧化膜密度接近铝，容易形成焊缝的夹杂物

10、；v由于氧化膜易吸水，形成焊缝气孔；v铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象；v焊接时容易产生翘曲变形。焊缝的气孔 形成气孔的特点：形成气孔的特点：v弧柱气氛中水分的影响 弧柱气氛中的氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝及其合金的溶解度变化有关，如图5-1。v氧化膜中水分的影响 防止焊缝气孔的途径防止焊缝气孔的途径v减少氢的来源 焊前清理、正反面全面保护配以坡口刮削v控制焊接工艺 分析如下图所示 TIG焊接工艺参数对气孔倾向的影响见图5-3.MIG焊接工艺参数对气孔倾向的影响见图5-4.板厚及接头形式对焊缝气体含量的影响见图5-5焊接热裂纹的特点特点v易熔共晶体的存在，是产生凝固裂纹的重要原

11、因之一；v在约束条件下焊接时易产生较大的焊接应力；v易熔共晶呈薄膜状展开于晶界会增大合金的热裂倾向，若呈球状聚集在晶粒顶点间时，合金的裂纹倾向最小；v近缝区存在“液化裂纹”。防止焊接热裂纹的途径v合金系统的影响合金系统的影响 1 使主要合金元素含量超过Xm，以便产生“愈合”作用。如图5-7所示。 2 生产中常利用含Si5%的Al-Si合金焊丝解决抗裂问题。 3 Al-Cu系硬铝合金LY16是为了改善焊接性而设计的硬铝合金。如图5-8所示。v焊丝成分的影响焊丝成分的影响 不同的母材配合不同的焊丝，在刚性T形接头的试样上进行TIG焊接，具有不同的裂纹倾向。 如图5-9所示。v焊接工艺参数的影响焊接

12、工艺参数的影响 焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。 应该采用热能集中的焊接方法，采用小的焊接电流和焊接速度，改善抗裂性。焊接接头的等强性 非时效强化铝合金的软化非时效强化铝合金的软化v主要发生在焊前经冷作硬化的合金。v接头的软化主要取决于加热的峰值温度，冷却速度的影响不很明显。v焊前冷作硬化程度越高，焊后软化的程度就越明显。板件越薄，影响越明显。v时效强化铝合金的软化时效强化铝合金的软化 主要是焊接热影响区的“过时效”软化问题，是熔焊条件下不可避免的现象。 焊后经自然时效就可使接头强度性能逐步恢复到或接近母材的水平。 采用小

13、的焊接线能量，焊后进行完全热处理，在固溶或退火状态下焊接可防止热影响区的软化。第三节 铝及其合金的焊接工艺 焊接工艺的一般特点焊接工艺的一般特点 从物理性能上看：从物理性能上看：v铝及其合金的导热性强而热容量大、线膨胀系数大、熔点低和高温强度小，给焊接工艺带来一定困难；铝及其合金由固态变为液态无颜色变化，不易确定接缝的坡口是否熔化，造成操作上的困难。v采用能量集中的热源保证熔合良好；采用垫板和夹具保证装配质量和防止焊接变形。 从化学性质上看从化学性质上看v铝和氧亲和力很大，铝及其合金表面易形成难熔的氧化膜，不仅妨碍焊接并易形成夹杂物，而且还因吸附大量水分而促使焊缝产生气孔。v焊前清理焊丝和母材

14、的氧化膜；加强焊接过程的保护；氩弧焊时利用“阴极清理”作用，气焊或其他熔焊方法时，采用能除去氧化膜的焊剂。 接头形式及坡口准备工作接头形式及坡口准备工作v与结构钢焊接时并无不同。v薄板焊接时一般不开坡口；采用大功率焊接时，不开坡口而可焊透的厚度还可增大；厚度小于3mm时还可以采用卷边接头；氩弧焊的接头形式要使接口间隙的氧化膜能有效的暴露在电弧作用范围内，如图5-13所示。焊接工艺制定问题v各种熔焊方法以氩弧焊的应用最为广泛。v焊接薄板多应用TIG焊法，MIG焊法主要应用于板厚在3mm以上的产品上。v“双丝焊接法”是新近开发应用的一种焊接方法，具有提高焊接速度、减小焊接变形、显著抑制“起皱”现象

15、等优点。v电子束焊及激光束焊也可应用于铝合金焊接结构。氩弧焊焊接铝合金的工艺问题v氩气的纯度要控制在99.9%以上，氧在0.005%以下，氢0.005%以下，水分0.02mg/L，氮0.015%以下。vTIG焊接时一般采用交流电源。 对接焊接时，在一定钨极直径下电流增大，焊接速度也要相应提高。 变动焊接速度时，气体流量要与之匹配，送丝速度也要调整。 功率一定时，焊接速度还与焊件厚度有关。vMIG焊接时，一般采用DCRP，但选用的焊接电流一般要超过“临界电流”值。 MIG焊用于厚板铝合金是有优越性的，但电流不能过大。 MIG焊时，焊接速度可以在很大的范围内变动，送丝速度可以在更大的范围内变动。

16、焊接电流必须适当，关键是确定临界电流。在一定电流下，送丝速度应等于熔化速度。焊丝的选用v铝及其合金的焊丝大致分为：同质焊丝和异质焊丝。v同质焊丝：成分与母材成分相同。v异质焊丝：为适应抗裂性的要求而研制的焊丝，成分与母材有较大差异。v焊丝选择常需考虑：抗裂性、强度、耐蚀性、稀释率、颜色等因素。第三章 铜及其合金的焊接 第一节 铜及其合金的种类与性能简介 第二节 铜及其合金的焊接性分析 第三节 纯铜及黄铜的焊接工艺要点 第一节 铜及其合金的种类与性能简介v铜及其合金从成分上分为：纯铜、黄铜、青铜和白铜，在表面颜色上有所区别。v铜及其合金通常具有良好的导电性能、导热性能和在某些介质中优良的抗腐蚀性

17、能。纯 铜v在退火状态（软态）下抗拉强度较低，塑性较高。经过冷加工变形后（硬态），强度可成倍增加，塑性则大为下降。v纯铜冷加工硬化后，可通过退火处理来提高塑性。黄 铜v普通黄铜：铜和锌的二元合金； 特殊黄铜：在铜锌合金中加入锡、锰、铅等元素。v黄铜中，当含锌量小于30%时，塑性优良；当含锌量为39%46%时，性较脆；v黄铜中应用广泛的是H62黄铜。青铜与白铜v青铜：原指铜锡合金，现指不以锌或镍为主要合金元素的铜合金。v白铜：铜镍合金，焊接结构上也很少应用。第二节 铜及其合金的焊接性分析v难熔合及易变形难熔合及易变形 概述：概述：焊接纯铜及某些铜合金时，若采用的焊接规范与焊接同厚度低碳钢差不多，

18、则母材就很难熔化，填充金属与母材不能很好的熔合，产生焊不透现象。另外，焊后变形也比较严重。 原因：原因：铜导热系数大；铜的线膨胀系数和收缩率也比较大。 措施：措施：使用大功率焊接热源；焊前预热；加入使铜导热性能下降的合金元素。 热 裂 纹v原因原因：氧是铜中经常存在的杂质，铜在熔化状态时较易氧化，生成的氧化物与Cu形成低熔点共晶，其共晶温度低于铜的熔点，使焊缝容易产生热裂纹。v措施：措施：对熔化的金属铜进行脱氧；严格限制用于制造焊接结构的纯铜的含Pb及Bi量；严格限制焊缝中S的含量。气 孔v研究表明，只有氢及水汽容易使铜及其合金焊缝发生气孔。1 氢气孔氢气孔 v原因：原因：铜的导热系数比低碳钢高达七倍以上，结晶凝固过程很快，氢不易析出；在平衡状态