有色金属焊接

1、6 有色金属焊接有色金属焊接一、概述一、概述 1 1、铝的性能特点、铝的性能特点 密度小密度小; ;导电及导热性能好导电及导热性能好; ;抗大气腐蚀性好抗大气腐蚀性好; ;塑性高塑性高; ; 强度低强度低; ;无磁性无磁性; ;无打击火花无打击火花; ;加工工艺性好等。加工工艺性好等。铝合金的焊接 线膨胀系数大，比热大，是钢的线膨胀系数大，比热大，是钢的1倍；倍；比热大，是钢的比热大，是钢的2倍；倍；密度小；密度小；晶型是面心立方，没有同素异构转变，塑性好，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。无低温脆性转变，但强度比较低。2 2、铝合金的分类、铝合金的分类

2、Cu Cu、MgMg和和MnMn能提高强度，能提高强度，TiTi能细化晶粒，能细化晶粒，MgMg能防止海水的腐能防止海水的腐蚀，蚀，NiNi能提高耐能提高耐热性。热性。 铝合金铝合金的分类的分类形变铝合金形变铝合金铸造铝合金铸造铝合金不能热处理强化铝合不能热处理强化铝合金金:主要在主要在1、3、5系系列列 能热处理强化铝合能热处理强化铝合金金: 2、6、7和和8系列系列（合金元素及（合金元素及加工工艺性）加工工艺性）3 3、常用的铝合金、常用的铝合金A、防锈铝合金、防锈铝合金 ( LF ) : Al Mn Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 (

3、 ( 比纯铝比纯铝好好 ) )。例如。例如:LF21:LF21。 Al Mg Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( ( 比纯铝比纯铝轻轻 ) )。 例如例如:LF2:LF2、LF6LF6等。等。 按化学成分和性能特点，分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。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。不能热处理强化。飞机翼梁飞机翼梁( (腹板为硬铝合金腹板为硬铝合金) )B B、硬铝合金、硬铝合金 ( LY ) ( LY ) Al Cu Mg Al Cu Mg 通过通过时效强化提铝合金强度时效强化提铝合金强度, ,但耐蚀性不

4、高。但耐蚀性不高。LY1LY1、LY11LY11、LY12LY12。C C、超硬铝合金、超硬铝合金 ( LC ) ( LC ) Al Zn Mg Cu Al Zn Mg Cu 通过通过时效强化和形成的强化相时效强化和形成的强化相, ,使铝合金达到最高的硬度和使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。强度。但耐蚀性较差。LC4LC4、LC9LC9。 飞机主起落架飞机主起落架D D、锻铝合金、锻铝合金 ( LD ) :( LD ) : Al Mg Si Cu Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性具有良好的热塑性, ,通过固溶处理和人工时通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。效来提高铝

5、合金的力学性能。LD5LD5、LD6LD6、LD10LD10。压气机叶片压气机叶片制造形状复杂的大型制造形状复杂的大型锻件，如内燃机的活锻件，如内燃机的活塞、汽缸等。塞、汽缸等。铝合金的分类铝合金的分类分类分类合金名称合金名称合金系合金系性能特点性能特点牌号示例牌号示例变变形形铝铝合合金金非热处理强非热处理强化铝合化铝合金金防锈铝防锈铝Al-MnAl-Mn抗蚀性、压力加工性与焊接性抗蚀性、压力加工性与焊接性能好，但强度较低能好，但强度较低3A213A21Al-MgAl-Mg5A055A05热处理强化热处理强化铝合金铝合金硬铝硬铝Al-Cu-MgAl-Cu-Mg力学性能高力学性能高2A112A1

6、1超硬铝超硬铝Al-Cu-Mg-ZnAl-Cu-Mg-Zn强度最好强度最好7A047A04锻铝锻铝Al- Mg-Si- CuAl- Mg-Si- Cu锻造性能好，耐热性能好锻造性能好，耐热性能好6A026A02Al-Cu-Mg-Fe-NiAl-Cu-Mg-Fe-Ni2A702A70铸造铝合金铸造铝合金铝硅合金铝硅合金Al-SiAl-Si铸造性能好，不能热处理强化，铸造性能好，不能热处理强化，力学性能较低力学性能较低ZL102ZL102特殊铝合金特殊铝合金Al-Si-MgAl-Si-Mg铸造性能良好，可热处理强化，铸造性能良好，可热处理强化，力学性能较高力学性能较高ZL101ZL101Al-Si

7、-CuAl-Si-CuZL107ZL107铝铜铸造合铝铜铸造合金金Al-CuAl-Cu耐热性好，铸造性能与抗蚀性耐热性好，铸造性能与抗蚀性差差ZL201ZL201铝镁铸造合铝镁铸造合金金Al-MgAl-Mg力学性能高，抗蚀性好力学性能高，抗蚀性好ZL301ZL301铝及其合金的牌号、成分及性能纯铝牌号以国际四位数字体系表达：如1A99表示铝的质量分数为 99.99 的原始纯铝；1B99表示铝的质量分数为 99.99的改型纯铝；1070表示杂质极限含量无特殊控制、铝的质量分数为 99.70的纯铝；常用的纯铝牌号有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、10

8、35、1200。纯铝的主要用途是代替贵重的铜合金，制作导线、电器元件及换热器件；制作各种要求质轻、导热、耐大气腐蚀但强度不高的器具；配制各种铝合金。变形铝合金的牌号也用四位国际字符体系来表示。例如，2A11表示铝铜原始合金；5A05表示铝镁原始合金，5B05表示铝镁改型合金。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母、或其他字母（有时也用数字）。第一位数字为29，表示变形铝合金的不同组别，其中“2”表示铝铜合金，“3”表示铝锰合金，“4”表示铝硅合金等；最后两位数字为合金的编号，没有特殊意义，仅用来区分同一组别中的不同合金；如果第二位字母为A，则表示原始合金，如果是B或其他字母，则

9、表示原始合金的改型合金，如果是数字，则0表示原始合金，19表示改型合金。二、铝和铝合金的焊接性二、铝和铝合金的焊接性1 1、容易氧化、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（成致密的氧化铝（AlAl2 2O O3 3）膜，氧化膜对焊接过程造成以下影响：）膜，氧化膜对焊接过程造成以下影响： 熔点高达熔点高达20502050（而铝只有（而铝只有600600），易形成未熔合；），易形成未熔合； 密度大（密度大（AlAl2 2O O3 3为为3.965g/cm3.965g/cm3 3），约为铝的），约

10、为铝的1.41.4倍，易形成夹渣；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；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。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：预防：严格清理焊件表面的氧化物；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。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 2、焊接时耗能大、焊接时耗能大 铝合金的熔点虽低，但其比热容高（约是钢的铝合金的熔点虽低，但其比

11、热容高（约是钢的2 2倍），热导率大（约倍），热导率大（约是钢的是钢的3 3倍），线膨胀系数大（约是铁的倍），线膨胀系数大（约是铁的2 2倍）。因此，焊接铝及铝合金倍）。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。度大的热源，有时还需采用预热等工艺措施。3 3、气孔倾向性大、气孔倾向性大 氢是铝在熔焊时产生气孔的主要原因。氢是铝在熔焊时产生气孔的主要原因。 氢气孔易产生的原因：氢气孔易产生的原因：（1 1）氢在液态和固态铝中的溶解度相差很大（近）氢在液态和

12、固态铝中的溶解度相差很大（近2020倍），高温下溶入的大倍），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。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 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；）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 3）铝和铝合金的密度小，气泡上浮速度慢。）铝和铝合金的密度小，气泡上浮速度慢。 氢的来源：氢的来源：（1 1）弧柱气氛中的水分、焊材及母材所吸附的水分；）弧柱气氛中的水分、焊材及母材所吸附的水分；氢在铝中的溶解度（氢在铝中的溶解度（pH2=101kPa) 铝合金焊接中的

13、铝合金焊接中的“皮下气孔皮下气孔”（LF6LF6，TIGTIG） 冷却速度很大时，在凝固点以上溶解度差形成的气孔虽冷却速度很大时，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。然不多，但来不及逸出，形成粗大孤立的皮下气孔。 冷却速度较小，在凝固点溶解度发生突变，沿结晶的层状冷却速度较小，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线形成均布形式的“结晶层气孔结晶层气孔”。铝合金焊缝中均布形式的铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔结晶层气孔”（Al-Zn-Mg,TIGAl-Zn-Mg,TIG） 不同合金系对弧柱气氛中水分的影响不同：纯铝对气氛中的水分最不同合

14、金系对弧柱气氛中水分的影响不同：纯铝对气氛中的水分最敏感。敏感。Al-MgAl-Mg合金合金MgMg含量增高，氢的溶解度和引起气孔的临界氢分压含量增高，氢的溶解度和引起气孔的临界氢分压p pH H2 2随之增大，因而对吸收气氛中水分不太敏感。随之增大，因而对吸收气氛中水分不太敏感。同样焊接条件下，纯铝焊同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些。缝产生气孔的倾向要大些。 不同的焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性也不同：不同的焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性也不同：MIGMIG焊时，焊丝焊时，焊丝以细小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，以细小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于

15、弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴金属易于吸收氢；熔滴金属易于吸收氢；TIGTIG焊时，熔池金属表面与气体氢反应，因比表面焊时，熔池金属表面与气体氢反应，因比表面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如MIGMIG焊时容易。同时，焊时容易。同时，MIGMIG焊的熔深一般大于焊的熔深一般大于TIGTIG焊的熔深，也不利于气泡的浮出。所以，焊的熔深，也不利于气泡的浮出。所以，在同在同样的气氛条件下，样的气氛条件下，MIGMIG焊时焊缝气孔倾向比焊时焊缝气孔倾向比TIGTIG焊时大。焊时大。 （2 2）氧化膜中水分的影响）氧化膜中水分的影响 在正常的焊接

16、条件下，对于气氛中的水分已严格限制，在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已严格限制，这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如的主要原因。氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-MgAl-Mg合合金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。MIGMIG焊由于焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多。分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得

17、多。 纯铝焊丝表面清理方法对焊缝含氢量的影响 处理方法未处理不完全的机械刮削15%NaOH（2min）+15%HNO3（8min）+水洗干燥沸腾蒸馏水中加热1h，室内存放1d气体总量 /mL100g-12.81.61.08.7氢量 /mL100g-12.11.30.76.9氢体积比率 (%)74.981.370.079.3 TIGTIG焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除净的氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。这种净的氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。这种氧化膜不仅提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着。刚形氧化膜不仅提供了氢的来

18、源，而且能使气泡聚集附着。刚形成熔池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，成熔池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，则氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上萌生气泡；则氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上萌生气泡；由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡是在熔化早期形成的，有条件长大，所以常造成集中的大气是在熔化早期形成的，有条件长大，所以常造成集中的大气孔。这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重。坡口端部氧化孔。这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重。坡口端部氧化膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口边缘分布，

19、内壁呈氧化膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口边缘分布，内壁呈氧化色，这是其重要特征。由于色，这是其重要特征。由于Al-MgAl-Mg合金比纯铝更易于形成疏合金比纯铝更易于形成疏松而吸水性强的厚氧化膜，所以松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-MgAl-Mg合金比纯铝更容易产合金比纯铝更容易产生这种集中的氧化膜气孔。因此，焊接铝镁合金时，焊前须生这种集中的氧化膜气孔。因此，焊接铝镁合金时，焊前须仔细清除坡口端部的氧化膜。仔细清除坡口端部的氧化膜。铝合金的焊接 焊缝气孔的影响因素焊缝气孔的影响因素 1）焊接方法的影响）焊接方法的影响 MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡，焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔

20、池过渡， 弧柱弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸氢；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，吸氢条件不如小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如MIG有利；有利； 另外，另外，MIG焊熔池深度大于焊熔池深度大于TIG焊，不利于氢气泡的焊，不利于氢气泡的逸出。逸出。铝合金的焊接 2）极性的影响）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，的产生，但钨极易烧损，形成缺陷；正接

21、时无阴极雾化作用，熔深大，对气泡逸出不利，所以采用交流。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，也没有钨焊时，采用直流反接，无阴极雾化作用，也没有钨极烧损。极烧损。铝合金的焊接 3）焊接工艺参数）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。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；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

22、为显著，不能通过减少熔池焊时，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。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 4）保护气体中的水分和氧化性影响）保护气体中的水分和氧化性影响 采用高纯采用高纯Ar或采用或采用Ar+He改变（即提高）热容量，改改变（即提高）热容量，改变溶池形状，使尖变溶池形状，使尖“V”型变为圆底型，延长溶池停留时间，型变为圆底型，延长溶池停留时间，有利于气孔逸出；有利于气孔逸出； 或者采用或者采用Ar

23、+0.51%O2，Ar+25%CO2，增强保护气氛增强保护气氛的氧化性，减少氢。的氧化性，减少氢。铝合金的焊接 5）表面状态的影响）表面状态的影响 不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差别。孔的影响有差别。 MgO疏松，易吸水，产生气孔倾向大；疏松，易吸水，产生气孔倾向大； MnO致密，不易吸水，气孔倾向小。致密，不易吸水，气孔倾向小。铝合金的焊接 母材氧化膜引起的气孔（母材氧化膜引起的气孔（LF6LF6，TIG)TIG)铝合金的焊接 6）环境因素的影响）环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。环境因素主要是指温度和湿度。 0 C以下，湿

24、度不影响气孔的产生；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。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。另外，表面油污也可以导致气孔。防止产生气孔的途径：防止产生气孔的途径：（1 1）减少氢的来源：烘干焊接材料；焊前清理氧化膜等；）减少氢的来源：烘干焊接材料；焊前清理氧化膜等；（2 2）控制焊接参数：即）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影响氢溶入时间和析出时间来控制气孔产生。TIGTIG焊：小热输入焊：小热输入-减少熔

25、池存在时间减少熔池存在时间-减少氢的溶入减少氢的溶入 同时为保证根部熔透，需用大电流，所以应：同时为保证根部熔透，需用大电流，所以应：I I大，大，V V大；大；MIGMIG焊：水分主要来自氧化膜焊：水分主要来自氧化膜-增大熔池存在时间增大熔池存在时间-气泡析出，所以应：气泡析出，所以应： I I大，大，V V小，必要时预热。小，必要时预热。（3 3）改变弧柱气氛性质。如氩弧焊中，）改变弧柱气氛性质。如氩弧焊中，ArAr中加入少量中加入少量COCO2 2或或O O2 2，是氢发生氧，是氢发生氧化从而减小氢的分压。化从而减小氢的分压。 铲根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn，MIG）1未铲根

26、 2铲根TIG 焊焊接参数对焊缝中扩散氢焊焊接参数对焊缝中扩散氢H的影响的影响母材为母材为5A06（LF6） MIG焊焊接参数对焊缝气孔的影响焊焊接参数对焊缝气孔的影响4 4、焊接热裂纹倾向大、焊接热裂纹倾向大 纯铝和非热处理强化铝合金（如纯铝和非热处理强化铝合金（如Al-MnAl-Mn、Al-MgAl-Mg合金等），一般是不容易合金等），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。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。 对含有铜的硬铝（对含有铜的硬铝（Al-Cu-MgAl-Cu-Mg）和超硬铝（）和超硬铝（Al-Zn-Cu-MgAl-

27、Zn-Cu-Mg）合金，目前很）合金，目前很难用熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头，所以一般不能选用熔焊方法制造硬难用熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头，所以一般不能选用熔焊方法制造硬铝和超硬铝焊接结构。铝和超硬铝焊接结构。 铝及铝合金常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区铝及铝合金常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。液化裂纹。铝合金的焊接 铝合金接头中的结晶裂纹铝合金接头中的结晶裂纹铝合金的焊接 铝合金接头热影响区中的液化裂纹铝合金接头热影响区中的液化裂纹铝合金的焊接 液化裂纹产生原因液化裂纹产生原因 在母材的热影响区中，成在母材的热影响区中，成分为分为XC的铝合金在平衡状态下，的铝合金

28、在平衡状态下，t1温度下组织为温度下组织为 + ，t2时时 中中的组元开始向的组元开始向 固溶体溶解，固溶体溶解，t3时全部转化为时全部转化为 固溶体。固溶体。 铝合金的焊接 在焊接快速加热条件下，在焊接快速加热条件下，在在t2 来不及溶解，达不到平衡，来不及溶解，达不到平衡，到到t3时仍可能为时仍可能为 + 两相状态，两相状态，t4时已超过共晶温度，时已超过共晶温度， 中的组中的组元还未完全溶入元还未完全溶入 固溶体，则在固溶体，则在 和和 两相界面出现共晶液相，两相界面出现共晶液相，这种局部液化在焊接应力下沿这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜形成晶界液膜形成“液化裂纹液化裂纹”。铝合金的焊

29、接 （2）热裂纹的形成原因）热裂纹的形成原因 1）拘束度的影响；）拘束度的影响； 2）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状）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；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：）材料因素的影响： a）铝合金为共晶合金，裂纹倾向与）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；合金结晶温度区间大小有关系； 铝合金的焊接 几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度(x m)： Al-Mg：x m=2% Mg； Al-Zn： x m=1012%Zn； Al-Si： x m=0.72%Si

30、； Al-Cu： x m=2%Cu。 如果存在其他元素或杂质时，可能出现三元共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。易产生热裂纹。铝合金的焊接 b) 线膨胀系数大，是钢的线膨胀系数大，是钢的1倍，在拘束条倍，在拘束条件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂纹倾向；纹倾向； c) 铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，容易偏析。容易偏析。铝合金的焊接 （3）热裂纹的影响因素）热裂纹的影响因素 1）焊缝合金系统的影响）焊缝

31、合金系统的影响 控制适量的易熔共晶，缩小结晶温度区间。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，增大主要合金元素少量的易熔共晶增大热裂倾向，增大主要合金元素x m，对热裂纹产生愈合作用。对热裂纹产生愈合作用。 焊接焊接Al-Mg合金时采用合金时采用Mg含量超过含量超过3.55%的焊丝；的焊丝； LF21 （Al-Mn）采用）采用Mg含量超过含量超过8%的焊丝；的焊丝； 对热裂倾向大的对热裂倾向大的LY合金采用含合金采用含5%Si的的Al-Si焊丝解决抗裂焊丝解决抗裂问题。问题。Al-Mg合金焊缝凝固裂纹与含Mg量的关系（T形角接接头）1连续焊道 2断续焊道 从抗裂角度

32、考虑，从抗裂角度考虑，焊缝合金系在于控制焊缝合金系在于控制适量的易熔共晶并缩适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由小结晶温度区间。由于铝合金为共晶型合于铝合金为共晶型合金，少量易熔共晶会金，少量易熔共晶会增大凝固裂纹倾向，增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主所以，一般都是使主要合金元素含量超过要合金元素含量超过x xm m，以便能产生，以便能产生“愈愈合合”作用。作用。 012345678 000020242219(a) Al-Cu焊丝40434343(b) Al-Si545450525083焊丝5356、5183(c) Al-Mg60636061(d) Al-Mg2Si焊缝合金元素 /%裂纹敏

33、感性 /%铝合金的裂纹敏感性不同焊丝成分对母材焊缝裂纹倾向的影响不同焊丝成分对母材焊缝裂纹倾向的影响 1- 2 2）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形接头试样上进行TIG焊，具有不同的裂纹倾向。采用成分与母材相同的焊丝时，具有较大的裂纹倾向。采用Al-5%Si焊丝（国外牌号4043）和Al-5%Mg焊丝（5A05或5556）的抗裂效果是较好。 Al-Zn-Mg合金专用焊丝X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）也具有相当高的抗裂性能。 母材与焊丝组合的抗热裂性试验(刚性T形接头；TIG)（括号中数字为母材代号，无括号的数字为焊丝代号）铝合金的焊接

34、 3）变质剂的影响）变质剂的影响 Ti、Zr、V、B微量元素作为变质剂，在焊接过程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，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。细化晶粒，改善塑性，还能显著改善抗裂性能。铝合金的焊接 4）焊接规范的影响）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。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；采用小电流施焊，减小熔池过热； 增大焊速和提高电流都不

35、利于抗裂。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，增大热裂倾向因为提高焊速，促使焊接接头的应变速率，增大热裂倾向。5. 5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金焊接中接头的等强性问题 （1）不可热处理合金（）不可热处理合金（ Al-Mg） 不可热处理铝合金的主要问题是晶粒粗化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，一般为焊接热影响区温度超过再结晶温度，一般为200300 C，引起晶粒长大引起晶粒长大）而降低塑性，表）而降低塑性，表现为接头强度低于母材。现为接头强度低于母材。铝合金的焊接 冷作硬化铝冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头接

36、头软化与焊接峰值温度的关系软化与焊接峰值温度的关系铝合金的焊接 不可热处理铝合金焊接前后强度变化不可热处理铝合金焊接前后强度变化铝合金的焊接 影响因素影响因素 1）热影响区温度峰值越高，软化越明显；）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）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；明显，而且这种软化无法消除； 3）冷却速度对软化影响不大。）冷却速度对软化影响不大。铝合金的焊接 2）热处理强化合金）热处理强化合金 热处理铝合金的软化问题主要是热处理铝合金的软化问题主要是“过时过时效效”软化。软化。 严重程度取决于第二相的性质，也和严重程度取决于

37、第二相的性质，也和热循环特性有一定关系。热循环特性有一定关系。铝合金的焊接 时效强化：时效强化： 固溶度变化大的合金，加热至高温后急冷，固溶度变化大的合金，加热至高温后急冷，都可形成过饱和固溶体都可形成过饱和固溶体SS，即固溶处理。然后，即固溶处理。然后常温或稍高温度加热，即可产生所谓的常温或稍高温度加热，即可产生所谓的“时效时效”过程而强化。过程而强化。铝合金的焊接 时效过程：时效过程：时效初期，时效初期，SS中发生溶质原子偏聚形成局部富集中发生溶质原子偏聚形成局部富集GP区，区，随温度或时间延长，发展为一种共格过渡相随温度或时间延长，发展为一种共格过渡相 ，其成，其成分与平衡非共格相分与平

38、衡非共格相 相同，但点阵不同而且未脱溶，随相同，但点阵不同而且未脱溶，随温度或时间延长，温度或时间延长， ，转化为转化为 而脱溶析出。而脱溶析出。 “过时效过时效” ：一般在一般在GP区合金发生强化，区合金发生强化， 微细共格相微细共格相 ，开始出现开始出现时强度进一步提高，一旦发生时强度进一步提高，一旦发生 ，向向 转化，强化作用降转化，强化作用降低，转变结束时强化作用消失，成为低，转变结束时强化作用消失，成为“过时效过时效”。铝合金的焊接 焊接过程中，焊接温度超过过时效温度，产生过时效和焊接过程中，焊接温度超过过时效温度，产生过时效和脱溶，所以导致强度损失。脱溶，所以导致强度损失。 无论退

39、火态还是时效态下焊接，焊后不经热处理，接头无论退火态还是时效态下焊接，焊后不经热处理，接头强度均低于母材，特别是在时效态下焊接超硬铝，焊后即使强度均低于母材，特别是在时效态下焊接超硬铝，焊后即使进行人工时效，接头强度系数（进行人工时效，接头强度系数（ 接头接头 / 母材母材）也没有超过）也没有超过60%。 热处理强化铝合金焊接接头组织示意图热处理强化铝合金焊接接头组织示意图铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 铝合金的焊接 Al-Cu-Mg硬

40、铝的时效过程是很快的，而硬铝的时效过程是很快的，而Al-Zn-Mg合金的时合金的时效过程是很慢的，说明前者比后者的第二相易于脱溶，所以在焊效过程是很慢的，说明前者比后者的第二相易于脱溶，所以在焊后强度损失大。后强度损失大。 另外另外Al-Cu-Mg在焊后在焊后560天自然时效对强度改善不明显，而天自然时效对强度改善不明显，而Al-Zn-Mg则在焊后则在焊后4天自然时效，软化开始显著消失，天自然时效，软化开始显著消失，30天后基天后基本消失。本消失。 Al-Zn-Mg合金的这种自然时效消除焊接软化问题值得注意。合金的这种自然时效消除焊接软化问题值得注意。 小件采用人工时效，大件采用自然时效。小件

41、采用人工时效，大件采用自然时效。 Al-Cu-Mg（2A12）合金焊接热影响区的硬度变化（手工TIG） Al-4.5Zn-1.2Mg合金焊接热影响区的硬度变化（焊前自然时效，MIG）Tm峰值温度 1、2、3、4表示不同的焊后自然时效时间 13h 24d 330d 490d6 6、焊接接头耐蚀性下降、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，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

42、母材。原因：程焊接，焊接接头的耐蚀性一般仍低于母材。原因：（1 1）接头的组织不均匀）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，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。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 2）焊接接头存在有焊接缺陷）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、

43、夹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。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 3）焊缝金属铸造组织的影响）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

44、晶方向，对其耐蚀性均有一定的影响。状晶的结晶方向，对其耐蚀性均有一定的影响。 （4 4）焊接应力的影响）焊接应力的影响 焊接应力的存在，容易产生应力腐蚀。焊接应力的存在，容易产生应力腐蚀。 预防措施：预防措施：A 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；、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 B、选择合适的焊接方法及焊接参数，以减小、选择合适的焊接方法及焊接参数，以减小HAZHAZ，防止接头过热；，防止接头过热；C 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；、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 D、调节

45、工艺条件，改善焊缝柱状晶成长方向。、调节工艺条件，改善焊缝柱状晶成长方向。7 7、塌陷、塌陷 铝及铝合金的熔点低，高温强度低，而且熔化时没有铝及铝合金的熔点低，高温强度低，而且熔化时没有显显著的颜色变化著的颜色变化，因此焊接时常因温度过高无法察觉而导致，因此焊接时常因温度过高无法察觉而导致塌陷。塌陷。 为了防止塌陷，可在焊件坡口下面放置垫板，并控制为了防止塌陷，可在焊件坡口下面放置垫板，并控制好焊接工艺参数。好焊接工艺参数。 加热表面由光亮银白色变成暗淡的银白色，表面加热表面由光亮银白色变成暗淡的银白色，表面氧化膜起皱，加热处金属有波动氧化膜起皱，加热处金属有波动三、铝和铝合金的焊接工艺三、铝

46、和铝合金的焊接工艺1 1、焊前准备：、焊前准备：包括焊前清理、设置垫板和预热；包括焊前清理、设置垫板和预热； A A、焊前清理、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（各约或酒精）将坡口及其两侧（各约30mm 30mm 内）的油污、脏物清洗干净。内）的油污、脏物清洗干净。（1 1）机械清理：坡口两侧）机械清理：坡口两侧303040mm40mm范围内的氧化膜去除，直到露出金属

47、范围内的氧化膜去除，直到露出金属光泽为止。光泽为止。（2 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）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（是，用（5 51010）% %体积的体积的NaOHNaOH溶液（约溶液（约7070），浸泡坡口两侧各），浸泡坡口两侧各100mm100mm范范围，围，303060s60s后先用清水冲洗，然后在约后先用清水冲洗，然后在约15%15%的的HNOHNO3 3水溶液（常温）中浸泡水溶液（常温）中浸泡2min2min，用温水冲洗后再用清水洗干净，最后进行干燥处理。，用温水冲洗后再用清水洗干净，最后进行干燥处理。 氧化膜

48、清除后，通常应在氧化膜清除后，通常应在2h2h之内焊接，否则会有新的氧化膜生成。之内焊接，否则会有新的氧化膜生成。B B、设置垫板、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。板表面开有圆弧形或方形槽。C C、预热、预热 薄、小铝件可不预热；厚度超过薄、小铝件可不预热；厚度超过5 58mm8mm的铝件焊前应预热至的铝件焊前应预热至150150300300；多层焊时，注意控制层间温度不低于预热温度。；多层焊时，注意控制层间温度不低于预热温度。2 2、焊接方法选择、焊接方法选择 需要采用热量集中

49、的热源。否则，将会造成未焊透或者因加热不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，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。焊条电弧焊应用较少。 （1 1）气焊：）气焊：功率低，热量分散，功率低，热量分散，HAZHAZ及工件变形大，生产率低，焊后接及工件变形大，生产率低，焊后接头晶粒粗大，容易产生夹渣、裂纹等缺陷，用于厚度头晶粒粗大，容易产生夹渣、裂纹等缺陷，用于厚度0.50.510mm10mm的不重要的不重要结构，铸铝件焊补；结构，铸铝件焊补；（2 2）焊条电弧焊：）焊条电弧焊：电

50、弧稳定性较大，飞溅大，接头质量较差，仅用于板电弧稳定性较大，飞溅大，接头质量较差，仅用于板厚大于厚大于4mm4mm且要求不高的工件焊补及修复。且要求不高的工件焊补及修复。（3 3）TIGTIG焊：焊：电弧热量集中，燃烧稳定，焊缝成形美观，接头质量较好，电弧热量集中，燃烧稳定，焊缝成形美观，接头质量较好，广泛用于厚度广泛用于厚度6mm 6mm 以下薄板件的焊接。以下薄板件的焊接。（4 4）MIGMIG焊：焊：电弧功率大，热源集中，焊件变形及电弧功率大，热源集中，焊件变形及HAZHAZ小，生产效率高，小，生产效率高，用于焊接用于焊接50mm50mm以下中厚板。以下中厚板。（5 5）电子束焊：）电子

51、束焊：功率密度大，焊缝深宽比大，功率密度大，焊缝深宽比大，HAZHAZ及焊件变形极小，生及焊件变形极小，生产效率高，接头质量好，用于厚度产效率高，接头质量好，用于厚度3 375mm75mm的板材焊接。的板材焊接。（6 6）电阻焊：）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，用于焊接需要焊接材料，生产率高，用于焊接4mm4mm以下的铝薄板。以下的铝薄板。 3 3、焊接材料选择、焊接材料选择 铝及铝合金的焊接材料包括铝及铝合金的焊接材料包括铝焊丝、铝气焊熔剂和焊条铝焊丝、铝气焊熔剂和焊条等；等； 铝焊丝通常分

52、为：铝焊丝通常分为：（1 1）专用焊丝）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。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 2）通用焊丝）通用焊丝 其中其中HS311HS311（铝硅焊丝）是一种通用焊丝，主要成分为（铝硅焊丝）是一种通用焊丝，主要成分为Al+Si5Al+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。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。但用它焊接证一定的接头性能。但用它焊接铝镁合金铝镁

53、合金时，焊缝中会出现脆性相，降低时，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。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 3）特种焊丝）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TiTi、ZrZr、V V、B B等等) )），并适当调整合金元素），并适当调整合金元素( (如如CuCu、MgMg、Zn)Zn)的含量，以达到细化晶粒、的含量，以达到细化晶

54、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。有良好的抗裂性，又有较高强度和塑性。铝合金的焊接 常用的铝合金焊丝常用的铝合金焊丝 4043（Al-Si）：用于）：用于Al-Si 和和Al-Mg-Si系（系（6061、6082等）以及铸铝和锻铝合金之间的等）以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和和TIG焊。焊。 5356（ Al-Mg-Si ）：用于）：用于Al-Mg系（系（Mg5%）合金的）合金的MIG和和TIG焊。焊。牌 号化 学 成 分 (质量分数) (%)SiFeCuMnM

55、gCrZnV、ZrTi其他Al每种合计10700.200.250.040.030.030.040.030.0399.701100HS301Si+Fe1.00.050.20.050.100.050.1599.001200Si+Fe1.00.050.050.100.050.050.1599.0023190.200.305.86.80.20.40.020.10V0.050.15Zr0.100.250.100.200.050.15余量4043HS3114.56.00.80.300.050.050.100.200.050.15余量4047HL40011.013.00.80.300.150.100.200

56、.050.15余量4145HL4029.310.70.83.34.70.150.150.150.200.050.15余量55540.250.400.100.501.02.43.00.050.200.250.050.200.050.15余量5654Si+Fe0.450.050.013.13.90.150.350.200.050.150.050.15余量53560.250.400.100.050.24.55.50.050.200.100.060.200.050.15余量5556HS3310.250.400.100.501.04.75.50.050.200.250.050.200.050.15余量5

57、1830.400.400.100.501.04.35.20.050.250.250.150.050.15余量铝及铝合金焊丝的化学成分铝及铝合金焊丝的化学成分 焊接铝及铝合金的惰性气体有氩气和氦气。氩气要焊接铝及铝合金的惰性气体有氩气和氦气。氩气要求求: : w wArAr99.9%99.9%，w wO O0.005%0.005%，w wH H0.005%0.005%，w w水分水分0.02mg/L0.02mg/L，w wN N0.015%0.015%。氧、氮增多，均恶化阴极雾化作氧、氮增多，均恶化阴极雾化作用。用。w wO O0.3%0.3%使钨极烧损加剧，超过使钨极烧损加剧，超过0.1%0.

58、1%使焊缝表面无光使焊缝表面无光泽或发黑。泽或发黑。 TIGTIG焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚板；焊时，交流加高频焊接选用纯氩气，适用大厚板；直流正极性焊接选用氩气直流正极性焊接选用氩气+ +氦气或纯氦。氦气或纯氦。 MIGMIG焊焊: :当板厚当板厚25mm25mm时，采用纯氩气；时，采用纯氩气； 板厚为板厚为25-50mm25-50mm时，用体积分数为时，用体积分数为1010%-%-35%35%氦气的氦气的Ar+HeAr+He混合气体；混合气体； 板厚为板厚为50-75mm50-75mm时，采用添加体积分数为时，采用添加体积分数为35%-50%35%-50%氦气的氦气的Ar+H

59、eAr+He混合气体；混合气体； 板厚板厚75mm75mm时，用添加时，用添加50%-75%50%-75%氦气的氦气的Ar+HeAr+He混合气体。混合气体。气焊熔剂气焊熔剂 ：去除焊接时的氧化膜及其他杂质，改善熔池金属的流动性。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气焊熔剂一般是由含有K K、NaNa、LiLi、BaBa等元素的氯化物和氟化物组成，等元素的氯化物和氟化物组成，如如KClKCl、BaClBaCl2 2、LiClLiCl及及NaNa3 3AlFAlF6 6（铝冰晶石）等。这些盐类与氧化铝反应（铝冰晶石）等。这些盐类与氧化铝反应后可生成易于挥发的

60、后可生成易于挥发的A1ClA1Cl3 3或或A1FA1F3 3。如：。如：6LiCl + A16LiCl + A12 2O O3 3 = A1Cl = A1Cl3 3 + 3Li + 3Li2 2O O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。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 4、焊接工艺要点、焊接工艺要点（1 1）电源极性）电源极性 MIG MIG一律采用直流反接。一律采用直流反接。 TIG 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