铝及铝合金的焊接

1、铝合金的焊接 铝及其合金的焊接安徽机电职业技术学院机械工程系王小平：高级工程师/副教授 ：一. 铝合金的分类二.常用铝合金焊丝及选择三. 铝合金的物理、化学性能四. 铝合金焊接时的气孔五. 铝合金焊接时的裂纹六. 铝合金焊接时的等强性七、铝及铝合金的焊接工艺简介八、铝合金罐焊缝质量控制与检验 铝合金的焊接 1. 铝合金的分类一. 铝合金的分类一系：特点:含铝99.00%以上,导电性有好,耐腐蚀性能好,焊接性能好,强度低,不可热处理强化。应用范围：高纯铝(含铝量99.9%以上)主要用于科学试验,化学工业及特殊用途。二系：特点：以铜为主要合元素的含铝合金.也会添加锰、镁、铅和铋为了切削性。如：20

2、21合金用天航空工业，强度高。2021合金比2021合金强度低一点，但比较容易加工。2021可热处理强化。缺点：晶间腐蚀倾向严重。应用范围：航空工业2021合金，螺丝2021合金和使用温度较高的行业2021合金。一. 铝合金的分类三系：特点：以锰为主要合金元素的铝合金，不可热处理强化，耐腐蚀性能好，焊接性能好。塑性好。接近超铝合金。缺点：强度低，但可以通过冷加工硬化来加强强度。退火时容易产生粗大晶粒。应用范围：飞机上使用的导油无缝管3003合金，易拉罐3004合金。四系：以硅为主，不常用。局部4系可热处理强化，但也有局部4系合金不可热处理化。一. 铝合金的分类五系：特点：以镁为主。耐耐性能好，

3、焊接性能好，疲劳强度好，不可热处理强化，只能冷加工提高强度。应用范围：割草机的手柄、飞机油箱导管、防弹衣。六系：特点：以镁和硅为主。Mg2Si为主要强化相，目前应用最广泛的合金。6063、6061用的最多，其它6082、6160、6125、6262、6060等。6063、6060、6463在6系中强度比较低。6262、6005、6082、6061T6在6系中强度比较高。特性：中等强度，耐腐蚀性能好，焊接性能好，工艺性能好易挤压出成形氧化着色性能好。应用范围：交能工具如：汽车行李架、门、窗、车身、散热片、间箱外壳一. 铝合金的分类七系：特点：以锌为主，但有时也要少量添加了镁、铜。其中超硬铝合金就

4、是含有锌、铅、镁和铜合金接近钢材的硬度。挤压速度较6系合金慢，焊接性能好。7005和7075是7系中最高的档次，可热处理强化。7A05(701) T6应用范围：航空方面飞机的承力构件、起落架、火箭、螺旋桨、航空飞船。九系备用合金 铝合金的焊接 不可热处理合金 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。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。一. 铝合金的分类铝合金

5、的焊接 1、常用的铝合金焊丝1纯铝焊丝ER1100性能特点：纯铝焊丝，铝含量99.5%,有极好的抗腐蚀性能，很高的导热与导电性能，以及极好的可加工性能。对经阳极化处理的材料，需要配色时十分理想，推荐用于焊接1000系列铝合金。典型化学成份：Si0.03、Cu0.002、Zn0.013、Fe0.18、Mn0.003，AL余量用途广泛用于铁路机车、电力、化学、食品等行业。二、常用铝合金焊丝及选择二、常用铝合金焊丝及选择1、常用的铝合金焊丝2铝硅合金焊丝ER4047性能特点：本品为含硅12的合金焊丝，适合焊接各种铸造及挤压成型铝合金。低熔点及良好的流动性使母材焊接变形很小。典型化学成份：Si 12、

6、Mg0.10、Fe0.80、Cu0.03、Zn0.20、Mn0.15，AL余量。用途：焊接或堆焊轻质合金加工业。3铝硅合金焊丝ER4043性能特点：本品为含硅5的合金焊丝，适合焊接铸铝合金典型化学成份：Si 5、Mg0.10、Fe0.04、Cu0.05，AL余量。用途：船舶、机车、化工、食品、运动器材、模具、家具、容器、集装箱二、常用铝合金焊丝及选择1、常用的铝合金焊丝4铝镁合金焊丝ER5356：性能特点：本品为含镁5的合金焊丝，是一种用途广泛的通用型焊材，适合焊接或外表堆焊5镁的铸锻铝合金，强度高，可锻性好，有良好的抗腐蚀性。本品也能为经阳极化处理的焊接提供良好的配色。典型化学成份：Mg 5

7、、Cr 0.10、FeSi0.3、Cu0.05、Zn 0.05、Mn 0.15、Ti 0.1，AL余量。用途：自行车、铝滑板车等运动器材，机车车厢、化工压力容器、兵工生产、造船、航空等行业。二、常用铝合金焊丝及选择5铝镁合金焊丝ER5183性能特点：本品为含镁3的合金焊丝，适用于焊接或外表堆焊同等级的铝合金材料。典型化学成份：Mg 3.5,Cr 0.2,Fe 0.15,Cu0.05,Zn 0.10,Mn 0.05,Ti 0.1，AL余量。用途：化工压力容器、核工业、造船、制冷行业、锅炉、航空航天工业等。1、常用的铝合金焊丝二、常用铝合金焊丝及选择6铝铜合金焊丝ER2319 性能特点：本品为含铜

8、5.8%-6.8%的合金焊丝，适用于焊接2219同等级的铝合金材料。典型化学成份：， AL余量 用途：核工业、舰船制造、航空航天工业、军工装备等1、常用的铝合金焊丝二、常用铝合金焊丝及选择2、焊丝的选择 铝合金的焊接 三. Al合金的物理化学性能铝合金的焊接 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。三. Al合金的物理化学性能铝合金的焊接 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。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔1氢的主要来源 1保护气体中的水分； 2焊材和母

9、材外表吸附的水分； 3工件坡口处的氧化膜、油污等。铝合金的焊接 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四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 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。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 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

10、产生气孔的重要原因。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 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47倍，不利于气泡的逸出。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 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四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 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四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 3焊缝气孔的影响因素 1焊接方

11、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，熔滴比外表积大，熔滴易于吸氢； TIG焊时，主要是熔池金属外表与氢反响，比外表积小，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。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 2极性的影响 TIG焊时，直流反接，具有阴极雾化作用，可以防止氢的产生，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。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 3焊接工艺参数 焊接标准主要影响熔池在高温

12、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，采用较大的标准，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。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 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+0.51%O2，Ar+25%CO2，增强保护气氛的氧化性，减少氢。四. 铝合金焊接过程中形成的气

13、孔铝合金的焊接 5外表状态的影响 不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差异。 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。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 母材氧化膜引起的气孔LF6，TIG)四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 6环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。 0C以下，湿度不影响气孔的产生； 0C以上，温度越高，湿度越大，越易对气孔敏感。 另外，外表油污也可以导致气孔。四. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金的焊接 五. 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

14、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 铝合金接头中的结晶裂纹五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 铝合金接头热影响区中的液化裂纹五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 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。 五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 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

15、态，t4时已超过共晶温度，中的组元还未完全溶入固溶体，那么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。五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 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； 五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度(x m)： Al-Mg：x m=2% Mg； Al-Zn： x m=1012%Zn； Al-Si： x m=0.72%Si； Al-Cu： x

16、m=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。五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 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。五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹热裂纹的形成原因(续):铝合金的焊接 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x m，对热裂纹产生愈合作用。 焊接Al-Mg合金时采用Mg含量超过3.55%的焊丝； LF21 Al

17、-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。五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹铝合金的焊接 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。五. 铝合金焊接过程中形成的裂纹3热裂纹的影响因素续：铝合金的焊接 3焊接标准的影响 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。五.

18、铝合金焊接过程中形成的裂纹3热裂纹的影响因素续：铝合金的焊接 5. 铝合金焊接中接头的等强性问题 1不可热处理合金LF Al-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200300C，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 冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头软化与焊接峰值温度的关系5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 不可热处理铝合金焊接前后强度变化PSI英文全称为Pounds per square inch。P是磅pound，S是平方square，I是英寸inch。把所有的单位换成公制单位就可以算出：1bar14.5psi

19、 5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 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。5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 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。5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 时效强化： 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SS，即固溶处理。然后常温或稍高温度加热，即可产生所谓的“时效过程而强化。5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的

20、焊接 时效过程：时效初期，SS中发生溶质原子偏聚形成局部富集GP区，随温度或时间延长，开展为一种共格过渡相，其成分与平衡非共格相相同，但点阵不同而且未脱溶，随温度或时间延长， ，转化为而脱溶析出。 “过时效 ：一般在GP区合金发生强化， 微细共格相，开始出现时强度进一步提高，一旦发生，向转化，强化作用降低，转变结束时强化作用消失，成为“过时效。5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 焊接过程中，焊接温度超过过时效温度，产生过时效和脱溶，所以导致强度损失。 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，焊后即使进行人工时效，接头强度系数接头

21、/ 母材也没有超过60%。5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 Al-Cu-Mg硬铝的时效过程是很快的，而Al-Zn-Mg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，所以在焊后强度损失大。 另外Al-Cu-Mg在焊后560天自然时效对强度改善不明显，而Al-Zn-Mg那么在焊后4天自然时效，软化开始显著消失，30天后根本消失。 Al-Zn-Mg合金的这种自然时效消除焊接软化问题值得注意。 小件采用人工时效，大件采用自然时效。5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金的焊接 铝合金接头的导电性、耐蚀性下降 原因是铸造组织的形成和合金元素的污染。5. 铝合金焊接中接头的等强性问

22、题七、铝及铝合金的焊接工艺简介1铝及铝合金的焊接特点 (1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝Al2O3熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合；氧化膜的比重大，不易浮出外表，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠；铝材的外表氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格外表清理，去除其外表氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。 2铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率那么是奥氏体不锈钢的十几倍。应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介1铝及铝合金的焊接特点3铝及铝合金的

23、线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。4铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介1铝及铝合金的焊接特点5铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材外表氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。 6合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 7母

24、材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。 8 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介2. 焊接方法 气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊TIG或MIG方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊

25、应用越来越广泛氩气或氩/氦混合气 七、铝及铝合金的焊接工艺简介3.焊接材料 1焊丝 根本要求：铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性，对有耐蚀要求的容器，焊接接头的耐蚀性还应到达或接近母材的水平。因而焊丝的选用主要按照以下原那么： 1纯铝焊丝的纯度一般不低于母材； 2铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近； 3铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材； 4异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝； 5不要求耐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝SAlSi一1等(注意强度可

26、能低于母材)。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介3.焊接材料2保护气体 保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频TIG焊时，采用大于999纯氩气；直流正极性焊接宜用氦气。MIG焊时，板厚75 mm时推荐采用添加5075氦气的氩气。氩气应符合GBT 4842?995?纯氩?的要求。氩气瓶压低于0.5 MPa后压力缺乏，不能使用。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介4. 焊前准备(1)焊前清理 铝及铝合金焊接时，焊前应严格去除工件焊口及焊丝外表的氧化膜和油污，去除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。 清理方法：常采用化学清洗和机械清理两种方法。具体见下页 七、铝及铝合金的焊接

27、工艺简介4. 焊前准备1化学清洗 化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂外表去油，用4070的510NaOH溶液碱洗3 min7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min)，流动清水冲洗，接着用室温至60的30HNO3溶液酸洗1 min3 min，流动清水冲洗，风干或低温枯燥。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介4. 焊前准备2机械清理 1在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试外表以除油，随后直接用直径为0.15mm0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷

28、到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属外表，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊外表。 2工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4 h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24 h)应当重新处理。 七、铝及铝合金的焊接工艺简介 5.焊后处理 (1)焊后清理 焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝外表的钝化膜，有时还会腐蚀铝件，应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件，在热水中用硬毛刷刷洗后，再在6080左右、浓度为23的铬酐水溶液或重

29、铬酸钾溶液中浸洗5 min10 min，并用硬毛刷洗刷，然后在热水中冲刷洗涤，用烘箱烘干，或用热空气吹干，也可自然枯燥。 (2)焊后热处理 铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力，来使容器上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下，这时应由容器设计文件提出特别要求，才进行焊后消除应力热处理。八、铝合金罐焊缝质量控制与检验 焊缝质量控制与检验的程序及内容一、焊前的检验在焊接生产前，要对如下内容进行自检：1.焊工资格证书的适用性及有效性；2.焊接工艺规程的适用性；3.母材的鉴定；4.焊接材料的鉴定；5.接头准备，如：形状、尺寸等；6.装配、固定及定位；7.焊接工艺规程中的特殊要求，如：防止扭曲变形；8.产品试验的安排；9.焊接作业条件的适用性，包括环境条件。八、铝合金罐焊缝质量控制与检验 焊缝质量控制与检验的程序及内容二、 焊接过程中的检验按照适当的间隔对如下内容进行自检：1.