SF铝及铝合金的焊接

1、铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 船用铝及其合金的焊接上海交通大学焊接工程技术研究所 楼松年 教授铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 1. 铝合金的分类2. 铝合金的物理、化学性能3. 铝合金焊接时的气孔4. 铝合金焊接时的裂纹5. 铝合金焊接时的等强性铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering In

2、stitute of Shanghai Jiao Tong University 1. 铝合金的分类铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。不可热处理合金 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。铝

3、合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 铸铝和锻铝 铸铝合金中的合金元素含量高于锻铝，这样改善了铸铝件的质量，但是对其加工性能那么不利。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 常用的铝合金焊丝 4043Al-Si：用于Al-Si 和Al-Mg-Si系6061、6082等以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和TIG焊。 5356 Al-Mg-Si ：用于A

4、l-Mg系Mg5%合金的MIG和TIG焊。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2. Al合金的物理化学性能铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engi

5、neering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3. 铝合金焊接过程中形成的气孔 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 1氢的主要来源 1保护气体中的水分； 2焊材和母材外表吸附的水分； 3工件坡口处的氧化膜、油污等。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shang

6、hai Jiao Tong University 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铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engi

7、neering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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，这是产生气孔的重要原因。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institu

8、te of Shanghai Jiao Tong University 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铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Insti

9、tute of Shanghai Jiao Tong University 3焊缝气孔的影响因素 1焊接方法的影响 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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

10、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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3焊接工艺参数 焊接标准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。 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

11、大溶池存在时间，有利于减少焊缝中的气孔。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University

12、 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 母材氧化膜引起的气孔LF6，TIG)铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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；

13、 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 3. 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 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institu

14、te of Shanghai Jiao Tong University 铝合金接头中的结晶裂纹铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 铝合金接头热影响区中的液化裂纹铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。

15、 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 2热裂纹的形成原因 1拘束度的影响；

16、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； 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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 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

17、容易产生热裂纹。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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，

18、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-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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding En

19、gineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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

20、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 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头软化与焊接峰值温度的关系铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 不可热处理铝合金焊接前后强度变化铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineeri

21、ng Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineer

22、ing Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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

23、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。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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 / 母材也没有超过60%。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding E

24、ngineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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

25、题值得注意。 小件采用人工时效，大件采用自然时效。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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。上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University Thanks for listening !铝合金的焊接 铝及铝合金MIG焊接接头缺陷及防止措施 铝及铝合金MIG焊时，焊接接头常见的缺陷主要有焊缝成形差、裂纹、

26、气孔、烧穿、未焊透、未熔合、夹渣等一、焊缝成形差焊缝成形差主要表现在焊缝波纹不美观，且不光亮；焊缝弯曲不直，宽窄不一，接头太多；焊缝中心凸起，两边平坦或凹陷；焊缝满溢等。一、焊缝成形差产生原因1焊接标准选择不当；2焊枪角度不正确；3焊工操作不熟练；4导电嘴孔径太大；5焊接电弧没有严格对准破口中心；6焊丝、焊件及保护气体中含有水分。一、焊缝成形差防止措施1反复调试选择适宜的焊接标准；2保持焊枪适宜的倾角；3加强焊工的技能培训；4选择适宜的导电嘴孔径；5力求使焊接电弧与破口严格对中；6焊前仔细清理焊丝、焊件；保证保护气体的纯度。二、裂纹铝及铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的，称为热裂纹

27、，又称结晶裂纹。其形式有纵向裂纹、横向裂纹往往扩展到基体金属，还有根部裂纹、弧坑裂纹等等。裂纹将使结构强度降低，甚至引起整个结构的突然破坏，因此是完全不允许的。二、裂纹产生原因1焊缝的深宽比过大；2焊缝末端的弧坑冷却快；3焊丝成分与母材不匹配；4操作技术不正确。二、裂纹防止措施1适当提高电弧电压或减小焊接电流，以加宽焊道而减小熔深；2适当地填满弧坑并采用衰减措施减小冷却速度；3保证焊丝与母材合理匹配；4选择适宜的焊接参数、焊接顺序，适当增加焊接速度。三、气孔在铝合铝合金MIG焊中，气孔是最常见的一种缺陷。要彻底去除焊缝中的气孔是很难办到的，只能是最大限度地减少其含量。按其种类、焊缝中的气孔主要由外表气孔、弥散气孔、局部密集气孔、单个气孔、根部链状气孔、柱状气孔等。气孔不但会降低焊缝的致密性，减小接头的承载面积，而且使接头的强度、塑性降低，特别是冷弯角和冲击韧性降低更多，必须加以防止。三、气孔产生原因1气体保护不良，保护气体不纯；2焊丝、焊件被污染；3大气中的绝对湿度过大；4电弧不稳，电弧过长；5焊丝伸出长度过大、喷嘴与焊件之间的距离过大；6焊丝直径与破口形式选择不当；7在同一部位重复引弧，接头数太多。三、气孔防止措施1保证保护气体质量，适当增加保护气体流量，以排除焊接区的全部空气，