有色金属焊接

§6 有色金属焊接,一、概述 1、铝的性能特点 密度小;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高; 强度低;无磁性;无打击火花;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。,2、铝合金的分类,按合金化系列，铝及其合金分为：工业纯铝（1×××系）、铝铜合金（2×××系）、铝锰合金（3×××系）、铝硅合金（4×××系）、铝镁合金（5×××系）、铝镁硅合金（6×××系）、铝锌镁铜合金（7×××系）。 按热处理方式，铝合金分为：非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。前者只能变形强化，后者既能变形强化，也可热处理强化。 按产品成形方法不同，分为：变形铝及铝合金、铸造铝合金。,Cu、Mg和Mn能提高强度，Ti能细化晶粒，Mg能防止海水的腐蚀，Ni能提高耐热性。,铝合金 的分类,形变铝合金,铸造铝合金,不能热处理强化铝合金:主要在1、3、5系列,能热处理强化铝合金: 2、6、7和8系列,（合金元素及加工工艺性）,3、常用的铝合金,A、防锈铝合金 ( LF ) : Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。例如:LF21。 Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻 )。 例如:LF2、LF6等。,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。,B、硬铝合金 ( LY ) Al Cu Mg 通过 时效强化提铝合金强度, 但耐蚀性不高。LY1、 LY11、LY12。,C、超硬铝合金 ( LC ) Al Zn Mg Cu 通过 时效强化和形成的强化相, 使铝合金达到最高的硬度和 强度。但耐蚀性较差。LC4、 LC9。,飞机主起落架,D、锻铝合金 ( LD ) : Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。LD5、LD6、LD10。,压气机叶片,制造形状复杂的大型锻件，如内燃机的活塞、汽缸等。,铝合金的分类,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、1035、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,1、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成致密的氧化铝（Al2O3）膜，氧化膜对焊接过程造成以下影响： 熔点高达2050（而铝只有600），易形成未熔合； 密度大（Al2O3为3.965g/cm3），约为铝的1.4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。,预防： 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。,2、焊接时耗能大 铝合金的熔点虽低，但其比热容高（约是钢的2倍），热导率大（约是钢的3倍），线膨胀系数大（约是铁的2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、功率密度大的热源，有时还需采用预热等工艺措施。 3、气孔倾向性大 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： （1）氢在液态和固态铝中的溶解度相差很大（近20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。 （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； （3）铝和铝合金的密度小，气泡上浮速度慢。,氢的来源： （1）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（pH2=101kPa),铝合金焊接中的“皮下气孔”（LF6，TIG）,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。,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）,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敏感。Al-Mg合金Mg含量增高，氢的溶解度和引起气孔的临界氢分压pH2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：MIG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，熔滴金属易于吸收氢；TIG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MIG焊时容易。同时，MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深，也不利于气泡的浮出。所以，在同样的气氛条件下，MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大。,（2）氧化膜中水分的影响 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的主要原因。氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。MIG焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多。,纯铝焊丝表面清理方法对焊缝含氢量的影响,TIG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。这种氧化膜不仅提供了氢的来源，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，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Al-Mg合金比纯铝更易于形成疏松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-Mg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,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,2）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。,铝合金的焊接,3）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。,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。,铝合金的焊接,5）表面状态的影响,不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差别。 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,母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG),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，表面油污也可以导致气孔。,防止产生气孔的途径： （1）减少氢的来源：烘干焊接材料；焊前清理氧化膜等； （2）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，从而影响氢溶入时间和析出时间来控制气孔产生。 TIG焊：小热输入-减少熔池存在时间-减少氢的溶入 同时为保证根部熔透，需用大电流，所以应：I大，V大； MIG焊：水分主要来自氧化膜-增大熔池存在时间-气泡析出，所以应： I大，V小，必要时预热。 （3）改变弧柱气氛性质。如氩弧焊中，Ar中加入少量CO2或O2，是氢发生氧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 2铲根,TIG 焊焊接参数对焊缝中扩散氢H的影响 母材为5A06（LF6）,MIG焊焊接参数对焊缝气孔的影响,4、焊接热裂纹倾向大 纯铝和非热处理强化铝合金（如Al-Mn、Al-Mg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。 对含有铜的硬铝（Al-Cu-Mg）和超硬铝（Al-Zn-Cu-Mg）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液化裂纹。,铝合金的焊接,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,铝合金的焊接,液化裂纹产生原因,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。,铝合金的焊接,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，则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,（2）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；,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 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。,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。,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