铝及铝合金的焊接资料课件.ppt

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1、铝及铝合金的概述,铝及铝合金具有优异的物理特性、化学特性、力学特性及工艺特性，是宇航、化工、交通运输等工业重要的结构材料之一。随着焊接技术的进步，人们已研制成多种能够满足各种特殊使用要求的铝合金焊接结构，如宇宙飞船、航天飞机、轻型汽车以及能导电、散热、耐腐蚀、耐超低温的各种铝合金焊接产品。铝是仅次于氧和硅，在地壳中含量最高的金属元素之一。与其他金属材料相比，铝具有许多优点，除了密度小之外，铝几乎具有与铜相当的导电导热性能。,纯铝的一般特性密度小 纯铝的密度接近2700kg/m，约为铁或铜的1/3。可强化 纯铝的强度虽然不高，退货状态的抗拉强度约为80MPa，通过冷加工可使其强度提高一倍以上。通

2、过添加镁、锌、铜、锰、硅、锂等合金化元素和热处理进一步强化可以获得更高的强度。目前我们已经可以得到抗拉强度大于700MPa的铝合金，其比强度可与优质合金钢媲美。易加工 铝可用任何方法铸造。铝的塑性好，加工速度快，可轧成薄板和箔；拉成管材和细丝；挤压成各种复杂断面的型材；可用大多数机床所能达到的最大速度进行机械加工。耐腐蚀 铝及其合金的表面易生成一层致密、牢固的Al2O3保护膜。这种保护膜只有在碱性溶液或者卤素离子的激烈作用下才会遭到破坏。因此，铝有很好的耐大气腐蚀和水腐蚀的能力。能抵抗多数酸和有机物腐蚀，采用缓蚀剂可耐弱碱液腐蚀；采用保护措施，可提高铝合金的抗蚀性能。无低温脆性 在0以下，铝的

3、强度和塑性不仅不会随温度降低而降低，反而会提高。,导电、导热性好 铝的导电、导热性能仅次于银、铜和金。反射性强 铝的抛光面对白光的反射率大于80%，纯度越高，反射率越高。另外铝对红外线、紫外线、电磁波、热辐射也都有良好的反射性能。无磁性、冲击不生火花 对某些特殊用途如仪表材料。电气设备的屏蔽材料、易燃、易爆物生产器材等，这种性能非常重要。吸音性 对室内装饰有利，也可配制成减震合金。耐核辐射 对高能中子而言，铝具有与其他金属相同程度的中子吸收界面；对低能范围内的中子吸收界面小，仅次于铍、镁、锆等金属。铝能耐辐射的原因是对其照射生成的感应放射衰减很快。美观 铝及其合金由于反射能力强，表面表面呈银白

4、色光泽，经机加工后可得到很高的光洁度和光亮度。经阳极氧化和着色，不仅可以获得五颜六色、光彩夺目的表面，还可以进一步提高抗耐蚀性能。铝还可以电镀、覆盖陶瓷，是生产涂料材料的好基体。涂漆后不会产生裂纹和脱皮，即使局部有损伤也不会产生蚀斑。,铝及铝合金的特点,与其他金属相比较，铝及铝合金具有独特的和优异的物理特性、化学特性、力学特性及工艺特性，能适应现代科技及高新工程发展的需要，广泛应用于制造各类工业产品。对比下表几种金属的特性：,几种金属的物理特性,几种金属的力学性能,由上述两表可见，铝及铝合金的密度仅为钢的1/3，小与除金属镁以外的其他金属的密度。虽然抗拉强度和弹性模量比刚低，但铝合金经热处理强

5、化以后，其强度已超过高强度钢而接近超高强度钢，比模量也接近高强度钢。因此，铝合金特别适用于轻质承载结构。铝及铝合金为面心立方结晶体结构。这一结构在温度降低时不发生脆性转变，强度、延性、韧度不仅不降低，反而可同步提升。现在，铝合金的工作温度可达零下253，因此特别适用于低温和超低温容器。铝及铝合金的化学性质活泼、极易氧化，在大气条件下，其表面可随时生产一层附着力强的和难熔（2050）的氧化膜，对铝及铝合金的表面起防止进一步氧化和介质腐蚀的作用，因而耐蚀性好，可在不同的气候条件下与液态的氢、氧、氮、天然气和重水、石油、浓硝酸等长期接触和相容。特别适用于化工容器。铝的导电率高，是低碳钢的约6倍，其导

6、热率也高，是低碳钢的约5倍，前者适用于电力输配，后者适用于热交换。铝及铝合金的工艺性好，易于扎压、挤压、锻压、冲压、旋压，可制成各种截面形状的铝材和各种形状的型材。挤压型材有利于减少焊缝数量、减小焊接变形，便于装配焊接，适于制造轻质复杂结构。,铝及铝合金的理化特性也使其焊接工艺与钢有许多不同之处。铝及铝合金的表面氧化膜可妨碍焊接及钎焊过程的进行或引发一些与其相关的缺陷。因此，焊接前需将其去除，焊接过程中需防止焊接区发生氧化。由于其比热、导电率及热导率很高，焊接时，焊接热输入应远大于焊接钢件，需采用功率很大的焊接设备由于线膨胀系数较大，焊接变形及裂纹倾向也较大，焊接时需采用相应的有效措施。由于焊

7、铝时的温度变化不会引起焊件颜色的变化，所以焊接时操作有一定难度，需要提高焊工的技术熟练程度。铝及防锈铝合金焊接性好，但不少高强度铝合金焊接性不良，特别是容易在焊接过程中产生焊接裂纹或钎焊时发生母材过烧现象。目前，铝及铝合金的焊接技术已经有了长足的进步。除了气焊电弧焊外，现在已经广泛采用氩弧焊、氦弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊、真空钎焊、气体保护钎焊、电阻焊、扩散焊、摩擦焊等其他许多特种焊接方法。,焊接特性,铝及铝合金的分类,变形铝及铝合金一般表现为冶金工业半成品，即板、管、棒、丝、带等，或具有一定形状及尺寸的锻件及挤压型材。铸造铝合金一般表现为铸造的零件或其毛坯。热处理不可强化的铝及铝合金（或

8、称非热处理强化铝合金）只可变形强化，由于热处理强化效应很弱，故不能热处理强化。此类铝及铝合金包括工业纯铝，Al-Mn系防锈铝合金、 Al-Mg系防锈铝合金。热处理强化铝合金既可变形强化，也可热处理强化。此类铝合金有Al-Cu、 Al-Mg-Si、 Al-Zn、 Al-Li等系列铝合金。,变形铝及铝合金的牌号及表示方法,按我国标准GB/T16475-1996变形铝及铝合金牌号表示法，变形铝及铝合金采用四位字符体系牌号，牌号的第一位数字表示铝及铝合金的组别，第三第四位数字表示同一组中不同的铝合金或表示纯铝的纯度。第二位表示原始纯铝或铝合金的改型情况。,3XXX系合金（Al-Mn）,3XXX系铝合金

9、为热处理不可强化的铝-锰合金。锰在原铝锭中是一种不可避免的元素。锰既能提高合金的力学性能而又不使合金的抗蚀性能下降。铝-锰合金在半连续住在时，有发生晶内偏析的倾向。锰可提高合金的再结晶温度，锰还可以减少含铁相的脆化作用，即可使针状或片状的含铁的化合物变成脆性较低的块状化合物。向铝-锰合金中添加少量铜，对提高合金抗蚀性有利。3xxx系铝合金的塑性高，焊接性能好，加工性能好，强度比1xxx系合金高，而抗腐蚀性能接近于纯铝。合金的成形性，不论退火状态或冷作硬化状态都与1xxx系铝合金相似，但是要求含锰相的分布必须均匀。抗蚀性能 3003合金的抗蚀性能与纯铝的相近。3003合金有很好的耐大气腐蚀性能，

10、对淡水、海水、食品、有机酸、酒精、汽油、中性无机盐水溶液等均具有好的抗蚀性。冷变形状态下，3003合金有剥落腐蚀的倾向，且随冷加工程度的增加而增加。 3A21合金的耐蚀性优良，在退伙状态时，其耐蚀性和纯铝相近。合金冷作硬化后，其耐蚀性有所降低，并有剥落倾向。冷作硬化程度加大，产生剥落腐蚀倾向也加大。焊接后其焊缝的耐蚀稳定性好，和基体金属的耐蚀性基本相同。,4xxx系铝合金（Al-Si）,Al-Si系变形铝合金的主要合金元素是硅，硅含量在较大范围内变化，可分为两类，一类硅含量在共晶点附近，为9.0%13%；一类硅含量在亚共晶范围，一般为3.5%9.0%，个别的硅含量在1%左右。除硅外，其他合金元

11、素很少或没有，个别含少量铜、镁、镍等。此系合金的主要特点之一是低熔点，即硅大幅度降低熔点而不产生脆性，作为焊丝、钎料可满足熔点低于基体的要求。虽二元Al-Si合金不可热处理强化，但是当焊接可热处理强化合金时，可吸收后者的一些合金元素，获得有限的热处理强化效果。另外，钎焊铝可由Al-Si合金包覆于Al-Mg系合金上组成。此系合金的另一主要特点是高耐磨性和低热膨胀系数，在共晶成分，20300的平均线膨胀系数交纯铝低20%，适宜于制作锻造的活塞和其他高温使用的部件。,5xxx系铝合金（Al-Mg）,5XXX系铝合金是以镁为主要添加元素的铝合金，由于它抗蚀性好，又称防锈铝合金。镁与铝形成部分的化合物能

12、使合金有产生晶界裂纹及应力腐蚀的倾向。镁能显著提高铝的强度但又不会使其塑性过分降低。Al-Mg合金有良好的抗蚀性与可焊性能。变形Al-Mg合金焊镁两可由2.0%增加到10%。随着含镁量的增加，塑性和抗蚀性明显下降，特别是含镁量大于7%的合金，工艺性能显著变坏。在Al-Mg合金中加入Mn或Cr，能改善抗蚀性和可焊性，还能起一定的强化作用。加Ti和V可细化晶粒，提高强度和可焊性；加Be能防止熔体和焊接时的氧化倾向。Al-Mg合金中，Cu、Zn、Fe和Si是杂质，应加以限制。5A03合金为改善焊接性能，特加入0.5%0.8%Si。Al-Mg合金也是应用较广泛的一种合金，密度比纯铝小，抗海水腐蚀，还有

13、良好的可焊性和抛光性能，强度比纯铝和Al-Mn系合金高。5A03和5A05合金为单相组织，可焊接，多以板、带和棒材供应，而5A06、5B05等合金主要做焊丝、铆钉以及管、棒材、等挤压制品供应，这些合金的塑性和抗蚀性较差。5056合金具有良好的耐蚀性，会出现应力腐蚀开裂倾向。5083合金有良好的耐蚀性，但会出现应力应力腐蚀开裂倾向。其化学性能介于5A05与5A03合金之间。,6xxx系铝合金（Al-Mg-Si）,6xxx系铝合金是以镁和硅为主要合金元素的Al-Mg-Si系铝合金，对应部分锻铝LDxx，大致成分范围为0.25%1.5%Mg，0.2%1.8%Si，部分合金含有少量的Mn、Cu、Cr等

14、。若含有少量的铜，则在提高合金强度的同时，又能使其抗蚀性不发生明显的改变。若导电材料中含有少量的铜，可抵消Ti及V对导电性的不良影响。若添加少量的Mn和Cr，则可以中和Fe的有害作用。6xxx系铝合金具有良好的耐蚀性，并且没有应力腐蚀的倾向，但是在淬火人工时效状态下合金有晶间腐蚀的倾向。合金的化学成分是决定腐蚀倾向大小的主要因素。如提高Mn、Cr含量，降低剩余Si、Mg2Si相。Fe和Cu的含量，则可提高合金的耐蚀性。此系合金具有中等强度但总体强度水平低于铝铜系合金和铝锌镁合金，而且此系合金基友良好的可焊性、机加工行，尤其是具有热加工成型好、可氧化着色的优良性能。广泛用于建筑型材。、运输设备零

15、部件、家具、轻工业、电气工业等部门。铝镁硅系铝合金的耐蚀性能良好，无应力腐蚀破裂倾向，在淬火人工时效状态下合金有晶间腐蚀倾向；合金中含铜量越多，这种倾向越大。6061合金在大气中的抗蚀性与工业纯铝的相近，也耐淡水和海水腐蚀。在无机酸中的腐蚀速率取决于酸的浓度和温度，但对大多数有机酸耐蚀，在氢氧化钾和氢氧化钠溶液中腐蚀严重，而在氢氧化铵溶液中只有轻微的腐蚀。阳极氧化或包铝可进一步提高其抗蚀性。6063合金的一般抗蚀性很高，在大气中使用时，大多数情况下无需涂漆保护。由于该合金阳极氧化性能好，不仅可以使其外观美观，又可提高其抗蚀性，因此6.63一般在阳极氧化后使用。退伙和淬火状态下耐蚀性最好，自然时

16、效后其抗蚀性与5086、5A05的相当。,填充金属及其选用,按我国国标GB/T3669-2001及GB/T10858-1989，填充金属分为焊条芯及焊丝两个类别。按美国标准ANSI/AWS A5.10-1992，焊丝分为电极丝（代号E）及填充丝（代号ER），但实际上分为填充丝（R）和电极丝、填充丝两者兼用丝（ER）两个类别。焊丝是影响焊缝金属成分、组织、液相线温度、固相线温度、焊缝金属及近缝区母材的抗热裂性、焊缝接头的耐腐蚀性及常温或高温、低温下力学性能的重要因素。当铝材焊接性不良，熔焊时出现裂纹，焊缝及焊接接头力学性能欠佳或焊接结构出现脆性断裂时，改用适当的焊丝而不改变设计和工艺条件常成为必

17、要、可行和有效的技术措施。合金元素在焊丝化学成分中占主体地位，它们决定了焊丝的使用性能，如力学性能、焊接性能、耐蚀性能。添加微量元素，如Ti、Zr、V、B、Sc有利于辅助改善上述性能，细化焊缝金属的晶粒、降低焊接时生成焊接裂纹的倾向，提高焊缝金属的延性及韧性。但是微量元素的添加量应有严格限制，否则过多会造成偏析。选用焊丝时，对焊丝性能的要求是多方面的，包括： 1）焊接时生成焊接裂纹的倾向低。 2）焊接时生成焊缝气孔的倾向低。 3）焊缝及焊接接头的力学性能（强度、延性）好。 4）焊缝及焊接接头在使用环境条件下的耐蚀性能好。 5）焊缝金属表面颜色与母材表面颜色能相互匹配。不是每种焊丝都能满足上述所

18、有要求，焊丝在某些方面的性能有时相互矛盾，如强度与延性难以兼得，抗裂与颜色匹配难以兼顾。所以焊丝的性能表现及其适用性需与其预定用途联系起来，以针对不同的材料和主要的（或特殊的）性能要求来选择焊丝。,基本金属与填充金属的配合,焊接表中任何合金（或者合金的组合）的管道时，可优先选用ER5654焊丝。可在阳极化后实现颜色更好的匹配。尽管ER5356是最常用的高强度Al-Mg合金丝，但仍有一些类似合金（ER5183和ER5556）可取代它。可长期暴露在65以上的高温下。,焊接接头的冶金特性,铝及铝合金焊接接头内包括焊缝区、熔合区及母材热影响区。焊缝区是母材与填充焊丝熔化后凝固结晶而成的铸造组织，其内可

19、能产生气孔或结晶裂纹；热影响区内可能产生再结晶或过时效，从而软化去强；熔合区内可能发生过热、晶界熔化，还可能产生液化裂纹。焊缝区 在电弧高温下，填充金属及待连接的母材边缘受热熔化，形成液态焊缝金属熔池，并随后冷却和凝固，形成焊接接头的焊缝区。焊缝金属的成分取决于下列条件：母材及填充金属的成分及其混合比。合金元素在焊接过程中的损失（如蒸发）。接头形式及其相关尺寸。焊接热输入。当母材的焊接性不良时，母材成分、填充金属成分、二者混合比均很重要。母材一旦选定，其成分一般不宜改变，只有通过焊丝来调节焊缝金属的成分才能改善焊接工艺特性，此时，混合比的选择需有利于增大填充金属在焊缝金属中的比重。母材与填充金

20、属成分的混合比与焊接热输入和接头形式及其相关尺寸有关。母材金属内存在化学成分不均匀的偏析现象。从而可能引起性能缺陷（如晶界脆性、晶间腐蚀）和某些质量缺陷（如气孔、裂纹、氧化夹杂）。焊缝区是焊接接头的薄弱环节之一，与母材组织的最大区别是它具有铸造组织的特征，其强度、硬度和塑性均较母材低，因此焊缝正反面需有适量余高，以资补偿。,熔合区 在焊缝区与不熔化的母材（热影响区）之间必然存在一个过渡区。这个区域的化学成分和显微组织的特点非常复杂，人们给它的称谓也多不一致，如熔合区、部分熔化区或半熔化区、母材近缝区等。过渡区内可分为两个小区，在其中一个小区内，母材各晶粒自身只是局部的发生了熔化，该区是晶粒局部

21、熔化后的液相和剩余的局部未熔化的固相共存的小区，即称其为半熔化区；在过渡区的另一个小区内，母材各晶粒已完全熔化，成为焊缝区的边缘部分，但其成分仍与母材基本相同，此小区称为未混合区。焊缝区的未混合区一母材的半熔化区之间的界面即称为熔合线，未混合区与半熔化区的组合即称为熔合区，也就是焊缝与母材之间的过渡区。熔合区由于焊接时温度高、加热及冷却快，易发生局部过热、偏析物集聚、晶界液化，因而易产生熔合区气孔、晶界液化裂纹、应力腐蚀开裂、熔合区晶界液化及沿晶裂纹。熔合区位于焊接接头因几何形状变化而造成应力集中的部位，如果焊缝成形不良，焊缝形状向母材急剧过渡，或出现咬边、边缘未熔合等工艺缺陷，则熔合区将发生

22、严重应力集中，使焊接接头承载能力大幅度降低。因此，熔合区是焊接接头最薄弱的环节，往往成为断裂失效的典型部位。母材热影响区 焊接时未发生熔化的母材部分，在焊接热循环条件下，其不同部位受到不同的热影响，相当于经历不同的特殊热处理，其组织和性能均发生不同于母材的变化，这部分母材称为热影响区。焊接时母材上的温度场分布极不均匀，离焊缝越近的部位，其加热速度越快，峰值温度越高，冷却速度也越快；反之，离焊缝越远的部位，加热速度越小，峰值温度越低，冷却速度越小。由于不同的热处理，在热影响区内即形成在组织和性能上互不相同的若干小区。,影响各小区组织和性能的因素有:母材的种类及其物理冶金特点。母材焊前的状态及其原

23、始组织。焊接方法、焊接工艺、焊接热输入。非热处理强化铝及铝合金工业纯铝在焊接热循环条件下，固态纯铝无相变，也不发生明显相析出。铝镁系、铝锰系合金在加热和冷却时u，化合物相可融入固溶体或从固溶体中析出，但其析出强化作用不大。热处理强化铝合金热处理强化铝合金有铝铜、铝镁硅、铝锌镁、铝锂等系列合金，其组织内含有相固溶体及金属间化合物相，都是相应铝合金内的强化相，其强化机制主要为析出强化（或沉淀强化）。焊接热处理强化合金时，其热影响区的情况比较复杂，其焊接前后可能安排多种热处理方案。因此，对热处理强化铝合金的焊接热影响区，只能根据焊接前后热处理方案的具体安排，按热处理原理进行具体分析。焊接热影响区的过

24、时效软化是热处理强化铝合金焊接接头的薄弱环节之一，调节焊接工艺参数对过时效区软化的程度及范围可发生明显的影响。,焊接接头的冶金缺陷,焊接接头的主要冶金缺陷，一为焊缝气孔，二为焊接裂纹，后者即可能位于焊缝区，也可能位于熔合区或母材区。焊缝气孔气孔的成分 从铝的焊缝气孔中直接抽取其内的气体进行分析的结果证实，气体的主要成分是氢气。因此，铝及铝合金焊缝金属内的气孔有时称为氢气孔。氢的来源（氢源） 惰性气体保护焊时的氢源很多。焊接时的弧柱气氛、母材和填丝是氢的三大载体。弧柱气氛方面的氢源可能有：1）瓶装惰性气体中超标的氢和水分。2）因惰性气体管路和冷却水管路潮湿或不密封而混入弧柱气氛中的空气、潮气和水

25、分。3）因焊炬结构不气密而混入弧柱气氛中的空气和潮气。 经验表明，弧柱方面的上述氢源不难查明、排除和预防铝材（母材和填丝）方面的氢源可能有：1）因铝材熔炼生产过程中除气不尽而使其本身含有固溶于其内的超标氢。2）铝材加工过程中粘附于其表面的润滑油、油脂、污物等碳氢化合物或其他含氢的表面污染物。3）铝材表面的氧化膜及吸附的潮气和水分。 经验表明，母材及填丝方面的氢源常成为导致焊缝内生成气孔的主要因素。气孔的形态：有在焊缝界面内弥散分布的气孔，接近焊缝表面的单个气孔；沿焊缝中心线分布的链状气孔；熔合区气孔位于熔合线焊缝一侧，多呈孔洞形态。,气孔的预防,预防气孔是一个复杂的难题。根据一些研究成果及生产

26、实际经验，根据制造技术条件对气孔容限的宽严度及具体条件，可选用下列气孔预防措施：母材及焊丝 母材及焊丝自身的含氢量应控制每100g金属不超过0.4mL。焊前零件表面应经机械清理或化学清洗，以去除油污及含水氧化膜。零件表面清洗后，存放待焊时间不超过424h，否则需再次清洗。惰性气体 纯氩及纯氦应分别符合国家标准：氢气浓度小于0.0001%，氧气小于0.1%，水小于0.02%，露点不高于-55。惰性气体管路 管路应气密。材料最好不用塑料，因为有些塑料气密性差，最好采用不锈钢管，管路连接不用螺纹球头连接，而应采用焊接或钎焊连接。管路端部与焊枪之间的柔性管最好采用聚三氟氯乙烯塑料管，它的气密性相对其他

27、塑料管更好。焊枪结构 由于焊枪结构内需接冷却水管，应确保其管接头不会漏水。当现场环境湿度大时，可用试板进行氩弧焊接试验，根据焊道的外观和阴极雾化区的宽窄来定性检查惰性气体的纯度、露点和保护效果，同时也藉以清除焊枪和气体管路中的冷凝水。现场环境 铝及铝合金焊接生产厂房内的环境温度不宜超过25，相对湿度不宜超过50%，如果难以控制整体环境，可考虑在大厂房内为焊件创造有空调或去湿的局部小环境。焊接工作地应远离切割、钣金加工等工作地，焊接工作地应禁放杂物，应保持现场整齐清洁。 装配及焊接的工人身上的油污及手迹、汗迹含有碳氢化合物，也是氢源。所以焊接或装配时，应保持穿戴干净。设计 设计时应选用对焊缝气孔

28、敏感性较小的铝材及焊接操作可达性较好或有可能实施自动焊的结构，以便减少焊缝接头，避免手工焊频繁引弧熄弧而引起焊缝气孔。此外，设计对焊缝余高的要求不必过高，因焊缝过分突出将增大液态焊缝金属内的气泡，从上浮至逸出的距离，而导致气泡来不及逸出焊缝以外。,焊接方法 气焊、电弧焊哪一保证减少焊缝气孔，质量要求高时不宜选用。TIG氩弧焊的电弧过程较稳定，空气混入弧柱气氛的机会较小，且焊接速度不高，熔池凝固速率较低，生产焊缝气孔几率较小。MIG氩弧焊的电弧过程激烈，稳定性相对较差，空气混入弧柱的几率较大，且焊丝一般选用较细，其比表面积较大，氢污染程度及产生焊缝气孔的敏感性也较大。因此，焊接中薄板时宜选用TI

29、G焊，焊接中、大厚板时可选用MIG焊。焊接工艺参数 弧长、电流、焊接速度的选择关系到熔池在高温下存在时间的长短，熔池凝固速率的高低及氢的溶入或逸出。增大单位能时，可增长熔池在高温下存在时间，有利于氢逸出，但也有利于氢溶入。从单向参数来说，弧长（电弧电压）不宜太高，焊接速度宁可就低而不就高。生产时应按零件厚度、焊接方法、接头形式等综合考虑并经气孔敏感性试验后，再就选出最佳配合的工艺参数。焊前预热、减缓散热 其有利于减缓熔池冷却速度，延长熔池存在时间，便于氢气泡逸出，免除或减少焊缝气孔，是适用于铝及铝合金结构定位焊、焊接、补焊时预防焊缝气孔的有效措施。对于退火状态的Al、Al-Mn、及w（Mg）5

30、%的Al-Mg合金，预热温度可选用100150，对于固溶时效强化的Al-Mg-Si、Al-Cu-Mn、Al-Zn-Mg合金，预热温度一般不超过100。减缓散热的方法为选用热导率小的材料制造胎夹具（如钢）及焊缝垫板（不锈钢或钛及钛合金）。操作技术 始焊及定位焊时，零件温度低、散热快，熔池冷却速度大，焊接处易产生焊缝气孔，宜采用引弧板。定位焊起弧后稍滞留，然后填丝焊接，以免该部位产生未焊透及气孔。 单面焊时，背面焊根处易产生根部气孔。最好实行反面破口，正面焊后，反面清根，去除根部气孔及氧化膜夹杂物，然后施行反面封底焊。多层焊时，宜采用薄层焊道，每层熔池的熔化金属体积较小，便于氢气泡逸出。立焊缝或者

31、斜焊缝，要设法由下向上立焊或斜焊。手工焊及补焊时，对焊缝气孔的控制在很大程度上有赖于操作者的技艺。操作者应善于观察熔池状态转化过程和气泡产生。上浮及逸出的情况。必要时对熔池作适当的搅动，助其逸出焊缝表面。,焊接裂纹,焊接裂纹是铝合金结构焊接生产中有时可能预见的重大焊接冶金缺陷。铝合金焊接裂纹的性质属于热裂纹，简称热裂。它们是在固相线温度附近的高温下沿晶界开裂的。与黑色金属不同，铝合金很少出现冷裂纹。铝合金焊接热裂纹有两种特征形式，其一为凝固裂纹或结晶裂纹，另一为液化裂纹，前者出现的部位多为焊缝中心或弧坑内，后者出现部位多为母材近缝区或多层焊时前层焊缝内的热影响区内。结晶裂纹 焊缝结晶裂纹是在凝

32、固过程中由于高温下金属的性能。形态和收缩应变随温度的降低而发生一系列变化的条件下发生的。其断口形貌的基本特征是断口表面由大面积的、光滑但凸凹不平的粒状结构组成，其表面还残留有晶间低熔点共晶体生成物或液膜褶皱及枝晶脆性断裂的痕迹。液化裂纹 液化裂纹形成机理与结晶裂纹的相似。焊接加热时，与焊缝紧邻的母材半熔化区及母材近缝区内的过热区内，晶粒未熔化，呈固态，但晶粒边界上的低熔点共晶物发生熔化，从而出现液相与固相共存冰开始发生其形态及性能和应变逐步变化和发展的过程。其断口形貌特征与结晶裂纹断口形貌特征类似。视其出现部位不同，液化裂纹的断口表面具有轧制母材纤维组织高温沿晶断裂特征，或多层焊的前层焊缝原有

33、组织高温沿晶断裂特征的特征。,焊接裂纹的影响因素及防治措施,冶金因素 1）合金（或不填丝焊接时的焊缝）牌号及其成分。不同的铝合金，由于成分不同，可带来不同程度的热裂倾向。防治焊接裂纹不如避免焊接裂纹，为此，选材设计时，必须避免选用热裂倾向大的材料，应优先选用或改用力学性能说平相当，但焊接性较好。热裂倾向小的材料。2）填充金属的牌号及其成分。焊缝金属是由母材合金与填充金属熔合而成的。填充金属的牌号与母材合金的牌号需适当配合，配合是否适当可导致不同的裂纹倾向。例如。w（Mg）3%的Al-Mg合金焊接时热裂倾向大。当以w（Mg）3%的Al-Mg合金为焊丝进行焊接时，则可不出现焊接结晶裂纹，因为此举可

34、提高焊缝金属内的Mg含量，高Mg的铝合金焊丝溶化后可提供大量的低熔点共晶体，以便能及时愈合凝固时可能产生的结晶裂纹。工艺因素1）焊缝成形。焊缝成形系数（焊缝宽度一焊缝实际厚度之比）可影响焊缝金属产生结晶裂纹的倾向。 值增大时，焊缝热裂倾向降低，但7以后，由于焊缝截面过薄，抗热裂性降低。 值较小时，最易生成焊缝结晶裂纹。因此，当铝材焊接性不良且焊件厚度较大时，宜施行开破口焊接，避免形成窄而深的焊缝。2）组织形态。焊缝金属的晶粒愈粗大，柱状晶的方向性愈明显，则焊缝产生结晶裂纹的倾向也愈大；母材近缝区晶粒愈粗大，晶界熔化愈明显，则该区产生液化裂纹的倾向亦愈大。3）拘束度。4）补焊。,材料的焊接性,焊

35、接性是金属材料，包括铝及铝合金的一项非常重要的性能指标，它关乎材料的正确选择和焊接工艺的正确选用。根据GB/T3375-1994焊接术语，金属焊接性的定义为：金属材料在限定的施工条件下焊接成按设计要求的构件，并满足预定服役条件的能力，即材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性。 焊接性分为工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，能否活得优质、无缺陷的焊接接头的能力。使用焊接性是指焊接接头或焊接结构满足使用性能的程度。根据焊接性的定义及内容，焊接性评定试验方法可分为直接试验法和间接试验法。,铝及铝合金焊接性试验方法,焊接接头的力学行为,铝合金焊接接头是铝合金焊接结构的基本要素。

36、熔焊的焊接接头由焊缝区、熔合区、母材热影响区及母材区组成。 焊缝一般由填充金属及部分母材融合而得，通常为铸造组织；熔合区是焊缝与母材热影响区的交界区域，其组织、化学成分及性能更为复杂；热影响区内的金属相当于经历了不同的热处理，其组织、性能变化较大；母材区虽然没有经历组织变化，但也受到焊接热循环的某种影响。因此焊接接头在化学成分、显微组织及力学性能等方面均属于不均匀体。在焊接结构中，焊接接头主要起两方面的作用：连接作用，把焊件连接成一个整体；传递力作用。传递焊接承受的载荷。焊接接头的力学行为是指焊接接头在承受载荷的作用下，由于接头内在的冶金缺陷（气孔、裂纹、组织不均匀等）、自身的几何缺陷（接头几

37、何不连续等）和力学缺陷（应力集中等）的存在而变现出来的力学特性。焊接接头的分类 按焊接接头在焊接结构中的作用可分为三种类型。工作接头：焊缝与焊件串联的接头，焊缝传递全部载荷，焊缝一旦断裂，结构就会失效，它的焊缝称为工作焊缝；联系接头：焊缝与焊接并联的接头，焊缝传递很小的部分载荷，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，它的焊缝称为联系焊缝；双重性接头：焊缝既起连接作用又起传递力的作用，其焊缝称为双重性焊缝。,焊接接头的特点,焊接接头的优点 焊接作为现代的理想连接手段，与其他连接方法相比，具有许多突出的优点。但同时，在许多情况下，焊接接头又是焊接结构上的薄弱环节。焊接接头的突出优点是：1）承载的多向性。

38、特别是焊透的熔焊接头，能够很好的承受各向载荷。2）结构的多样性。能很好地适应不同形状、不同材料结构的要求，材料的利用率高，接头所占空间小。3）连接的可靠性。现代焊接和检验技术可保证获得高质量、高可靠性的焊接接头。4）加工的经济性。施工难度低，可实现自动化，检查维护简单，修理容易，制造成本低。焊接接头的缺点1）接头力学性能的不均匀性。焊接接头各区在焊接过程中曾进行不同的焊接冶金过程，并经受不同的热循环和应变循环的作用，各区的组织和性能存在较大的差异。焊接接头组织的不均匀造成整个接头力学性能的不均匀。2）焊接接头应力分布不均匀，存在应力集中。由于焊接接头存在几何比连续性，造成工作应力分布不均匀，存

39、在应力集中，当焊缝中存在各种焊接缺陷，焊缝外形不合理或接头形式不合理时，将加剧应力集中程度，减小承载面积，形成断裂源，影响接头的强度，特别是疲劳强度。3）焊接接头存在残余应力与变形。由于焊接的不均匀加热，接头可能存在脆化区、软化区等各种劣质区，引起焊接残余应力及残余变形。4）焊接接头刚度大。由于接头与构件组成整体，与铆接和胶接相比，焊接接头具有较大的刚度，焊接接头所收的拘束度较大。,钨极惰性气体保护电弧焊,钨极惰性气体保护电弧焊是一种以钨棒为一个电极，以焊件为另一个电极，用惰性气体（氩、氦、或氩与氦的混合）保护两电极之间的电弧、熔池及母材热影响区而实施电弧焊接作业的焊接方法。因常用氩气保护，通

40、常简称为钨极氩弧焊或者TIG焊。钨极氩弧焊具有下列特点：1）焊接时无需使用焊条或溶剂和焊剂，焊接后无需清除残余溶剂或焊渣。因为氩气可良好地保护电弧、熔池及母材热影响区而不受氧化，氩气本身也不与铝发生物理化学反应。2）钨极电弧稳定，即使在焊接电流小于10A的情况下，电弧仍可保持稳定，特别适合于焊接铝合金薄板。3）热源和填充丝可分别控制，热输入易于调整。4）由于填充丝不通过电流，无熔滴过渡，故电弧安静，噪声小，无金属飞溅。5）交流氩弧焊时具有对母材氧化膜的阴极清理作用，特别有利于焊接表面易氧化的铝、镁及其合金。6）钨极载流（电流）能力较低，生产效率不高。7）氩气及氦气价格较高，不利于降低成本。8）

41、钨极氩弧焊受作业现场气流影响较大，不适于室外作业。,钨极氩弧焊示意图1-喷嘴 2-钨极 3-电弧 4-焊缝5-焊件 6-熔池 7-填充焊丝8-惰性气体,TIG焊接过程原理,采用直流电源（1）直流正接（DCSP） 当采用直流正接法焊接铝及铝合金时，工件与电源的正极相连接而形成阳极，钨极与电源的负极相连而成为阴极。此时，钨极的点子发射能力强，可发出大量的电子流，并赋予电子流以能量IU，其中I为发出来的电子流，U为发出电子逸出功，由于付出这部分能量，钨极也得到自身冷却。在电场的驱使下，钨极发射出来的高能电子流高速冲击阳极（即焊件），将全部能量交付焊件，使其深熔，形成窄而深的焊缝。但因电子质量很小，电

42、子流对工件的冲击尚不足以破除工件表面的氧化膜。于此同时，正离子流奔向阴极（即钨极），虽使其发热，但因此时的钨极具有自身冷却的功能，钨极不致过热烧损。（2）直流反接（DCRP） 当采用直流反接法焊接铝及铝合金时，钨极与电源的正极相连而形成阳极，焊件与电源负极相连而成为阴极，此时，由于焊件表面上存在氧化膜，电子逸出功较小，易发射电子，因此阴极斑点始终是优先在氧化膜处形成。由于焊件为冷阴极，阴极区有很高的电压降，因此阴极斑点的能量密度很高，在阴极电场的作用下，正离子流高速撞击焊件上的表面氧化膜，使其破碎、分解而被清理掉，阴极斑点随即又在邻近的氧化膜发射电子，继而氧化膜又被清理，因此被清理的氧化膜的面

43、积在不断扩大，直至扩大到氩气所能保护的范围内，此即阴极清理（俗称阴极雾化），其作用的强弱与阴极区的能量密度及正离子的质量大小有关。于此同时，从焊件发射出来的大量电子流冲击阳极即钨极，使其撞击生热，由于此时的钨极已不具有自身冷却功能，钨极即发生过热，甚至熔化，从而不得不限制焊接电流的大小。根据上述原理及特性，直流正接法主要用于铝合金钨极氦（或氦氩混合）弧焊，因氦弧发热量大，热量集中，电弧很短，穿透力强，虽无对工件表面氧化膜的阴极清理作用，但实践中仍有一定的去除氧化膜效果。直流反接法不推荐用于焊接铝及铝合金，反接法虽具有阴极清理作用，但钨极易过热烧损，容许使用的焊接电流很小，电弧稳定性较差，焊接效

44、率低。,采用交流电源（AC） 为兼有阴极清理作用及钨极不致过热，只有采用交流钨极氩弧焊接法。交流电流的极性是周期性变化的。在每个周期里，半波相当于直流正接，另一半波相当于直流反接。正接的半波期间钨极不致过热，可承载较大的焊接电流，有利于电弧稳定，容许可焊厚度增大；反接的半波期间有阴极清理作用，可去除母材表面氧化膜，保证焊缝良好成形。,三种钨极氩弧焊特性比较,焊接设备,手工钨极氩弧焊机由焊接电源、供气系统及供水系统组成。焊接电源中包括焊枪、引弧及稳弧装置、程序控制面板及遥控器。供气系统内包括保护气体的气瓶、减压阀、流量计、电磁气阀。供水系统包括冷却水泵、水压开关。自动氩弧焊机由焊接电源、焊接机头

45、、操作机、变位机、控制箱、供气系统、供水系统及装配焊接夹具组成。焊接机头上包括焊枪。焊枪升降及姿态微调机构、焊丝输送机构，有时还包括轨迹跟踪装置、电弧摆动装置等。操作机上装有焊接机头，能使其升降及行走的立柱和横臂结构，横臂可绕立柱适当回转。变位机一般具有两个自由度的翻转功能。控制箱内包括基本控制系统和程序控制系统，前者包括焊接电源输出调节系统、焊机机头行走调节系统、保护气体流量调节系统；后者则包括各配套件在焊接过程前、过程中及过程后程序动作的调节、协调和控制装置。上述焊接设备系统内的核心设备是焊接电源，对铝及铝合金焊接电源的要求如下：1）具有可调节的陡降外特性；2）引弧容易，电弧稳定；3）具有

46、适应用户网路电压波动的能力，保证焊接工艺参数稳定；4）故障发生率低，便于使用、维护和维修；5）能满足用户对焊接过程的程序及控制的特殊要求；6）价格合理。,焊接工艺,铝及铝合金的钨极氩弧焊应是一种精细的工艺过程，必须注意从材料准备到焊接质量检验全过程中的各个环节。焊接材料（1）钨极 铝及铝合金钨极氩弧焊可供选用的钨极材料有纯钨、钍钨、锆钨、铈钨等，钨的熔点为3400，是迄今为止最好的一种非熔化电极材料，具有很强的电子发射能力，在钨电极成分中加入稀土元素钍、铈、锆等氧化物后，逸出功降低，载流（电流）能力提高。纯钨电极（牌号W1、W2）熔点高，不易熔化和挥发，但电子发射能力较低，载流能力亦较低，抗铝

47、污染性较差，现已较少采用。钍钨电极含氧化钍1%2%，电子发射能力较强，允许电流密度较大，寿命较长，抗铝污染性较好，易引弧，电弧稳定，但价格稍高，有微量放射性，应用范围受到一定限制， w（Th）=2%的钍钨电极已极少采用。锆钨电极含质量分数为1%左右的微量氧化锆，载流能力强，抗铝污染性好，保持电极端部形状（半球形）的功能较好，不易使焊缝夹钨。铈钨电极含质量分数为1.8%2.2%的氧化铈，具有下列优点：1）发射X射线剂量较小，抗氧化性较钍钨极明显改善。2）逸出功比钍钨极低10%，因而易于引弧，电弧稳定性较好。用小直径铈钨电极进行TIG焊时，引弧电流最低，引弧后弧长可达10mm。3）化学稳定性好，对

48、保护气体纯度的要求比钍钨电极略低。4）允许的电流密度大。如采用直流正接TIG焊，允许的电流密度比钍钨电极高5%8%。5）烧损率低，电极使用寿命较钍钨电极更长。交流TIG焊铝及铝合金时，电极端部应呈半球形。直流正接TIG焊接铝及铝合金时，常采用钍钨极，此时电极的端部应磨成60120的圆锥，以获得最大的熔深。如果钨极被污染，则必须立即去除污染物。,焊接工艺,（2）保护气体电弧焊铝及铝合金时，保护气体一般只用惰性气体，即氩、氦、氩-氦各种比例的混合气体。由表可知，氩气的密度比空气大，比热容和热导率比空气小，这些特性使氩气能很好的保护焊接区域，并具有良好的稳弧特性。氦气的密度比空气及氩气小，因此，为有

49、效地保护焊接区，其流量消耗比氩气大许多。氦气的电离电位比氩气高，热导率大，在相同的焊接电流和电弧长度下，氦弧的电弧电压比氩弧高，因此氦弧功率较大，加之氦气的热导率高，冷却效果好，使得电弧能量密度大，弧柱较细，热量集中，利于深熔。交流钨极氦弧焊时，引弧较困难，电弧不稳定，无阴极清理作用，因此考虑采用氦气时，一般不采用交流电源，而只采用正接的直流电源。直流正接氦弧焊铝合金时，一般采用短弧。此时氦弧发热大，热量集中，电弧穿透力强，焊缝成形窄而深。单面焊厚度可达12mm，双面焊可达20mm。与交流氩弧焊相比，破口小，熔深大，焊道窄，变形小，热影响区窄，软化程度低，虽无阴极清理，但仍有去除母材表面氧化膜

50、的作用，虽然焊接区表面出现黑尘，但易于擦掉，且内部质量良好，气孔及氧化膜夹杂物等缺陷少。氩气价格较低，氦气价格昂贵，只在某些特殊行业获得应用。,各种气体的物理特性,接头设计设计和选用焊接接头的形式及破口尺寸时，应根据产品的结构及零件厚度，参考相关国家标准、行业标准或企业标准来进行设计选用。接头设计时，除了考虑其设计必要性外，还应考虑其工艺性及适用性。焊缝分布合理，施焊时可达性要好，焊接后便于无损检测。一般来说，接头设计时应尽量采用对接或锁底对接形式。但是当材料及焊接接头的塑性及韧性较低、承受载荷较大、结构刚性较强、零件厚度差较大时，则只应采用对接形式，不宜采用锁低对接、搭接、角接、T形接、端接