《铝和铝合金的焊接》PPT课件.ppt

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1、铝和铝合金的焊接,石油化工铝制料仓施工质量验收规范 SH/T 35132009,石油化工铝制料仓施工技术规程,SH/T 36052009,应用 1）大型空分装置冷箱中主塔（分馏塔）等塔类设备均为铝镁合金材质。2）铝料仓 3）煤化工装置中的工艺管道等。,2、焊接特性分析 1）强的氧化能力 铝和氧的亲和力很强,在空气极易生成致密的Al2O3薄膜,Al2O3的熔点高达2050,远远超过铝和铝合金的熔点(500600)。Al2O3的相对密度较大，在焊接过程中阻碍金属之间的良好的结合，引起氧化膜夹渣或未熔合。氧化膜还会吸附水份，焊接时会促使焊缝生成气孔。在横焊或仰焊的特定位置下，这些气孔在凝固过程中上升

2、至焊缝上部熔合线附近，被上部固态金属阻挡而无法逸出，因而在焊缝上部形成链状气孔。,（2）较高的热导率和比热容大 铝和铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低合金钢的两倍多。在焊接过程中，由于高的热导率使热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时采用预热的措施。,（3）热裂倾向大 线膨胀系数大，约为碳素钢和低合金钢的两倍。体积收缩率较大，达6.5%左右,铁约为3.5%。这样由于过大的收缩内应力而导致焊接熔池凝固时容易产生缩孔、热裂纹。生产中可采取调整焊丝的

3、成分与焊接工艺的措施防止热裂纹。（4）气孔敏感性高 铝和铝合金熔池很易吸收氢等气体，高温下溶入的大量气体在焊后泠却凝固过程中来不及析出，聚集在焊缝中会形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面的氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。采取的措施：焊前清理母材坡口及焊丝。,5）固态液化时无色泽变化 焊接时熔池金属由固态变成液态时，没有明显的色泽变化，给焊接者带来不便。（6）低的高温强度和塑性 由于高温下的强度和塑性较低，以致于不能支承住液体金属从而导致变形或塌陷。采取的措施：加垫板。,3 铝与铝合金牌号的分类L-纯铝（L1L6）LF 防锈铝(Al-Mn、Al-Mg)(LF1LF7、LF1

4、0、LF11、LF21)LT 特殊铝（Al-Si）（LT1）LD 锻铝（LD1、LD2、LD5LD10）LY 硬铝（LY1、LY2）LC 超硬铝（LC2、LC4）,4 焊接材料 焊接材料的选择 铝及铝合金的焊接材料包括电焊条、焊丝、焊剂、电极和保护气体。1）焊丝 按我国国标88及GB10858-2008，焊丝分为电焊条芯及焊丝两个类别。按美国国标ANSI/AWS A5.10-92，焊丝分为电极丝（代号E）及填充丝（代号R）和电极丝、填充丝两者兼用丝（ER）。,2）焊接材料选用原则焊接时生成焊接裂纹的倾向低；焊接时生成焊缝气孔的倾向低；焊缝及焊接接头的力学性能（强度、延性）好；焊缝及焊接接头在使

5、用环境条件下的耐蚀性能好；焊缝金属表面颜色与母材表面颜色能相互匹配。焊丝的性能表现及其适用性需与其预定用途联系起来，以便针对不同的材料和主要的性能要求来选择焊丝。,表1：针对不同的材料和性能要求选择焊丝,铝和铝合金焊接,焊接纯铝时，可采用同型号纯铝焊丝；焊接铝-锰合金时，可采用同型号铝-锰合金焊丝或纯铝SAl-1焊丝；焊接铝-镁合金时，如果含镁量在3%以上，可采用同系型号焊丝；如果含镁量在3%以下，如5A01及5A02合金，由于其热裂倾向强，应采用高Mg含量的SAlMg5或ER5356焊丝；焊接铝-镁-硅合金时，由于生成焊接裂纹的倾向强，一般应采用SAlSi-1焊丝，如果焊缝与母材颜色不匹配，

6、在结构拘束度不大的情况下，可改用SAlMg-5焊丝；焊接铝-铜-镁、铝-铜-镁-硅合金时，如硬铝合金2A12、2A14，由于焊接时热裂倾向强，一般应采用抗热裂性能好的SAlSi-1、ER4145或BJ-380A焊丝。,3）焊丝、焊件的清洗 在焊前必须将铝丝、铝板表面上的油污、氧化膜等污物清洗掉。清洗方法如下：a)去油污 在清除氧化膜之前，先将铝丝表面、铝板坡口及其两侧(各30mm内)的油污、脏物清洗干净。在生产上一般采用汽油或丙酮、醋酸乙酯、松香水、四氯化碳等溶剂。也可配制一种化学混合液进行脱脂处理，其步骤如下：在温度为(6070)的混合溶液(工业磷酸三钠(4050)g，碳酸钠(4050)g，

7、水玻璃(2030)g，水1L)中加热(58)min；在50左右的热水中冲洗2min；冷水中冲洗2min。,铝和铝合金焊接,b)清除氧化膜 氧化膜的清理有机械清理及化学清理两种方法。机械清理 在去除油污后，可用不锈钢丝轮、铜丝轮或刮刀，将焊件坡口两侧表面刮净。这种方法较简便，但清理的质量较差，主要用于焊缝质量要求不高、焊件尺寸较大、不易用化学方法清理或化学清理后又被局部污染的焊件。这种方法难于清除焊丝表面的氧化膜。,铝和铝合金焊接,化学清理 铝及铝合金板材、管子及铝丝化学清理时，先把铝板、铝管及铝丝放入温度为4060、浓度810%的氢氧化钠溶液中侵蚀，保持1015min（对于铝合金只需5min）

8、后取出，用冷水冲洗2min；再置于30%的硝酸溶液中进行光化处理，以中和余碱，避免碱液继续腐蚀铝板、铝管、铝丝；再用流动的冷水冲洗23min。清理工作完成后，铝丝应置于150200的烘箱内，随用随取。清理过的焊件、焊丝必须妥善保管，不准随意乱放。铝板坡口清理后宜立即进行装配、焊接，一般不得超过24h。,5、焊接方法 1）气焊 气焊的热功率比电弧焊低，热量分散，因而焊件变形大，生产效率低。且焊缝金属晶粒粗大，组织疏松，容器产生夹渣。实际上被氩焊所取代。2）焊条电弧焊 焊条电弧焊的接头质量较差，工业中应用较少，主要用于焊补。3）手工钨极氩弧焊 优点：热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接

9、头的强度和塑性较高，接头质量较优，可焊接的板厚度为1mm20mm，是焊接铝和铝合金最普通的方法。缺点：此方法不宜在露天操作。,4）熔化极氩弧焊 优点：以焊丝为电极，电流比较大，电弧功率大，热量集中，焊接速度快，生产效率高。可焊接厚度为小于50mm。缺点：焊丝直径受送丝系统的限制，且焊缝的气孔敏感性较大。5）熔化极脉冲钨极氩弧焊 焊接电流小，参数调节范围广，焊件变形小，适用于薄板焊和全位置焊。常用于212mm。6）其它不常用的焊接方法 等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、电阻焊等。,6 焊接工艺1)手工钨极氩弧焊 手工钨极氩弧焊时，采用交流电源，利用“阴极破碎作用”清除焊接部位表面上的氧化膜。氩气

10、的纯度必须大于99.99%，含氮量小于0.04%、含氧量小于0.03%、水分小于0.07%，当氮气超过标准值时，焊缝表面会产生淡黄色或草绿色的化合物（氮化物）及气孔，给焊工的操作带来困难；而且当氧气过量时，在熔池表面上还会出现密集的黑点，使电弧不稳定，飞溅较大，水分会导致熔池沸腾，并形成气孔。,铝和铝合金焊接,a)大于3mm厚的焊件需加工成V形坡口，厚度超过14mm的焊件宜开双V形坡口，厚度超过3mm的管子也应加工成V形坡口。b)组对方式通常有不留间隙、留间隙加垫板和较大间隙（对弧焊)。钨极端部通常烧结成球珠形以利于电弧稳定燃烧。c)板厚超过10mm的焊件焊接时或重要结构定位焊时，应采取预热措

11、施。预热温度的选择主要取决于焊件大小及焊缝金属的冷却速度。板材愈厚，预热温度愈高。一般预热温度控制在200250。多层焊时，要保证层间温度不低于预热温度。,铝和铝合金焊接,2)熔化极氩弧焊(MIG焊)熔化极氩弧焊（分为自动及半自动）适用于中等厚度、大厚度铝及铝合金板材的焊接，焊接时采用直流反接。采用该方法焊接时焊接速度快，焊接接头热影响区和焊件的变形量小。焊前焊件不必预热，例如厚度达30mm的铝板仅需正、反面各焊接一层。自动熔化极氩弧焊时，气孔的敏感性较大，这与焊丝直径有显著关系，为此，常选用粗的焊丝及较大的焊接电流值，焊丝直径越粗，焊丝的比表面积就越小，反之，越大。用细焊丝焊接时，由铝丝表面

12、带入熔池的氧化膜及表面吸附水等杂质的数量要高于粗丝焊，因此容易产生气孔缺欠。6mm的铝板对接焊时开I形坡口，间隙小于0.5mm，厚度大于8mm的铝板，需加工成V形坡口。,铝和铝合金焊接,7、铝及铝合金焊接时常见的缺欠 铝及铝合金焊缝中常见的缺欠有焊缝成形不良、基体金属的咬边、裂纹、气孔、未焊透、烧穿、夹渣等。1.焊缝成形不良 焊缝成形不良表现在熔宽尺寸不一，成形粗糙，且不光亮；接头太多；焊缝中心突起，两边平坦或凹陷；焊缝满溢等。这些缺欠的形成原因主要是与焊工的操作不够熟练，焊接工艺参数选择不当，焊炬角度不正确，氧乙炔火焰或电弧没有严格对准坡口，导电嘴孔径太大（对自动、半自动熔化极氩弧焊而言），

13、焊丝表面、焊条涂料及氩气中含有水分等因素有关。,2.裂纹 铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的。纯铝、铝锰、铝镁合金的热裂纹形成倾向很小，但在结构刚性较大、杂质含量较多或工艺参数选择不当时，也会引起裂纹。铝镁合金的含镁量低于2%-3%时，有裂纹形成倾向。但若在铝镁合金焊丝中加入0.2%以下的钛作为变质剂时，可细化晶粒、提高焊缝金属的抗裂性和力学性能。硬铝的焊接性很差，对焊接热循环及焊接线能量十分敏感，焊接时的结晶裂纹(热裂纹)问题极为严重，特别当采用与基体金属相同成分的填充焊丝焊接时，其结晶裂纹的倾向性往往可高达80%以上，甚至发生贯穿性开裂。,铝和铝合金焊接,防止热裂纹的措施如下：

14、1)控制基体金属及焊丝的成分。纯铝、铝锰合金及焊丝中的铁、硅含量比应大于1，以减少焊缝金属中低熔点硅共晶的数量，使铁、硅、铝的多元化合物呈断续分布。2)通过填充焊丝向焊缝金属加入少量细化晶粒的变质剂，有利于防止热裂纹的产生。当在LY16硬铝焊缝中加入0.5%锆后，焊缝金属可变成细小的等轴晶组织。3)应尽量采用加热集中的焊接方法（如熔化极自动氩弧焊）及选择大电流、高焊接速度的焊接工艺参数，4)在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的刚性，在工艺上采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。5）尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序。7）焊接结束或中断时，应及时

15、填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。,铝和铝合金焊接,3气孔 铝合金自动熔化极氩弧焊时，焊缝表面上的气孔比较多，大量微气孔。微气孔的数量及大小随着层数的增多而增加。焊缝表面中心线上的微气孔比焊缝内部中心线上的微气孔多。当大气湿度较大时，第二层焊缝表面中心线上会出现连续的大气孔。铝焊缝中各种气孔的特征及形成原因如表3所示。,铝和铝合金焊接,表3 铝焊缝中各种气孔的特征及形成原因,防止气孔的措施如下：1)焊前准备 工件、焊丝、惰性气体、工业大气、送丝机构、焊接操作人员的手套及手迹，都可以提供氢源。主要的氢源是水分、含水氧化膜、油污。材料及焊丝自身的含氢量宜控制为每100g金属内含氢不超过

16、0.4mL。工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。工件清理或清洗后，用干燥、洁净、不起毛的织物或聚乙烯薄膜胶带将坡口及其邻近区域覆盖好，防止其随后沾污。必要时临焊前再用洁净的刮刀刮削坡口及焊丝表面，继而用焊枪向坡口吹氩，吹除坡口内刮屑，然后施焊。工件表面清洗后，存放待焊时间不能超过424h，否则需再行清洗。普通焊丝表面制备过程与工件相同。抛光焊丝可不经任何清理而直接用于焊接，焊丝拆封后存放待用时间放宽限制，但不要长期拆封存放，拆封但未用完的焊丝可再封存于干燥环境内。,铝和铝合金焊接,惰性气体管路:应采用不锈钢管或铜管的管路，从管路末端至焊枪之间应采用硬质聚四氟乙烯管，不宜采用

17、橡胶和乙烯树脂管路，因其吸水性强。要确保惰性气体管路(包括管接头)不渗露，否则无内压时夹带潮气的工业大气将渗入管路内。由于焊枪结构内尚需接冷却水管，应确保其管接头不会漏水。当现场环境内湿度大时，可用经加热的氩气通吹气体管路，以去除管壁上可能附着的水分。也可采用试板进行电弧焊接试验，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。焊丝输送机构:焊丝输送机构内不能有油或油污，送丝套管也应采用聚四氟乙烯管，也应注意清除套管壁上可能附着的冷凝水。现场环境:铝及铝合金焊接生产产房内环境温度不宜超过25，相对湿度不宜超过50%。如果难于控制

18、整体环境，可考虑在大厂房内为焊件创造能空调或去湿的局部小环境。,铝和铝合金焊接,焊接工作地应远离切割、板金、加工等工作地，焊接工作地禁放杂物，应保护现场整齐清洁。从事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。接触、加工、焊接铝件时，宜穿戴专用白色劳保工装，选择白色穿戴的目的即在于易发现和清除脏污。2)结构设计 设计时应考虑避免采用横焊、仰焊及可达性不好的接头，以免焊接时易于发生突然断弧，以致断弧处滋生气孔。焊接接头应便于实施自动焊以代替引弧、熄弧、接头频繁的手工焊，凡可实施反面坡口的部位可设计成反面V形坡口。3)焊前预热 焊前预热减缓散热有利于减缓熔池冷却速度，延长熔池存

19、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。,铝和铝合金焊接,预热方法最好是在夹具内设置电阻加热或焊件外远红外局部加热。对于退火状态的Al、Al-Mn、及w(Mg)量小于5%的A1-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-Mg、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(不锈钢或钛合金)。4)优选焊接方法 钨极交流氩弧焊和钨极直流正极性短弧氦弧焊时，电弧过程稳定，环境大气混入弧柱及熔池较少，因而对焊

20、缝气孔的敏感性较低。极性及参数非对称调节的钨极方波交流氩弧焊和等离子弧焊时，阴极雾化充分，焊接过程中可排除气孔和夹杂物，对焊缝气孔的敏感性亦较低，甚至可获得无缺欠焊缝。熔化极氩弧焊存在熔滴过渡过程稳定性较差，环境大气难免混入弧柱区，熔池熔氢较多、焊接速度及熔池冷却速度较大，因而生成焊缝气孔的敏感性较强，宜选用亚射流过渡及粗丝焊接。,铝和铝合金焊接,5)优选焊接工艺参数 降低电弧电压、增大焊接电流、降低焊接速度，有利于减小焊接熔池溶解的含氢量，延长液态熔池存在时间，减缓熔池冷却速度，便于氢气泡逸出，减少焊缝气孔。6）焊接操件技术 始焊及定位焊接时，工件温度低、散热快，熔池冷却速度大，焊接处易产生

21、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。最好实行反面坡口双面焊，正面焊后，反面清根，去除根部气孔及氧化膜夹杂物，然后施行背面封底焊。多层焊时，宜采用薄层焊道，每层熔池熔化金属体积较小，便于氢气泡逸出。补焊时，必须先检测原有缺欠的准确位置，确保缺欠完全排除，最好随即安排一次工艺性X射线透视，验证缺欠排除程度。补焊时，焊件温度低，补焊焊缝短，起弧熄弧间距小，补焊操作不便，熔池冷却速度大，极易产生气孔，因此，补焊难度较大，必要时，可施行远红外辐射局部预热。,铝和铝合金焊接,手弧焊时，焊接及补焊过程中对焊缝气孔的预防在很

22、大程度上取决于焊工的操作技艺。焊工应善于观察焊接熔池状态转化过程和气泡产生及逸出情况、切忌盲目追求高焊接速度，应善于通过操作手法，作前后适当搅动，以利气泡逸出。自动焊时，可采用适当的机械或物理方法搅拌熔池，如超声搅拌、电磁搅拌、脉冲换气(氩、氦)、脉冲送丝等。预防铝及铝合金焊缝气孔是一个复杂的难题，实际生产中常需结合生产条件，采取综合防治技术措施。,铝和铝合金焊接,8 铝和铝合金管道焊接 8.1 坡口加工 坡口加工采用机械方法，也可采用等离子弧等火焰方法加工。加工后的表面平整、光滑、不应有裂纹、分层、夹渣、飞边等。如用等离子弧等方法加工有污染时，切割面应打磨光滑。8.2 焊前清理 焊丝及坡口表

23、面及其两侧50mm范围进行表面清理，一般可选用以下方法：1）用丙酮等有机溶剂去除表面的油和油脂。2）宜用机械法或化学法清除表面氧化膜。3)经清理的焊丝和焊件，焊前严禁沾污，否则应重新清理。一般应在清理后4h内施焊。,机械法：坡口及其两侧表面用刮削、锉削或铣削，也可用0.2mm左右的不锈钢丝刷(轮)清理露出金属光泽.焊丝表面用不锈钢丝刷或干净的油砂纸擦洗。化学法：用约705%10%的NaOH溶液浸3min左右水洗，接着用约30%的HNO3溶液在常温下浸2min左右后用流水冲洗，再进行100左右的烘干。,8.3 垫板1)铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现

24、象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板或碳素钢板等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。加垫板焊接时，坡口不留钝边，垫板焊前一定要打磨干净，焊接时要保证垫板一定不要熔化。,2)不锈钢衬环作用 在小管径铝镁合金管焊接过程中，我们可以在焊接前在铝镁合金管道内使用嵌入环式不锈钢衬圈垫环，一方面可以有效防止焊缝金属塌陷、滴漏，便于焊缝成型；另一方面对打底焊缝进行有效保护，降低氧化程度，减少气孔、夹渣等焊接缺陷的生成。3)不锈钢衬环的制作 不锈钢衬环包括衬圈及槽形铝，先特制一个带槽的AL合金衬圈，使用时不锈钢带镶入其槽内即成，不锈钢带一般为

25、1.5mm厚，20mm宽。4)不锈钢衬环的装配 不锈钢衬环的装配定位如下图,8.4 组对与定位 管道组对前将焊丝、坡口表面及两侧不小于50范围内的油污、氧化物等杂质用丙酮和四氯化碳等有机溶剂或者不锈钢钢丝刷除去；露出金属光泽。清理好的焊件及焊丝在8小时内进行施焊，若超过8小时的，则采取有效的防护措施，否则重新清理。管道组对时，应内壁平齐，错边量符合以下要求：当管道壁厚小于等于5时，错边量小于等于0.5；当管道壁厚大于5时，错边量小于等于壁厚的0.1倍且不大于2；,焊接定位焊缝时，应采用与正式焊接相同的焊丝和焊接工艺，并应由合格焊工施焊。定位焊缝尺寸见表4-2.,8.5 焊前预热 采用手工钨极氩

26、弧焊时，如焊接厚度1015mm时可焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100200，可用氧-乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减少变形、减少气孔等缺陷。8.6 焊接工艺要点 1)手工钨极氩弧焊时采用交流电源，熔化极氩弧焊时应采用直流电源。2)引弧宜在引弧板上进行，纵向焊缝宜在熄弧板上熄弧。引弧板与熄弧板的材料应与母材相同。防止电线、地线、焊接工具等与焊件打弧。,3)宜采用大电流快速施焊法,焊丝的横向摆动不宜超过其直径的3倍.4)焊接顺利应对称进行，当从中心向外进行焊接时，具有大收缩量的焊缝宜先焊，整条焊道应连续焊完。5)手工钨极氩弧焊的焊丝端部不不应离开保护区。6)焊接过程中应注意清

27、除焊层焊道间的氧化物夹杂等缺陷。角焊缝根部应注意焊透。双面焊应清理焊根，显露出正面打底的焊缝金属。弧坑应填满，接弧处应当熔合焊透。,8.3 工程实际铝镁合金的焊接缺陷及解决办法：1)夹钨（X光片上显示为白点）产生的原因：钨极太细，冷钨极直接打弧；触钨（钨极触到焊件或其它）解决办法：用引弧板，触钨时应打磨钨极。2)夹杂 Al2O3弥散状态分辨不出几何尺寸的对性能没有影响；Al2O3线状对性能有影响。且Al2O3夹杂易在根部形成。解决办法：重熔。打磨根部，当管径很小无法打磨或重熔其根部应加不锈钢垫板,3)气孔产生的原因：焊丝及母材表面的氧化膜；氩气中的水汽；焊枪带中的水汽。环境（风天或雨天）解决办法：清理焊丝及母材坡口附近的油污及氧化膜。保证氩气纯度，横立仰焊时应用满瓶，气带要短。引弧时间要长一些，气带不要漏气。避免雨风天施工。当焊件15mm时预热，横焊时10mm预热。,