铝及铝合金的焊接.ppt

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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

2、Institute 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

3、合金中。,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,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，但是对其加工性能则不利。,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,4043（Al-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-M

4、g-Si）：用于Al-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

5、所Welding Engineering 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）焊材和母材表面吸附的水分；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 I

6、nstitute of Shanghai 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

7、通大学焊接工程研究所Welding Engineering 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

8、所Welding Engineering Institute 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,

9、上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute 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,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,

10、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,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

11、，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,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 Engineeri

12、ng Institute of Shanghai Jiao Tong University,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,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 Unive

13、rsity,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。,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

14、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

15、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,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，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,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of S

16、hanghai Jiao Tong University,（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,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

17、。,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,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

18、）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-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

19、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 Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,3）焊接规范的影响 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

20、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,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

21、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 Engineering 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

22、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 Engineering 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，

23、发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”。,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

24、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 Engineering 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-M

25、g则在焊后4天自然时效，软化开始显著消失，30天后基本消失。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。,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,