第五章 鋁及其合金的焊接

§5-1 鋁及其合金的類型與特性

一、        工業純鋁的特性 肯倍焊機

含Al>99%，Fe、Si雜質（Al-Fe-Si三元合金，面心立方點陣結構）

熔點=660℃，耐蝕性良好，強度低，塑性好。

肯倍Master Tig氬弧焊機，肯倍Master手工焊機，肯倍Pulse鋁焊機，肯倍A3機器人焊機，肯倍A7機器人焊機，肯倍KempArc機器人焊機，肯倍MIG焊機，肯倍X8 MIG焊機，肯倍不銹鋼MIG焊機，肯倍MAG焊機， 西安肯倍焊機，武功肯倍焊機，渭南肯倍焊機，寶雞肯倍焊機，漢中肯倍焊機，咸陽肯倍焊機，延安肯倍焊機，榆林肯倍焊機，鄠邑肯倍焊機，長安肯倍焊機。

二、           鋁合金的合金化及其特性

焊接結構中主要應用的是變形鋁合金，應用最為廣泛的是非時效強化鋁合金（LF）

鑄造Al只在結構缺陷焊補時遇到。

（只討論變形鋁合金）

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一）   非時效強化鋁合金

耐蝕性良好，主要為固溶強化。

1．Al-Mn系（LF21、3003）

（含Mn量為1.0～1.6%）

2．Al-Mg系（LF2～6、5000系列）

Mg的固溶強化作用大于Mn

Mg↑，強度↑，脆性β相（Mg₂Al₃）↑，δ↓，耐蝕性↓。

二） 時效強化鋁合金 肯倍焊機

最為典型的是LY系列和LC系列，LD系列

1．硬鋁（LY系列，2000系列）

1）LY12（Al-Cu-Mg系）應用最早，2024（美）

   a．主要強化相：（CuAl₂），S相（Al₂CuMg），

         其次：T相（CuAl₅Mg₅），β相（Mg₂Al₃）。

   b．元素的作用

   c．缺點：

（1）    耐蝕性不良，采用包鋁，但強度降低

（2）    固溶強化溫度范圍窄（495～503℃）易過燒與強化效果不佳。

（3）    焊接裂紋傾向大

2）LY16（Al-Cu-Mn系列，2219）

為改善材料焊接性而設計

Mg降低Al-Cu合金中的溶解度，提高脆性和凝固裂紋傾向，

用Mn代替（見上圖）

2．超硬鋁（LC，Al-Zn-Mg系列，7000系列）肯倍焊機

1）特點：

Al-Zn-Mg-Cu系，強度最高，缺口敏感性高、耐蝕性低。

2）焊接性差，熔化焊接裂紋傾向大，接頭強度遠遠低于母材。

焊接接頭：σb=309Mpa，δ=3～4%

母    材：σb=536Mpa，δ=7%

3）耐蝕性降低：Zn、Mg含量增加

3．Al-Zn-Mg合金（7475，7005）

1）優點：

a．取消Cu，σb↓，但是，焊接性能優異！

b．焊接裂紋傾向性↓

c．良好的自然時效性能，接頭σb可以恢復到母材水平

2）缺點：

應力腐蝕開裂敏感性大，

Zn+Mg↑，耐蝕性↓，總量應該低于7.5%。

Zn在4～5%；Mg=1～3.5%，較為理想，

常加入Cr、Mn、Ti、Zn細化晶粒。

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三、        鋁合金的耐蝕性

耐酸不耐堿；

一般，其總體上耐蝕性較好，

保護膜一旦被破壞（局部破壞），腐蝕加劇。尤其是冷作硬化態。

當Al及其合金存在雜質或者析出相時，由于相間電極電位差，促使產生電化學腐蝕。

注意：既要保證強度，又要提高耐蝕性。

四、            鋁合金的物理性能

導熱系數λ與線脹系數α都很大，其密度較小。

§5-2 鋁及其合金的焊接性

鋁及其合金焊接結構應用廣泛，例如高速客車車體，儲油罐等。肯倍焊機

對其進行焊接時，存在以下問題：

1．焊縫中的氣孔；

2．焊接熱裂紋；                                             主要問題

3．接頭的“等強性”；

4．變形；（材料線脹系數大，導熱性強，傳熱快，HAZ較寬）

5．焊縫夾雜；（Al₂O₃熔點高，達2050℃，但密度與Al相近）      次要問題 

6．焊接未熔合（表面難熔氧化物+材料傳熱快）

一、                          焊縫中的氣孔

一） 形成氣孔的特點

主要是H₂氣孔。

[H]來源于弧柱氣氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，

特別是表面氧化膜中吸附的水分！

1．弧柱氣氛中水分的影響（潮濕的空氣、保護氣氛）

該氣孔具有白亮內壁的特征。

1)      原理

由圖11-4，在平衡狀態下，液態Al中溶解度為0.69ml/100g, 凝固點的溶解度為0.036ml/100g，相差約20倍， 而鋼的相差約2倍。

溶解度變化的實際冷卻線為abc

a      b：冷卻速度大，氣泡在液體凝固之前聚合上浮，被擱淺，形成粗大的“皮下氣孔”；

a      b’：冷卻速度小，氣泡在液體凝固之前聚合浮出，不致產生氣孔。

b     c：冷卻速度大，結晶條件下，凝固點的氫的溶解度發生突變，枝晶交互生長，聚合的氣孔生長受限，限制在枝晶前沿，沿枝晶層狀線分布，難以浮出，即“結晶層孔”

b’   c’：冷卻速度小，氣孔少。

   2）不同的合金系統，對水分的敏感性不同（見圖11-5）

   3）不同的焊接方法，敏感性不同

MIG>TIG （同樣的氣氛條件下）

A．MIG：細絲熔滴小，比表面積很大，弧柱溫度高于熔池，利于吸氫；

B．熔池深度大于TIG方法的深度，利于氣孔浮出。

2. 氧化膜中水分的影響（已限制弧柱水分的影響）

 焊絲或工件的氧化膜中所吸附的水分將是生成焊縫氣孔的主要原因。

MgO↑，形成的氧化膜不致密，

而純Al的氧化膜非常致密，吸水性差。

MIG焊接方法：焊絲表面氧化膜的清理情況對[H]的影響較大，

對Al-Mg合金焊絲，其影響更顯著，氣孔傾向↑↑。

坡口氧化膜被迅速溶化掉，水分排除，影響小。

    TIG焊接方法：在熔透不足時，母材坡口端部未除凈的氧化膜所吸收的水分，是產生焊縫氣孔的主要原因。

                 焊前嚴格去除氧化膜。

    而母材表面養化膜也會在近縫區引起“皮下氣孔”（Al-Mg合金）

二）防止焊縫氣孔的途徑

兩方面著手：1）限制氫溶入熔融金屬（減少氫的來源）

或減少熔池吸氫時間；                  較為矛盾 

2）盡量促使氫從熔池中逸出

因而盡量限制氫的來源具有較為現實的意義！

1．  減少氫的來源

1）所有的焊接材料在使用之前必須干燥處理

2）焊前處理

化學法和機械法，清除焊絲和母材表面的氧化膜。

3）坡口下端（根部）倒V型小坡口

鏟根極為有利于減少焊縫氣孔的傾向。

2．  控制焊接工藝

1）原理

工藝參數的影響主要可以歸結為對熔池高溫時間的影響。

T增加，氫利于逸出，也利于氫的溶入

T減少，減少氫的溶入，但不利于其逸出。       矛盾，必須調整適當

2）對TIG焊接，一方面盡量采用小線能量，減少熔池存在時間

一方面，應該充分保證根部熔透，利于氣泡浮出

大電流高焊接速度比較有利。

3) MIG焊（焊絲氧化膜的影響更為主要）

   一般希望增大溶池存在時間以利氣泡的逸出

   圖11—8  V_H↓  E線↑  有利于氣孔↓

   圖11—9  對薄板影響大

V_冷對焊縫的氣體含量有較明顯的影響

  必要時可采用預熱辦法↓VH，以利氣體逸出

4）混合氣體保護焊（P412）

二、焊接熱裂紋

    焊接金屬和近縫區發現的熱裂紋主要是凝固裂紋，也可在近縫區見到液化裂紋

一）    化合金焊接熱裂紋的特點

1．易熔共晶體的存在，是焊縫產生凝固裂紋的重要原因

2．Al合金，線脹系數大，比鋼大1倍，在拘束條件下焊接易產生大反應，促使裂紋傾向原因（鋁合金屬于典型的共晶型合金）分析圖11—10

   易熔共晶成薄膜狀展開于晶界上時，必促使晶體分離，↑合金的熱裂傾向

易熔共晶成球狀聚集在晶粒頂點間時，裂紋傾向↓。

3．近縫區“液化裂紋”，亦是晶間易熔共晶存在有聯系（因偏折而形成）。

   二)防止焊接熱裂紋的途徑

        對于焊縫金屬的凝固裂紋，主要是通過合理選定焊縫的合金成份，并配合適當的焊接工藝來進行控制。

1． 焊縫合金系統的影響

1）調整成份的的著眼點：在于控制適量的易熔共晶并縮小結晶T區間，

一般都是使主要合金元素含量超過Xm，以便能產生“愈合”作用。

  有點類似于25—20半耐熱鋼中雙相組織r+B₁的B偏折與Fe Ni形成低熔共晶

a）LT1絲抗裂

對于一些裂紋傾向大的硬鋁之類的高強的合金，在原合金系統中進行調整以改善抗裂，不見效。

不得不利用Si5％的AL—Si合金焊絲（LTI）,可形成較多的易熔共晶，流動性好（愈合作用↑）抗裂性↑，σb， δ↓。

b）不同母材匹配不同焊絲，具不同的裂紋傾向

        （圖11—12）分析匹配情況

   （圖11—13Cu與Mg含量對AL-Zn-Mg熱裂的影響）。

σb↑（如6070 硬Al， LC系列，裂紋傾向↑）

2．變質劑的影響

  Ti ， Zr， V， B 微量元素，細化晶粒，↑δ，ak.↑↑抗裂性。

  與AlTi形成一系列包晶反應，生成難熔質點（非自發凝固形核），

   Al₃Ti.Al₃Zr，AlB₂非自發凝固形格

3、    焊接工藝參數的影響

影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態，也影響凝固過程中的應變增長速度，從而影響裂紋的產生。

·熱量集中的焊接方法，利于快速焊接，防止粗大的柱狀晶，抗裂性↑

·I_H↓減小熔池過熱，抗裂性↑

· V_H↑，接頭的應變速率↑ 熱裂傾向↑

   （大部分Al合金的裂紋傾向都比較大）

·熔合比大時，裂紋傾向↑（↑I_H也是不利的.I_H↑.熔合比↑）

三．焊接接頭的“等強性”肯倍焊機

    表11—15典型的化合金焊接接頭母材的力學性能，可看出以下規律。

1．非時效強化的鋁合金  LF3（Al-Mg）

退火態焊接：接頭與母材等強

冷作硬化態焊接：接頭強度低于母材，即有軟化現象。

2．時效強化鋁合金

①  除了Al-Zn-Mg合金，均σ接頭<σ母材

而Al-Zn-Mg合金，焊接后自然時效時間越長，接頭強度顯著提高到接近母材水平。

②  所有時效強化的化合金，焊后不論處理否。δ接頭<δ母材。

③    退火態母材+焊后處理，有些接頭強度>母材強度

3．焊接時的不等強性，說明接頭存在軟化現象或有薄弱環節。

①  焊縫

·鑄造組織  δ焊接<δ母材

·焊縫性能主要決定于所選用的焊材（異質焊縫）

·為保證焊縫σb與δ，固溶強化型合金系統要優于共晶型合金系統

·E↑焊縫性能↓

②  熔合區

非時效化合金主要問題：晶粒粗化，δ↓

時效化合金主要問題：晶粒粗化，可能晶界液化產生裂紋    惡化δ

③  HAZ區

主要表現為強化效果的損失（軟化）

一）非時效強化鋁合金的軟化問題：

主要發生在冷作硬化合金上。

·當HAZ的T_峰值>T_再結晶（200—300⁰C），產生明顯軟化（圖11—16）

·軟化區↑，σ接頭↓明顯。（圖11—17）

·接頭的軟化主要取決于加熱的T_峰值，V_冷影響不大。

·冷作硬化程度↑，軟化↑。

二） 時效強化化合金的軟化問題

1．問題主要是HAZ“過時效”軟化問題。

2．影響因素：

其嚴重程度決定于合金第二相的性質，也與焊接熱循環特性有一定關系，

第二相易于脫溶解出并易于聚集長大，越易發生“過時效”。

比較Al-Cu-Mg的自然時效  （圖11—18，圖11—19）

3．  采取措施

1）防止HAZ區軟化，宜采用小的焊接線能量

2）如果焊接后可以完全熱處理，則在固溶或退火態焊接較好。

五、     焊接接頭的耐蝕性

1．規律：接頭的耐蝕性一般都低于母材。

         熱處理強化的合金焊接接頭的耐蝕性降低尤為明顯，則采用可包鋁提高耐蝕性。

2．原因（影響因素）

1）主要與接頭的組織不均勻有關（尤其有析出相），可使接頭各部位的電極電位產生不均勻性。

2）焊縫金屬的純度和致密性是影響接頭耐蝕性因素之一。

雜質↑晶粒長大，脆性相析出，耐蝕性↓↓。

3）焊接應力更是影響耐蝕性的敏感因素。

3．     改善焊接接頭的耐蝕性措施

1）改善接頭組織的成分的不均勻性

（焊縫合金化、細化晶粒，焊后熱處理，↓HAZ，防止過熱）

2）消除焊接應力（局部表面拉應力，可以采用局部錘擊消除）

3）采取保護措施（陽極氧化處理或涂層）

§5-3 Al及其合金的焊接工藝特點

一、焊接工藝的一般特點

1．從物理性能方面的特點考慮

   ·鋁及其合金導熱性好、熱容量和線脹系數大、熔點低、高溫強度低，焊接困難；

·焊接時無顏色變化，難以確定焊接的坡口是否熔化，焊接操作難；

·Mg、Zn、Mn易蒸發，影響接頭性能。

1）焊接熱源必須集中，以保證熔合良好；

2）要采用墊板和夾具，以保證裝配質量，防止變形；

2．從化學性質上考慮

    難熔氧化物易于形成夾雜物，而且還因為吸收水分造成焊縫氣孔的產生。

1）焊接之前嚴格清理焊絲和母材表面的氧化膜；

2）加強保護，利用“陰極霧化”清理作用；（cleaning action）

3）氣焊或其他熔化焊接方法，需用釬劑（氯化物等），具有腐蝕性，焊后應該立即徹底清除殘渣。

3．接頭形式及坡口準備工作

1）手工焊接：厚度低于3～4mm內，自動焊接：6mm以內不開坡口；

2）厚度低于3mm的接頭，可以卷邊焊接。

主要考慮能夠充分而有效的去除氧化膜。

二、焊接方法的選用

薄件仍可以采用氣焊（需焊劑），大厚度鋁件則采用電渣焊接有效。

氬弧焊接：薄板多用TIG焊接；

         大于3mm多用MIG焊接。

1．TIG焊接方法                           采用雙層氣體保護

    一般采用交流電源；             

    研究用于大厚度鋁合金焊接的直流正接TIG焊（熔深大、成型好，氣孔傾向小）

    2．MIG焊接法（DCRP）

·I_H一般大于臨界電流值，獲得穩定的噴射過渡電弧過程；

·板厚小于3mm，必須采用很細的焊絲，送絲難，一般不用MIG焊接；

·熔化極脈沖氬弧焊焊接薄板，1.6～2.0mm構件

    熱作用小，適于焊接熱處理強化鋁合金。

·I_H大于300～400A，焊縫表面易于產生“皺皮”（Purkering）

                    采用雙層氣體保護焊接可以解決。

3．焊接工藝參數的確定

    主要根據接頭的尺寸、形狀和焊縫成型的要求，也必須考慮對氣孔、裂紋和HAZ軟化的影響。

    I_H與V_H必須緊密的配合。

1）TIG焊接：φ_鎢極一定，I_H↑，V_H↑，氣體流量與焊接速度應該相應的調整，

             功率一定，焊接速度與焊接厚度有關。

2）MIG焊接：·V_H可以大范圍變動，0.15～1.5mm/min;

            ·V_送絲可以更大范圍變動，1.1～10mm/min;

            ·I_H 必須適當，關鍵是確定臨界電流；

            ·層間溫度↑，σ接頭↓，δ↓，微裂紋傾向↑

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