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1、有色金属的焊接,第一章 铝及铝合金的焊接,一、铝及铝合金的分类及特性 铝具有密度小、耐蚀性好、导电及导热性能优良等特点。在化学活性方面，铝非常活泼，在空气中易在其表面上形成十分致密的Al2O3薄膜，可防止硝酸及醋酸的腐蚀。但在碱类及含有氯离子的盐类溶液中，这层薄膜将被破坏，引起腐蚀。,1、工业纯铝：其铝含量的纯度为98.8-99.7%，其余为Cu、Si、Fe、Zn等杂质，强度较低。 2、铝合金：为提高纯铝的强度，常在其中加入少量合金。如：Cu、 Mn、Mg可提高其强度；Ti可细化晶粒；Mg可提高耐蚀性；Ni能提高耐热性等。,成分于D右边的合金，具有共晶组织，为铸造铝合金，适合于铸造而不适于压力
2、加工； D左边的合金，为变形铝合金，加热时能形成单相固溶体，塑性好，适合于压力加工。其中，F点左边的变形铝合金，不能进行热处理强化，为非热处理强化铝合金；在F点和D点之间的合金，可进行热处理强化，称为热处理强化铝合金。,图1 铝合金的平衡状态图变形铝合金； 铸造铝合金； 1非热处理强化铝合金； 2-热处理强化铝合金,非热处理强化变形铝合金如Al-Mg合金、Al-Mn合金，其强度较好，塑性和耐蚀性好，焊接性优良，故其应用十分广泛；热处理强化变形铝合金的焊接性较差，焊接时易出现裂纹，故其应用较少；铸造铝合金的焊接性较好，可对其出现的常规铸造缺陷进行焊补。,二、铝及铝合金的焊接性 铝及其合金的导热性
3、极强，在焊接时容易出现不熔合现象；表面形成的Al2O3薄膜的密度与铝十分接近，容易形成焊缝金属的夹杂物；Al2O3薄膜以及MgO等薄膜易吸收较多的水分形成焊缝气孔；铝及其合金的膨胀系数大，导热性好，焊接时易产生翘曲变形等。,铝及铝合金焊接时具有以下特点： 1、易氧化：铝与氧的亲和力很强，铝及铝合金在任何温度下都会氧化，在空气中容易与氧结合生成致密的Al2O3薄膜，高温焊接时氧化更激烈。Al2O3薄膜的熔点高达2050，密度为铝的1.4倍，其对水分的吸附能力很强，焊接时若薄膜存在于熔池表面会影响电弧的稳定性，形成未熔合、气孔、夹渣等缺陷，故焊前应采用机械或化学方法清除焊件坡口和焊丝表面的氧化物，
4、并对熔池及高温区金属进行有效的气体保护。,2、耗能大：铝及铝合金的热导率约为钢的4倍，要达到与钢同样的焊速，焊接线能量应为钢的2-4倍，因此，铝及铝合金焊接时应采用能量集中、功率大的热源，并采用预热等措施。铝及铝合金的导电性好，在电阻焊时需要比焊钢更大容量的电源。,3、焊缝气孔：焊接时，弧柱气氛中的水分、焊材及母材表面氧化膜吸附的水分均含有大量的氢，氢易溶于高温铝合金中。在平衡条件下，氢在液态铝中的溶解度为0.69mL/100g，而在660的凝固温度时突然降至0.036mL/100g，缩小了20倍，使原来溶于液态铝中的氢大量析出。由于铝合金的密度小，且其冷却速度很快（为高强钢的4-7倍），不利
5、于气泡的逸出，故易在焊缝中形成气泡。此外，氧化膜也易吸附氢形成集中式气孔，由于其密度较大而沉积到熔池底部。,图2 氢在主要金属中的溶解度,图3 氢在铝中的溶解度,图4 母材氧化膜引起的焊缝横截面和纵截面上的气孔,4、焊接热裂纹：铝的高温强度低，塑性差，膨胀系数比钢大一倍，其体积收缩率为6.5%，比钢大两倍，当在拘束条件下焊接时，易产生较大的焊接应力，冷却时由于低熔点共晶的析出在焊缝金属中形成结晶裂纹和在热影响区形成液化裂纹。 防止热裂纹产生的措施主要是改进接头设计；合理选择焊接工艺参数；选用适应母材特点的焊接填充材料等。,研究表明，铝合金中合金元素的含量也是影响热裂纹敏感性的主要因素。,图5
6、铝合金中不同合金元素含量对焊接热裂纹的影响,5、降低焊接接头的力学性能：下图为热处理强化铝合金焊接接头的微观形貌。焊缝区为铸态组织，晶粒粗大，性能低于母材；半熔化区由于高温晶粒严重粗化，晶粒易出现氧化，塑性严重下降；在过时效软化区，由于加热温度超过了时效温度而产生退火作用，使强度、硬度大大降低。,图6 热处理强化铝合金焊接接头的微观形貌,6、焊接接头的耐蚀性：铝及铝合金表面的保护性氧化膜一旦被破坏，腐蚀就会急剧发生。 铝合金焊接接头的耐蚀性一般均低于母材，原因是焊接接头的组织不均匀，使电极电位不均匀；焊缝出现杂质、晶粒粗大及脆性相（如FeAl3）的析出，降低耐蚀性。 焊接接头中出现的残余拉应力
7、对耐蚀性十分敏感，尤其易在热影响区诱发产生应力腐蚀。,改善焊接接头耐蚀性的措施： 使接头组织成分均匀，细化晶粒，减少热影响区，防止过热； 消除焊接应力，如用锤击可消除局部表面拉应力； 焊后热处理，使热影响区的电极电位均匀化，改善接头耐蚀性； 采取保护措施，如涂层等。,7、无色泽变化：铝及铝合金从固态变为液态时，无明显的颜色变化，不易判断母材金属的温度，故焊接时常因无法觉察而导致烧穿。,三、铝及铝合金的焊接工艺 1、由于铝合金的导热性好，膨胀系数大，熔点低，高温强度小，故其焊接较困难。 首先，焊接时热源应尽量集中，以保证熔合性好；其次，焊接前应使用垫板和夹具，防止焊接变形；第三，由于铝合金表面易
8、形成Al2O3薄膜，成为夹杂物。该薄膜还易吸附水分使焊缝产生气孔，故焊前应清理焊丝和母材表面的氧化物。,2、焊接方法的选用：铝合金的焊接常采用保护气体为氩的钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。焊接薄板时常采用钨极氩弧焊；焊接板厚在3mm以上的产品时常采用熔化极氩弧焊。 熔化极氩弧焊时，当其电流超过300-400A，由于其高速弧柱等离子流将破坏氩气保护，产生紊流而卷入空气，使焊缝及其附近产生氧化和氮化，焊缝表面出现“皱皮”现象。,铝及铝合金常用焊接方法的特点及适用范围,3、焊丝的选用： 、同质焊丝焊丝成分与母材相同。如：当母材为纯铝或Al-Zn-Mg合金时，可采用同质焊丝； 、异质焊丝焊丝成分与母材相差较
9、大，目的是提高抗裂性能。如：含Mg量较低的Al-Mg合金可用高Mg焊丝焊接；焊接Al-Cu-Mg合金时可用Al-5%Si焊丝进行焊接。,铝及铝合金焊丝,4、焊前准备及焊后清理 a、焊前准备先将坡口及两侧各约30mm内的油污、脏物用汽油、丙酮、醋酸已酯、松香水等清洗干净；对于只有轻微油污的，可用温度为6070的碱性混合液（WNaoH1%+WNa3PO45%+WNa2SiO33%水溶液）或温度为6070的WNaOH(3-5)%溶液清洗；当焊件表面比较干净时，可用热水或蒸汽吹洗。,氧化膜的清理有机械清理和化学清理两种： 机械清理采用机械切削、喷砂处理、细钢丝刷或锉刀等将焊口两侧30-40mm范围内的
10、氧化膜去除。当使用砂轮、砂纸或喷砂等方法处理时，容易使残留砂粒进入焊缝，故焊前应清除残留在焊口上的砂粒。选用钢丝刷时，钢丝直径约为0.1-0.15mm，否则会使划痕过深。,化学清理用酸或碱溶液溶解金属表面以消除氧化膜，即用（5-10）%体积的NaOH溶液浸泡坡口两侧各100mm范围，30-60秒后先用清水冲洗，然后在约15%的HNO3水溶液中浸泡2min，用温水冲洗后再用清水洗干净，最后进行干燥处理。 氧化膜清除以后，为防止新氧化膜生成，应在2小时内焊接。,b、垫板设置：垫板由铜或不锈钢板制成，用以控制焊缝根部形状和余高量。垫板表面开设有圆弧形或方形槽。,图7 垫板及槽口尺寸 a、方形槽；b、
11、圆弧形槽,c、预热：由于铝的导热性好，为防止焊缝区热量的大量流失，焊前应对焊件进行预热。薄、小铝件可不预热；厚度超过5-8mm的铝件焊前应预热至150-300；多层焊时，层间温度应不低于预热温度。,d、焊后清理：焊后残留在焊缝及表面的溶剂及焊渣，在空气、水分的参与下会强烈腐蚀铝件，故必须及时予以清理。可将焊件在10%的硝酸溶液中清洗，处理温度为15-20，时间为10-20min；若处理温度为60-65，时间则为5-15min 。浸洗后用冷水冲洗一次，然后用热空气吹干或在100干燥箱内烘干。,5、有关焊接工艺选择： a、接头形式：,图8 铝及铝合金手工钨极氩弧焊时的接头形式,b、焊接电源： 直流
12、反接法虽然具有阴极清理作用，但易使钨极端部过热熔化，污染焊缝金属；直流正接法虽然没有钨极过热，但也无阴极清理作用。因此，铝及铝合金焊接一般采用交流电源，以利用“阴极清理”作用来消除焊件表面的氧化膜。,c、操作技术： 钨极氩弧焊时，填充焊丝与工件间应保持一定的角度，如下图。焊丝倾向越小越好，一般约为10-25，倾角太大容易扰乱电弧及气流的稳定性。,图9 焊枪及填充焊丝位置,6、焊接实例： 右图为外径152.4mm、壁厚4.8mm的铝合金管，用手工钨极氩弧焊进行焊接。管线长且处于水平位置，需全位置焊接。接头为U形对接坡口，不留间隙。,图10 管线用大直径铝管的焊接,焊接时，对接头表面先用溶剂擦净，
13、用夹具对准接头后先进行定位焊。定位焊后，拆除夹具，接头分三层焊接，每层由三段组成。在引燃电弧时要再熔每段的起端和末端，以防止可能出现的缺陷。焊接时，横卧在管下仰焊1、4、5段；跪在地上焊接向上的其余各段。,其焊接工艺参数如下：,第二章 铜及铜合金的焊接,铜及铜合金的导电性好，导热性好，耐蚀性好，塑性好，冷加工性能好，其产量仅次于钢和铝，是目前应用十分广泛的一种有色金属。 纯铜的表面呈紫红色，亦称紫铜，其结构为面心立方，塑性极好，导电性能和导热性能也非常优良，但其强度很低，故向铜中常加入Zn、Sn、Al、Ni等合金元素，通过固溶强化提高其强度。,一、铜合金的分类及特性 1、黄铜由Cu、Zn二元合
14、金组成，表面呈淡黄色。当其中的Zn含量为30-40%时，将形成单一的相组织（Zn在Cu中的固溶体），如H62、H68。黄铜的强度、硬度比纯铜高得多，且塑性较好，能进行冷加工，常用于制作水管、油管和螺钉等。 2、白铜即Cu-Ni合金，Ni无限固溶于Cu，为单相组织，不能热处理。其耐蚀性好，冷热加工性能优良，可制作精密仪器及热交换器等。 3、青铜不以Zn或Ni为主要合金元素的铜合金称为青铜，如锡青铜、铝青铜等。青铜的耐蚀性优于纯铜和黄铜，且强度好、硬度高，常用于制造弹性及耐磨、耐蚀零件，如弹簧、阀门等。,二、铜及铜合金的焊接性 1、焊缝成型能力差：由于铜合金的导热率比普通碳钢大7-11倍，焊接时输
15、入的热量容易很快从母材中消失，散热严重，焊接区难以达到熔化温度，因此，易出现母材难于熔合现象；此外，由于铜在熔化温度时的表面张力比铁小1/3，流动性比钢大1倍左右，故其表面成型能力差，易出现熔化金属流失以及坡口焊不透的现象。,2、气孔倾向严重： 由于铜合金的导热率比普通碳钢大得多，其冷却凝固速度很快，焊缝中的气体要扩散逸出十分困难，故铜合金焊接时极易出现气孔，焊缝的气孔敏感性比低碳钢严重得多。,图11 纯铜焊缝中的气孔,扩散气孔由氢产生。高温时，氢在铜中的溶解度较大，但随温度的降低溶解度急剧下降。冷却时，过饱和固溶的氢将从铜中析出，产生气孔。,图12 氢在铜中的溶解度变化,反应性气孔由氧产生。
16、高温时，铜与氧反应生成Cu2O，并溶解在液态铜中。冷却时，Cu2O与溶解在铜中的氢反应： Cu2O + 2H = 2Cu + H2O 生成的水不溶于铜中而形成气孔残留在焊缝中。 为消除焊缝中的气孔，应从源头上控制氢和氧。同时，可通过加入一定量的脱氧元素（如Al、Ti、Si、Mn）加强熔池的脱氧，或用预热方法使熔池缓慢冷却，使气体有足够的时间充分逸出。,3、热裂纹倾向： 在焊缝及热影响区中，铜溶解了较多的O、S、Pb等杂质，并与之形成低熔点共晶，分布在晶界或枝晶间，导致热脆性。同时，由于铜的膨胀系数和收缩率较大，容易产生应力，增大热裂纹倾向。,图13 白铜焊缝中出现的热裂纹,4、接头性能下降： 铜合金在焊接过程中，由于晶粒粗化、杂质和合金元素的渗入、合金元素的氧化使焊接接头塑性下降，导电性下降，耐蚀性下降，导致接头性能下降。,三、铜合金的焊接工艺 1、焊接方法由于铜合金的导热性好，故宜选用功率大、能量密度高、热效率高、能量集中的焊接方法，如：焊条电弧焊、钨极
