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1、铝及其合金的焊接 楼松年 铝及其合金的类型 l工业纯铝： 含铝99，含有少量Fe、Si杂质，具有良好的耐蚀性。具有面心立方点 阵结构，没有同素异构转变，塑性好，无低温脆性转变，强度低。 l铝合金 非时效强化铝合金（防锈铝）：焊接结构的主要铝合金，固溶强化， AlMn（LF21），AlMg（LF3，LF6，5052，5083）合金具有良好 的耐蚀性。 AlMn合金：含Mn量为1.01.6%,Mn含量过多，将形成脆性化合物 MnAl6，若存在较多杂质Fe，可形成（MnFe）Al6分布在晶界上，降低 塑性，少许Si可提高塑性。 AlMg合金：强度随含Mg量的增加而增大，Mg比Mn的固溶强化作用大 ，
2、一般Mg含量不超过7。AlMg合金中加入少量Mn，能降低晶粒粗 化倾向并改善耐蚀性，Ti细化晶粒，含Si量过多形成脆性Mg2Si。 铝及其合金的类型 时效强化铝合金：硬铝和超硬铝 硬铝：AlCuMg（LY11，LY12）如LY12强化相为相（CuAl2） 及S相（Al2CuMg）T相（CuAl5Mg5）和相。Cu量少， 相减少， Mg8以改善焊缝抗裂性。 硬铝焊接采用焊丝Si5%的AlSi焊丝解决抗裂问题。 AlZnMg合金专用X5180具有相当高的抗裂性； “4145”焊丝抗裂性比“4043”好，因为“4145”易熔共晶数量 很多具有很好的愈合作用。 AlZnMgCu系合金(7075,LC4
3、)含Cu量越高，裂纹 倾向越大，提高Mg改善抗裂性，焊接时焊丝含Mg量高， 不能含Cu。 铝及其合金的焊接性（焊接热裂纹） 防止焊接热裂纹的途径 变质剂：Ti、Zr、V、B等微量元素作为变质剂可细化晶 粒，改善塑性、韧性，提高抗裂性。因为他们能同铝形 成难熔金属化合物作为非自发凝固的晶核，细化晶粒。 焊接工艺参数：热量集中的焊接方法，可防止形成粗大 的柱状晶，改善抗裂性；小的焊接电流可减少熔池过热 ，有利于改善抗裂性；焊接速度提高，增大应变速度， 增大热裂倾向。 铝及其合金的焊接性（焊接接头“等强性”） 非时效强化铝合金： a.在退火状态下焊接可以认为接头同母材等 强(焊缝金属为铸造组织，其强
4、度略低于母 材)； b.在冷作硬化状态下焊接时，焊接热影响区 温度大于再结晶温度区域，会发生再结晶， 加工硬化现象开始消失，发生软化，HAZ温 度越高的区域，软化现象越严重。这种软化 现象是无法消除的，加工硬化越严重，焊接 接头的软化现象越明显；焊接热输入越大， 软化区的宽度越大。 通常情况下，采用熔化焊焊接非时效强化 铝合金的接头强度只能达到母材的80左右 。 铝及其合金的焊接性（焊接接头“等强性”） 时效强化铝合金： 时效：铝合金是通过时效处理来提高强度，改变性能的。 以Al-Cu合金为例来说明，将Al-Cu合金加热到相区，经保温得到 单相固溶体，水冷，室温就得到了过饱和的固溶体(SS)，
5、过炮和的固 溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相、过渡到稳定状态的趋 势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效 地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时 效或时效硬化。 SS GP（Cu、Al偏聚） 相（非共格的CuAl2） 相（半共 格的CuAl2） 相（共格的CuAl2） 在时效处理时，形成相时强度最高， 相次之， 相强度大大下降 （过时效）。 在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为 人工时效。 回归：自然时效后的铝合金，在230250短时间（几秒至几分种）加 热后，快冷至室温时，可以重新软化。如再在室温下放置，则又能发 生正
6、常的自然时效。这种现象称为回归。 脱溶：在时效铝合金加热到高温成为单相固溶体，快冷到室温成为单相 过饱和固溶体，重新软化，这种现象成为脱溶。 铝及其合金的焊接性（焊接接头“等强性”） l Al-Cu合金采用人工时效处理，在焊接过程中焊接热影 响区大于200250区会发生过时效，形成相，使接头强 度下降；大于450 HAZ区焊后可形成单相固溶体，该区 域只有固溶强化，无第二相粒子强化，该区域软化更严重 。人工时效的Al-Cu合金焊后接头强度显著低于母材强度， 为了保证等强性，只能焊后采用重新时效处理。 l Al-Zn-Mg合金自然时效和人工时效两种状态，其强化 相为相(非共格的MgZn2)， 相
7、(半共格的MgZn2)，在焊 接过程中，HAZ大于200250 区域分别会产生过时效 、脱溶，使该区域软化。在随后室温下放置，通过自然时 效强度得到提高，此时接头强度可达到母材强度额9095 。 铝及其合金的焊接性（焊接接头“等强性”） 铝合金焊接时的这种不等强的表现，说明焊接接头发生了某种程度的 软化或存在某一性能上的薄弱环节。薄弱环节可存在于焊缝、熔合 区或热影响区三个区域。 焊缝区域： 铸造组织，强度与母材差别不大（焊缝强度为母材8085），塑性 不如母材； 如果焊缝成分不同于母材，焊缝性能主要决定于所选用的焊接材料； 为保证焊缝强度和塑性，固溶强化型合金系统要优于共晶型合金系统 ； 焊
8、接工艺来讲，一般焊接线能量越大，焊缝性能下降的趋势越大。 熔合区： 非时效强化铝合金是晶粒粗化而降低塑性； 时效强化铝合金除了晶粒粗化，还可能因晶界液化产生裂纹。 熔合区的变化主要是恶化塑性。 铝及其合金的焊接性（焊接接头“等强性”） 焊接热影响区：强化效果损失，即“软化” a.非时效强化铝合金：经冷作硬化铝合金，热影响 区峰值温度超过再结晶温度(200300)的区域就 产生明显的软化，软化区域越宽，接头强度下降越 明显，接头的软化主要取决于加热的峰值温度。焊 前冷作硬化程度越高，焊后软化越明显。冷作硬化 薄板铝合金的强化效果，焊后几乎可能全部丧失。 b.时效强化铝合金：HAZ“过时效”软化问
9、题。其严 重程度取决于合金第二相的性质，也与焊接热循环 有一定关系。最根本的是第二相对时效反应的敏感 性，第二相易于脱溶析出并易于聚集长大，就越容 易发生“过时效”。 例如：Al-Cu-Mg合金比Al-Zn-Mg合金的第二相易 于脱溶析出。 Al-Cu-Mg合金焊后自然时效软化程 度未改善； Al-Zn-Mg合金焊后自然时效软化现象 基本消除。 为了防止HAZ软化，采用小的焊接线能量。如焊 后可进行热处理，焊前以固溶或退火状态焊接较好 。 铝及其合金的焊接性（焊接接头的耐蚀性） 焊接接头耐蚀性下降的原因： 焊接接头的耐蚀性一般低于母材，其原因是对成 分为X1的合金在平衡冷却时，温度达到1点位置
10、 从液态金属中析出相，金属继续冷却，固相不 断析出，析出的固相成分是沿着固相线AD变化的 ，液相成份是以AE变化的，当温度达到2点位置 ，液相全部转换为固相，金属继续冷却到5点位置 ，从固相中析出相。在焊接快速加热和冷却过 程中，两元相图向左下角移动，在3点位置开始析 出相，金属继续冷却，析出的固相成分和液相 成份分别沿虚线的固相线和液相线变化，温度达 到4点位置，从液相中析出+ 固溶体。由此可 见，平衡冷却和不平衡冷却的微观组织是不同的 ，不同的相具有不同的电极电位，电极电位的差 异会导致电极电位低的相发生选择性腐蚀和微电 池腐蚀。 铝及其合金的焊接性（焊接接头的耐蚀性） 焊缝金属的纯度和致
11、密性差，晶粒粗大和焊缝金属在焊接快速加热 和冷却过程中不但存在不同相的组织差异（理由同上），而且在柱 状晶的交界处杂质多，脆性等析出相多，且还可能存在疏松、夹杂 等缺陷，所以耐蚀性下降，经常出现晶界腐蚀。 焊接时，会产生温差应力、组织应力这些应力将显著影响接头的抗 应力腐蚀能力。 改善耐蚀性措施： 改善接头组织成分的不均匀性：细化晶粒，防止过热，焊后热处理 （消除应力处理和扩散均匀化处理）； 机械锤击或喷丸处理降低表面的拉伸应力； 采取保护措施：阳极氧化处理或涂层使得焊接接头表面存在一层致 密的氧化膜，达到钝化的效果，避免腐蚀介质与Al或合金直接接触 。 铝及其合金的焊接工艺特点 焊接工艺一般
12、原则： 铝及其合金导热性强，膨胀系数大，采用能量集中的热源，保证熔合良 好，采用夹具防止焊接变形。 铝及其合金表面易形成氧化膜，妨碍焊接且易形成夹杂物，还吸附大量 水分形成气孔，焊前需清理氧化膜。焊接时需保护。 焊接方法的选择：导热性强，膨胀系数大，采用能量集中的热源如TIG、 MIG、脉冲焊、搅拌摩擦焊等。 极性选择： lTIG：直流反接 “阴极清理作用” 阴极斑点有自动寻找氧化膜的性质 阴极斑点电流密度高，产生很大的阴极热，正离子在电场作用下撞击 阴极斑点，致使阴极斑点氧化膜破碎 电弧又自动寻找新的氧化膜表面，形成新的阴极斑点， 阴极斑点的游 动，正离子轰击，有效去除阴极表面氧化膜 电弧不
13、稳，钨棒易烧损，一般采用交流氩弧焊，电流的极性发生周期性 的交替变化，相当于半个周期直流正接和半个周期直流反接。工件为 负半周时，利用阴极清理作用，能有效清除熔池及工件表面上的氧化 膜；当工件为正周时，钨棒接负，相对冷却，防止过热烧损。 铝及其合金的焊接工艺特点 lMIG：采用直流反接，电流大于“临界电流”可获得稳定的喷射过渡 ；采用脉冲焊在平均电流小于临界电流时实现细滴脉冲喷射过渡， 在较大电流时实现熔滴的诱导短路过渡，可控制母材热输入及焊缝 成形。 铝及其合金的焊接工艺特点 焊接材料的选择(DIN1732-1,JIS规定P14、15)简单归纳为 ： 母材为纯铝、LF21/LF6/LY16和Al-Zn-Mg合金可采用同质 焊丝。 Al-Mn：4043或同质焊丝 Al-Mg ：5183、5356、5083或同质焊丝 保护气体：Ar、Ar+O2、Ar+CO2、He、 Ar+ He 焊前准备及焊后清理： 焊前清理：氧化膜、油污等 预热：厚度58mm可预热150300，多层焊控制层 间温度不低于预热温度。 焊后清理：清理溶剂和焊渣
