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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 Engi
2、neering 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、6x
3、xx、7xxx和8xxx系列合金中。 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
4、MIG和TIG焊。 5356（ Al-Mg-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
5、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
6、接 上海交通大学焊接工程研究所 Welding Engineering Institute 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
7、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
8、 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
9、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 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
10、研究所 Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University 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
11、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，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
12、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 Engineering 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
13、（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 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
14、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
15、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 Shanghai Jiao Tong University （2）
