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1、 铝及铝合金焊接性能 1 基体金属焊接材料熔化极惰性气体保护电弧焊铝及铝合金焊接打磨工艺铝及铝合金常见焊接缺陷及控制 2 一 基体金属 母材 纯铝铝及铝合金的分类铝合金牌号及状态 3 概述 被焊接的金属或合金统称为基体金属 或称为母材 做为基体金属 铝及铝合金的分类 牌号及状态代号与钢及其它金属显著不同 特别是铝及铝合金的状态代号非常复杂 又非常重要 他们表示了铝及铝合金焊前变形强化的不同程度或不同热处理强化的不同程度 不了解这些状态代号的具体规定就无法了解母材焊前的工艺经历 力学性能 组织特征及焊接特性 地壳中含量7 以上 在全部化学元素中含量占第三位 仅次于氧和硅 在全部金属元素中占第一位
2、 4 纯铝的特性铝 原子序数为13 原子量为26 98 面心立方结构 熔点660 密度2 702 晶格常数4 05 原子直径2 86 标准电极电位 1 67V高的耐大气腐蚀性 铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜 厚度约为50 100 可防止铝继续氧化 即使在熔融状态 仍然能维持氧化膜的保护作用 因此 铝在大气环境中是抗蚀的 Al2O3膜具有酸 碱两重性 因此 纯铝除在氧化性的浓硝酸 80 98 中有极高的稳定性外 优于Ni Cr系不锈钢 在硫酸 盐酸 碱 盐和海水中均不稳定 良好的低温性能 无低温脆性 在摄氏零度以下随着温度的降低 其强度和塑性提高 高的导电性 位于银 铜 金之后
3、高的导热性 热交换器 无磁性 冲击不产生火花 用于制作如仪表材料 电气设备的屏蔽材料 易燃 易爆物的生产器材等 低强度 高塑性 强度为80MPa 130MPa 延伸率30 50 铝箔 5 纯铝的分类及其编号 工业纯铝 99 0 99 7 牌号有L01 L02 L03 L04 编号越大 表示纯度越高 电性能优异 主要用于电力容器制作及科学研究等 牌号有L0 L00 加工塑性好 主要用于铝箔及冶炼铝合金原料 牌号有L1 L2 L3 L4 编号越大 纯度越低 塑性好 广泛用于制作电线 电缆 器皿等 高纯铝 99 93 99 99 工业高纯铝 99 85 99 9 6 纯铝能满足需求吗 显然不能 铝的
4、合金化 怎么办 7 纯铝中加入适量其它元素如Si Cu Mg Zn等即为铝合金 特点 较高的强度 保持良好的加工性能 8 铝合金广泛应用于各种行业 9 铝合金的分类 10 分类 形变铝合金 铸造铝合金 防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金 锻铝合金 铝硅铸造合金 铝铜铸造合金 铝镁铸造合金 11 形变铝合金 一 防锈铝合金 主加元素为Mn或Mg 形成Al Mg系或Al Mn系Mg 是固溶强化和降低密度 对耐蚀性能的影响较小 Mn 提高合金的抗蚀能力和固溶强化 该类合金不可以热处理强化 强度较低 切削性能不良 具有较强的抗腐蚀能力 易加工成形易焊接 适用于制作管道 容器等抗蚀件 12 形变铝合金 A
5、l Cu合金中再加合金元素Mg或Mn形成的Al Cu Mg和Al Cu Mn系铝合金 Al Cu Mg系硬铝称为普通硬铝Al Cu Mn系硬铝称为耐热硬铝硬铝存在两点不足 一是抗蚀性差 由于合金中含有大量的铜 而含铜固溶体和化合物的电极电位均高于晶界 因此易产生晶界腐蚀 使用过程中需采取包铝阴极保护 喷漆等防腐措施 二是硬铝的固溶处理温度范围窄 硬铝合金 13 形变铝合金 超硬铝合金 为Al Zn Mg Cu系合金 并含有少量的铬和锰 形变铝合金中力学性能最高 抗拉强度达600 700MPa 超硬铝的热处理强化效果 固溶 时效 最显著 热塑性好 易加工成形 但缺口敏感性大 疲劳极限低 抗蚀性差
6、 高温下软化快 14 形变铝合金 锻造铝合金 锻铝有Al Mg Si Al Cu Mg Si Al Cu Mg Fe Ni等合金系 该类合金的合金元素种类多而含量少 具有良好的热塑性和锻造性 并可热处理强化 Al Mg Si系合金 宜于制造形状复杂的型材和锻件 如飞机和发动机中工艺性和耐蚀性要求较高的零件 Al Cu Mg Si系合金 用于制造形状复杂 承受中等载荷的各类大型锻件和模锻件 但该合金有应力腐蚀和晶界腐蚀的倾向 不宜作薄壁零件 Al Cu Mg Fe Ni系合金 因含有较多的Fe Ni 因而具有较高的耐蚀性能 适宜于制造发动机的活塞 汽轮机叶片等耐高温和耐腐蚀的零件 15 铸造铝合
7、金 纯铝中加入适量其它元素如Si Cu Mg Zn等即为铝合金 16 铝及铝合金的牌号及状态 我国铝及铝合金牌号表示方法变形铝及铝合金状态代号典型铝及铝合金的主要成分性能及用途变形铝及铝合金国际牌号及状态号简介高速列车焊接结构常用铝合金 17 我国铝及铝合金牌号表示方法 铝及铝合金的分类 合金系列及表示方法 18 1 纯铝 纯铝按其纯度分为纯铝 精纯铝和高纯铝三类 纯铝铝的含量 99 0 精铝的纯度为 99 95 高纯铝纯度不小于99 999 2 铝合金 纯铝加入不同合金 就成为铝合金 加入合金越多 强度越高 而且多作成板材 管材 型材及中空型材 作成铝合金焊接结构 根据铝合金的加工工艺特性
8、可将它们分作形变铝合金和铸造铝合金两类 形变铝合金塑性好 适宜于压力加工 我国原铝合金标准以大写字母表示合金 可分为纯铝 L 防锈铝 LF 硬铝 LY 超硬铝 LC 和锻铝 LD 特殊铝 LT 后面数字表示合金含量差异 19 3 我国四位字符体系牌号表示方法 1 系列为 纯铝 铝含量不小于99 00 2 系列为 以铜为主要合金元素的铝合金3 系列为 以锰为主要合金元素的铝合金4 系列为 以硅为主要合金元素的铝合金5 系列为 以镁为主要合金元素的铝合金6 系列为 以镁为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金7 系列为 以锌为主要合金元素的铝合金8 系列为 以其他元素为主要合金元素的铝合金9
9、 系列为 备用合金组牌号的第二位字母表示原始纯铝或铝合金的改型情况牌号的最后两位数字以标识同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度 20 2变形铝及铝合金状态代号 铝及铝合金的分类 表示方法及其后处理状态代号 21 3典型铝及铝合金的主要成分性能及用途 22 表中1000 3000和5000系列为非热处理强化铝合金 可冷加工强化 6000 2000及7000系列为热处理强化铝合金 可采用不同热处理改变其性能 热处理强化铝合金屈服极限达到低碳钢水平 有的甚至可达到低合金钢水平 而弹性模量只有钢的1 3 如按强度设计 重量将减少2 3 但刚度也要减少2 3 因此必需从结构型式提高惯性矩来弥补 因此铝加工
10、厂会按不同需要制造成各种空心型材和有各种加筋的挤压型材 因此 作为焊接结构的挤压型材还要求有好的挤压成型性能 最后以热处理强化或冷加工强化状态供货 供用户选用 由表看出 各成分系列铝及铝合金的性能及用途有较大差异 同系列但成分不同 其性能及用途有差异 同系列同成分的铝及铝合金由于加工和热处理不同 性能也有较大差异 23 4变形铝及铝合金国际牌号及状态号简介 24 25 上表只列出了与我国常用铝合金与国际标准组织ISO标准及欧洲EN标准和几个主要国家相近成分的牌号作对比由表看出 ISO标准是用铝合金所含化学元素来表示 元素后标明其标称含量由其牌号就可知道合金系列及主要成分 EN标准用字母和数字表
11、示 头个字母为标准EN 空格后AW中A为铝 紧接字母W为加工产品 C为铸件 M为中间合金B为金属锭 后数字为代表合金系列及主要成分的合金代号 同时列出用字母和数字表示的 合金系列及主要成分 美国标准AA原为美国铝业协会标准 后纳入美国国家标准 后也成为国际通用标准 不少国家的标准都参考这一标准 标准AA为纯数字表示 第一位数字表示系列 第二位数字0为原始合金 1 9为改型合金 表示成分组成和杂质限制 26 二 焊接材料 1 填充金属的选用选用焊丝时 对焊丝性能的要求是多方面的 包括 焊接时生成焊缝裂纹的倾向低 焊接时生成焊缝气孔的倾向低 焊缝及焊接接头的力学性能 强度 延性 好 焊缝及焊接接头
12、在使用环境条件下的耐蚀性能好 焊缝金属表面颜色与母材表面颜色能相互匹配 但是 不是每种焊丝均能同时满足上述各项要求 焊丝在某些方面的性能优势互相矛盾 例如 强度与延性难以兼得 抗裂与颜色匹配难以兼顾 例如 SAlSi 1焊丝的也太流动性好 抗热裂能力强 但延性不足 特别是当用于焊接Al Mg合金 Al Zn Mg合金时 焊缝脆性较大 此外由于含硅量高 其焊缝表面颜色发乌 如果焊件焊后需施行阳极化 阳极化后其表面将进一步变黑 与母材颜色难以匹配 27 2 基体金属与填充金属的配合焊接纯铝时 可采用同型号纯铝焊丝 焊接铝 锰合金时 可采用同型号铝 锰合金焊丝或纯铝SAl 1焊丝 焊接铝 镁合金时
13、如果镁含量 3 可采用同系列同型号焊丝 如果镁含量 3 如5050及5A02合金 由于其热裂纹倾向大 应采用Mg含量高的SAlMg5或ER5356焊丝 焊接铝 镁 硅合金时 由于生成焊缝裂纹的倾向大 一般应采用SAlSi 1焊丝 如果如果焊缝与母材颜色不匹配 在结构拘束度不大的情况下 也可改用铝 镁合金焊丝 焊接铝 铜 镁 铝 铜 镁 硅合金时 如硬铝合金2Al2 2Al4 由于焊接时热烈倾向大 易生成焊缝金属结晶裂纹和近缝区母材液化裂纹 一般应采用抗热烈性能好的BJ 308A焊丝 焊接铝 铜 锰合金时 如2B16 2219合金 由于其焊接性较好 可采用化学成分与母材基本相同的SAlCu ER
14、2319焊丝 焊接铝 锌 镁合金时 由于焊接时有产生焊接裂纹的倾向 可采用与母材成分相同的铝 锌 镁焊丝 高镁的铝 镁合金焊丝或高镁低锌的X5180焊丝 Al 2Zn 4Mg 28 三 铝及铝合金的钨极氩弧焊 29 目录 1 1铝及铝合金的钨极氩弧焊1 2焊接过程原理1 3焊接工艺 30 摘要 铝及铝合金具有良好的耐蚀性 较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好的力学性能等特点 在航空航天 汽车 电工 化工 交通运输 国防等工业部门被广泛的应用 掌握铝及铝合金的焊接性特点 焊接操作技术 接头质量和性能 缺陷的形成及防止措施等 对正确确定铝及铝合金的焊接工艺 获得良好的接头性能和扩大铝合金的应
15、用范围具有十分重要的意义 31 3 1铝及铝合金的钨极氩弧焊 钨极惰性气体保护电弧焊 是利用钨极与工件之间形成电弧产生的大量热量熔化待焊处 外加填充焊丝获得牢固的焊接接头 TIG焊工艺最适于焊接厚度小于3mm的薄板 工件变形明显小于气焊和手弧焊 32 3 1铝及铝合金的钨极氩弧焊 钨极氩弧焊的特点1 焊接时无需使用焊条或焊剂 焊接后无需清除残余熔剂或焊渣 因为氩气可良好的保护电弧 熔池及母材热影响区而不受氧化 氩气本身也不与铝发生物理化学反应 2 钨极电弧稳定 即使在焊接电流小于10A的情况下 电弧仍可保持稳定 特别适合于焊接铝合金薄板 3 热源和填充焊丝可分别控制 热输入易于调整4 由于填充
16、丝不通过电流 无熔滴过度 故电弧安静 噪音小 无金属飞溅5 钨极载流能力较低 生产效率不高6 氩气及氦气价格较高 不利于降低生产成本7 钨极氩弧焊受作业现场气流影响较大 不适于室外作业 33 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊示意图 1 喷嘴2 钨极3 电弧4 焊缝5 焊件6 熔池7 填充焊丝8 惰性气体 34 3 2焊接过程原理 1 2 1采用直流电源1 直流正接当采用直流正接法焊接铝及铝合金时 工件与电源的正极相连而形成阳极 钨极与电源的负极相连形成阴极 此时 钨极的电子发射能力强 可发出大量的电子流 并赋予电子流能量 由于这部分能量 钨极得以自身冷却 在电厂的驱使下 钨极发射出来的高能电子流高速冲击阳极 焊件 将全部能量给焊件 使其深熔 形成窄而深的焊缝 但因电子质量很小 电子流对工件的冲击尚不足以破除工件表面的氧化膜 于此同时 正离子流奔向阴极 钨极 虽使其发热 但因此时的钨极具有自身冷却功能 钨极不至于过热烧损 35 36 3 2焊接过程原理 2 直流反接钨极与电源的正极相连而形成阳极 焊件与电源的负极相连而形成阴极 此时 由于焊件表面上存在氧化膜 其电子逸出功较小 易发射电子 因此阳极
