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1、铝及铝合金焊接结构 葛亚琼太原科技大学 变形铝合金 铝及铝合金 工业纯铝 铸造铝合金 非时效强化铝合金 时效强化铝合金 Al MnLF21 Al MgLF2 Al Mg MnLF1 Al Cu MgLY12 Al Zn Mg CuLC4 Al Mg SiLD1 新型铝合金Al Li Al Si系合金ZL102 Al Cu系合金ZL201 Al Mg系合金ZL301 Al Zn系合金ZL401 一 铝及铝合金的分类 非热处理强化铝合金可通过加工硬化 固溶强化提高力学性能 特点是强度中等 塑性及耐蚀性好 又称防锈铝 焊接性良好 是焊接结构中应用最广的铝合金 热处理强化铝合金是通过固溶 淬火 时效等
2、工艺提高力学性能 经热处理后可显著提高抗拉强度 但焊接性较差 熔焊时产生焊接裂纹的倾向较大 焊接接头的力学性能下降 热处理强化铝合金包括硬铝 超硬铝 锻铝等 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MIG和TIG焊 5356 Al Mg Si 用于Al Mg系 Mg 5 合金的MIG和TIG焊 二 铝及铝合金的特点 活性强 在空气中容易形成Al2O3氧化膜Al2O3氧化膜密度3 95g cm3 比铝大 2 7g cm3 Al2O3氧化膜吸水性强导热系数大线膨胀系数大 固体金属的表面结构 在氧化膜之下是一层厚度约为
3、1 2 m厚的微晶组织 其下层是1 10 m的变形层 这一层则是由于金属在成形加工 如压力加工 时所形成的晶粒变形的结构 铝及其合金的化学活性很强 表面极易形成难熔氧化膜 Al2O3熔点约为2050 MgO熔点约为2500 加之铝及其合金导热性强 焊接时易造成不熔合现象 由于氧化膜密度与铝的密度接近 也易成为焊缝金属的夹杂物 氧化膜 特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜 可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因至一 三 铝及铝合金的焊接性分析 铝及其合金的线膨胀系数大 焊接时容易产生翘曲变形 这些都是焊接生产中颇感困难的问题 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
4、所以主要是氢气孔 气孔的分布特征临近焊缝表层的 皮下气孔 焊缝中部或根部的 密集气孔 熔合区边界的 氧化膜气孔 2 气孔的成因 1 焊接区内存在氢的来源 2 铝合金中氢的溶解度存在突变 3 导热系数大 熔池结晶速度快 4 密度低 氢的来源 弧柱气氛 焊接材料吸附水分 母材吸附水分 气泡不易上浮 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 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 冷却速度较小 在凝固点溶解度发生突变
5、 沿结晶的层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 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 所以 在同样的气氛条件下 MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大 铝合金的焊接 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
6、 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 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 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 有利于气孔逸出 或者采用Ar 0 5
7、 1 O2 Ar 2 5 CO2 增强保护气氛的氧化性 减少氢 铝合金的焊接 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 氧化膜中水分的影响在正常的焊接条件下 对于气氛中的水分已严格限制 这时 焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因 氧化膜不致密 吸水性强的铝合金 如Al Mg合金 比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向 MIG焊由于熔深大 坡口端部的氧化膜能迅速熔化 有利于氧化膜中水分的排除 氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多 TIG焊时 在熔透不足的情况下 母材坡口根部未除净的
8、氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因 这种氧化膜不仅提供了氢的来源 而且能使气泡聚集附着 刚形成熔池时 如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来 则氧化膜中水分因受热而分解出氢 并在氧化膜上萌生气泡 由于气泡是附着在残留氧化膜上 不易脱离浮出 且因气泡是在熔化早期形成的 有条件 长大 所以常造成集中的大气孔 这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重 坡口端部氧化膜引起的气孔 常沿着熔合区原坡口边缘分布 内壁呈氧化色 这是其重要特征 由于Al Mg合金比纯铝更易于形成疏松而吸水性强的厚氧化膜 所以Al Mg合金比纯铝更容易产生这种集中的氧化膜气孔 因此 焊接铝镁合金时 焊前须仔细清除坡口端部的
9、氧化膜 母材氧化膜引起的气孔 LF6 TIG 6 环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度 0 C以下 湿度不影响气孔的产生 0 C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 4 气孔的防止减少氢的来源a对焊接材料干燥处理 降低气氛中的水分使用的焊接材料 包括保护气体 焊丝 焊条等 要严格限制含水量 使用前需干燥处理 一般认为 氩气中的含水量小于0 08 时不易形成气孔 氩气的管路也要保持干燥 b焊前清除焊丝及母材表面的氧化膜和污染物 焊前处理十分重要 焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除 采用化学方法或机械方法均可 若两者并用效果更好 例如对铝合金母材化学清洗后 焊前
10、可用细钢丝刷再全面刷一遍近缝区 并用刮刀刮削坡口端面和焊缝两侧20mm范围的母材 将坡口下端 根部 刮去一个倒角 成为倒V形小坡口 铲根 防止根部氧化膜引起的气孔 装配时要防止再度弄脏 机械清理后表面氧化速度很快 应及时进行焊接 图清根对焊缝气孔的影响 Al 4Mg 1Mn MIG 1 未清根2 清根 2 控制焊接工艺焊接参数的影响可归结为对熔池在高温存在时间的影响 也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响 熔池高温存在时间增长 有利于氢的逸出 但也有利于氢的溶入 反之 熔池高温存在时间减少 可减少氢的溶入 但也不利于氢的逸出 焊接参数不当时 如造成氢的溶入量多而又不利于逸出时 气孔倾向势必增大
11、对于TIG焊参数的选择 一方面采用小热输入以减少熔池存在时间 从而减少气氛中氢的溶入 因而须适当提高焊接速度 同时又要保证根部熔合 以利根部氧化膜中的气泡浮出 又须适当增大焊接电流 图焊接工艺参数对气孔倾向的影响 5A06 TIG 在MIG焊条件下 焊丝氧化膜的影响更明显 减少熔池存在时间 难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入 因此希望增大熔池时间以利气泡逸出 图5MIG焊接时焊缝气孔倾向与焊接工艺参数的关系 板Al 2 5 Mg 焊丝Al 3 5 Mg 图5板厚及接头形式对焊缝气体含量的影响 MIG 1 对接接头2 T型接头 因此 在MIG焊条件下 接头冷却条件对焊缝气体含量有较明
12、显的影响 必要时可采取预热来降低接头冷却速度 以利气体逸出 这对减少焊缝气孔倾向有一定好处 改变弧柱气氛的性质 对焊缝气孔倾向也有一些影响 例如 在氩弧焊时 Ar中加入少量CO2或O2等氧化性气体 使氢发生氧化而减小氢分压 能减少气孔的生成倾向 但是CO2或O2的数量要适当控制 数量少时无效果 过多时又会使焊缝表面氧化严重而发黑 热裂纹铝及其合金焊接时 常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹 铝合金是典型的二元或多元共晶合金 在焊接加热和冷却过程很迅速 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
13、生开裂 形成焊缝中心结晶裂纹 铝合金接头中的结晶裂纹 铝合金接头热影响区中的液化裂纹 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 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 1 热裂纹的形成原因 1 拘束度的影响 2 液固相距离宽 生成柱状晶 柱状晶之间产生成分偏析 导致容易产生裂纹 3 材料因素的影响 a
14、 铝合金为共晶合金 裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系 几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度 xm Al Mg xm 2 Mg Al Zn xm 10 12 Zn Al Si xm 0 72 Si Al Cu xm 2 Cu 如果存在其他元素或杂质时 可能出现三元共晶 其熔点比二元更低 结晶温度区间更大 更容易产生热裂纹 铝合金的焊接 b 线膨胀系数大 是钢的1倍 在拘束条件下焊接 容易产生较大的焊接应力 增大裂纹倾向 c 铝合金焊接过程中无相变 柱状晶粗大 容易偏析 2防止焊接热裂纹的途径母材的合金系对焊接热裂纹有重要的影响 对于焊缝金属的凝固裂纹 主要是通过合理确定焊缝的合金成分 并配
15、合适当的焊接工艺来进行控制 1 合金系的影响在铝中加入Cu Mn Si Mg Zn等合金元素可获得不同性能的合金 各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响如图所示 图5Al Mg合金焊缝凝固裂纹与含Mg量的关系 T形角接接头 1 连续焊道2 断续焊道 调整焊缝合金系的着眼点 从抗裂角度考虑 在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间 由于铝合金为共晶型合金 少量易熔共晶会增大凝固裂纹倾向 所以 一般都是使主要合金元素含量超过xm 以便能产生 愈合 作用 对于裂纹倾向大的硬铝之类高强铝合金 在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性 往往成效不大 生产中不得不采用含wSi 5 的Al Si合金焊丝 4A01
16、来解决抗裂问题 因为可以形成较多的易熔共晶 流动性好 具有很好的 愈合 作用 有很高的抗裂性能 但强度和塑性不理想 不能达到母材的水平 Al Cu系硬铝合金2A16是为了改善焊接性而设计的硬铝合金 Mg可降低Al Cu合金中Cu的溶解度 促使增大脆性温度区间 为此 应取消Al Cu Mg 硬铝 中的Mg 添加少量Mn wMn 1 得到Al Cu Mn合金 2A16 如图5 9所示 wCu 6 7 时 正好处在裂纹倾向不大的区域 由于Mn能提高再结晶温度而改善热强性 所以Al Cu Mn合金也可作为耐热铝合金应用 为了细化晶粒 加入wTi 0 1 0 2 是有效的 wFe 0 3 时 降低强度和塑性 wSi 0 2 时 增大裂纹倾向 特别是Si Mg同时存在时 裂纹倾向更为严重 因Cu与Mg不能共存 Mg含量越少越好 一般限制wMg 0 05 图5 9焊丝成分对不同母材焊缝热裂倾向的影响1 3A212 Al 2 5 Mg3 Al 3 5 Mg4 Al 5 2 Mg 大部分高强铝合金焊丝中几乎都有Ti Zr V B等微量元素 一般是作为变质剂加入的 不仅可以细化晶粒而且可以改善塑性 韧性
