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1、钢与有色金属的焊接1,雷永平,主要内容,概论 钢与铝及其合计的焊接,概论 铝、铜、镍、钛等有色金属具有良好的耐蚀性，较高的比强度以及在低温下能保持良好的力学性能等特点。 有色钢复合制品：提高复合性能，导热导电，耐蚀，提高焊接产品的使用寿命，节约材料。 应用：航空、汽车、化工、国防,1、铝及合金的特点,铝及合金分类、成分和性能 特点： 纯铝（Al)熔点：665，密度，2.7g/cm3,合金熔点约566 ，比强度高，热容大，熔化潜热高，；致密氧化膜，耐蚀性好，导电导热性好，纯铝导热性是低碳钢的6陪，线膨胀系数是低碳钢的2陪。塑性好，易加工成型和铸造各类零件。 工业纯铝 变形铝合金 铸造铝合金,钢与
2、铝及其合金的焊接,1、铝及合金的特点,铝及合金分类、成分和性能 特点： 纯铝（Al)熔点：665，密度，2.7g/cm3,合金熔点约566 ，比强度高，热容大，熔化潜热高，；致密氧化膜，耐蚀性好，导电导热性好，纯铝导热性是低碳钢的6陪，线膨胀系数是低碳钢的2陪。塑性好，易加工成型和铸造各类零件。 工业纯铝 变形铝合金 铸造铝合金,钢与铝及其合金的焊接,铝及合金分类、成分和性能,纯铝和铝合金牌号命命,GB/T3190-1996和GB/164741996 4位字符牌号 1或1A 纯铝 2 AlCu 3 AlMn 4 AlSi 5 AlMg 6 AlMgSi 7 AlZn 8 Al其他 9 Al备用
3、,钢与铝及其合金的焊接,近年来，环保问题越来越受到世界各国的重视,汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量,因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一。 在国外工业生产中，采用“钢铝”双金属焊接结构的产品越来越多。由于铝及铝合金的密度小、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性，为了充分发挥材料的固有性能和节省材料，将钢与铝及铝合金焊接成为异种金属结构，具有独特的优势和良好的经济效益,钢与铝及其合金的焊接,2、钢与铝及其合金的焊接特性,钢与铝及其合金的焊接,2、钢与铝及其合金的焊接特性,在汽车工业生产中,采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首
4、选方案, 这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。 从21世纪初开始,国内外许多研究机构和汽车生产厂家便一直在寻找一种有效的焊接方法来减轻汽车的重量。美国成立了“新一代汽车合作计划” 。 1994年以来, 美国政府已为此投入了15亿美元的研究开发资金,美国3大汽车公司仅在1999年就投入了开发经费共达98亿美元, 减轻整车重量是其中的一个核心目的。布什新政府在2002年则推出了一个自由车项目,该项目的长期目标是高效、价廉、无污染,汽车轻量化也是重要研究内容之一。,钢与铝及其合金的焊接,2、钢与铝及其合金的焊接特性,汽车轻量化的要求必然涉及到铝钢之间的焊接,而铝钢之间的焊接一直是焊接领域的热点问题
5、和难点问题, 铝钢焊接的主要问题： 两者之间的的固溶度较低、热物理性能差异较大, 并且两者极易反应生成脆性的金属间化合物, 这种脆性的金属间化合物极大地降低了焊接接头的力学性能,钢与铝及其合金的焊接,2、钢与铝及其合金的焊接特性,铁与铝既可以形成固溶体、金属间化合物，又可以形成共晶体。铁在固态铝中的溶解度极小，室温下铁几乎不溶于铝，所以含微量铁的铝合金在冷却过程中会产生金属间化合物FeAl3。随着含铁量的增加，相继出现Fe2Al、Fe2Al7、Fe2Al5、Fe2Al2和FeAl等，其中Fe2Al5的脆性最大。由于在铝合金中的铁总是以金属间化合物形式存在，其存在会影响铝的力学性能和焊接性能。,
6、铝中加入铁会提高强度和硬度，降低塑性，增大脆性，对焊接性影响严重。并且铝在铁中的溶解度比铁在铝中的溶解度在很多倍，含大量铝的钢，具有某些良好的性能（如抗氧化性），但含铝量超过5以上时具有较大的脆性，严重地影响焊接性。 熔点相差大 _ Al先熔，钢处于固态 线膨胀系数相差大 _ 热应力，热裂纹 Al氧化 _ Al2O3， 焊缝夹渣 助焊剂使用,钢与铝及其合金的焊接,钢与铝及铝合金的物理性能对比,钢与铝及其合金的焊接,钢与铝及其合金的焊接,（1 ） 熔焊特点 钢与铝及铝合金熔焊时，一般采用氩弧焊、电子束焊以及气焊等焊接方法。要想获得良好的接头，必须保证在接头上不产生金属间化合物。熔焊时，必须在钢表
7、面镀一层过渡金属，此过渡层金属与铝要有很好的结合性，才能形成良好的焊接接头。 为解决钢与铝熔焊时的困难，常采用的工艺措施有以下几种。 在钢表面镀上与铝相匹配的第三种金属，如锌、银等，厚度约3040m为过渡层，钢侧为钎焊，铝侧为熔焊。 对接焊时，使用K形坡口，坡口开在钢材侧。焊接热源偏在铝材一侧，以使两侧受热情况均衡，防止镀层金属蒸发。 使用气体保护进行焊接，如采用氩弧焊。,（2） 压焊特点 钢与铝采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等压焊方法进行焊接，也可以得到良好的接头，但这些焊接方法有一个共同的缺点，就是焊件的形状受到一定的限制。 压焊有利于钢与铝及铝合金的焊接，焊前必须彻底清理连接表面，
8、消除氧化物及薄膜，同时要保证接头处变形量在70%80%以上。为了得到更好的焊接接头，也可在钢母材金属表面先镀一层Zn、Cu或Ag。 碳钢与纯铝的冷压焊接头，强度可达80100MPa；18-8奥氏体不锈钢与Al-Mg合金的接头强度可达200300MPa。采用摩擦焊时，为防止产生金属间化合物，应尽量缩短接头的加热时间并施加较大的挤压力，以便将可能形成的金属间化合物挤出接头区。但加热时间不能过短，以免塑性变形量不足而不能形成完全结合。,钢与铝及其合金的焊接,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 碳钢Q235与防锈铝的氩弧焊 碳钢与铝的常用钨极氩弧焊进行焊接，焊接时采用直径3mm的钨电极，随着工件厚度的增加，
9、焊接电流、焊接电压也相应的增加，焊接中填充金属采用Ni-Zn-Si系合金。Q235碳钢与防锈铝5A06（LF6）氩弧焊的工艺参数见表2。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,表2 Q235碳钢与防锈铝5A06 氩弧焊的工艺参数,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 镀锌低碳钢与铝及铝合金的氩弧焊 低碳钢与铝及铝合金（L1、L2、L3、LF21、LF3和LF5等）氩弧焊时，在碳钢表面镀厚度为35m的Zn、Sn、Ag可以获得较好的接头。但镀Cu、Ni、Al等中间层，焊后接头强度不高。采用浸渍法镀上100120m厚的锌层，接头强度也较好。钢表面镀锌层厚度对接头强度有很大影响，镀锌层越厚，接头
10、强度越高。 有镀锌层碳钢与铝及铝合金氩弧焊时，焊丝的选择对接头强度也有一定的影响。如镀锌的Q235钢与铝氩弧焊时，选择1035（L4）铝丝作为填充材料，接头强度可满足某些工件的要求，但不太稳定，断裂发生在焊缝上；用含镁焊丝（LF5）不能保证焊缝强度，且断裂产生在电镀层上；纯铝L2和L3与镀锌钢（镀层厚度小于30m）焊接接头强度较好。 为减少金属间化合物脆性层厚度，必须提高焊接速度，但焊接速度太大时会产生未焊透和其他形式的焊接缺陷。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 复合镀层碳钢与铝及铝合金的氩弧焊 只有一层镀锌层不足以消除铝与钢产生的金属间化合物
11、。因此应在镀锌之前先镀一层铜或银等金属。由于焊丝的熔点高于锌的熔点，焊接加热时镀锌层先熔化，漂浮在液体表面上，而铝在锌层下与铜或银镀层发生反应，同时铜或银溶解于铝中，可以形成较好的焊接接头。这种银锌或铜锌复合镀层的方法，可使钢铝焊接接头强度提高到147176.4MPa。但这种方法比单一镀层工艺复杂，另外在结构件较大而又复杂的情况下，这种方法会受到一定的限制。 在钢件镀层完成之后，便可对钢、铝件的表面进行处理。对铝件的表面处理可以用15%20%NaOH或KOH溶液侵蚀，侵蚀后用清水冲洗，然后在20%的HNO3中钝化，冲洗和干燥之后，放在干净的环境中待焊。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金
12、的焊接工艺,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 不锈钢与铝及铝合金的氩弧焊 不锈钢与铝之间的相互作用取决于不锈钢的类型，铝与不锈钢直接进行氩弧焊不会获得良好的接头。主要是因为它们之间会产生金属间化合物，使接头脆化。因此，对于不锈钢与铝的焊接，必须采用中间金属过渡层的办法。 镀层金属种类不同，焊后结果也不同。镀镍层焊接性较差，镀层易被烧损；Ni、Cu、Ag复合镀层上易形成裂纹；Ni、Cu、Sn复合镀层效果较好，Ni、Zn复合镀层效果更佳。 焊接接头质量在很大程度上取决于镀镍过程的质量。焊前对铝及铝合金的表面准备也是十分重要的，包括表面清洁及镀层。首先是清除油脂、油垢，清水冲洗，盐酸溶液侵蚀，然后进行镀
13、镍镀铜镀锌，干燥后渗铝，最后检查镀层表面质量。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 钨极氩弧焊的焊接工艺参数： 焊接电流为80120A，钨极直径为3mm，填充铝丝直径3mm。 焊接时，首先要使电弧指向铝一侧的焊丝上，以减小和防止锌镀层过多或过早地被熔化。尤其是在焊第一层焊缝时，更要特别注意镀层不能过多或过早地烧损，必须使电弧指向填充焊丝上，以防止电弧直接熔化镀锌层。 钢与铝氩弧焊的接头方式和电弧位置如图所示。从采用氩弧焊方法和接头连接方式来看，实质上是熔焊钎焊的工艺形式，即对钢件来说是钎焊，而对铝件来说是熔焊。这也是低熔点与高熔点异种材料焊接工艺一
14、种有效的方法。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,通过常规熔化焊的方式很难实现铝与钢的焊接。近来, CMT(cold metal transfer), 技术的提出和发展为铝与钢异种金属的焊接提供了技术支持。 Fronium公司利用CMT技术通过对焊接热输入量的精确控制， 在保证钢母材不发生熔化的前提下让铝母材熔化， 熔化的铝母材及填充金属在钢母材表面铺展并与之形成钎焊连接, 得到了优质的铝-钢连接接头。,钢与铝及其合金的焊接,钢与铝及其合金的焊接,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 如图3所示是钢与铝的某种产品的焊接结构示意。其主要特点为：铝管壁厚比钢管壁厚大1倍；铝管外径比钢管外
15、径大410mm，铝管内径比钢管内径小410mm；要求焊接接头强度高、气密性高。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,（1）钢与铝及铝合金的氩弧焊 焊接工艺步骤如下: 接头开X形坡口，钢管坡口为70，铝管坡口为40。 先将钢管进行机械清理，然后渗铝，渗铝长度为100150mm，对铝管进行脱脂、酸洗及钝化处理。 焊接工艺设备采用氩弧焊机，将钢与铝接头进行定位并装配，接间隙1.52mm。 将铝管预热到100200，然后用氩弧焊进行多道焊，钍钨极直径为3.2mm，焊丝直径为2mm。 焊接时按图3中内侧顺序焊接，焊接电流为45A，随后按外侧顺序焊接，焊接电流为6070A。 接头内外表面焊
16、完后，进行质量检验，发现焊接缺陷及时返修。,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,（2）碳钢与铝的气焊 在某些特殊场合需要采用气焊进行焊接，例如在汽车维修中对小型零部件的焊接。气焊是一种熔焊方法，常用的是氧气乙炔焊。气焊操作简单，焊缝成形容易控制，设备小，适合焊接薄件及要求背面成形的焊缝。 碳钢与纯铝或硬铝进行气焊时，填充金属采用Al-Zn-Sn系合金，并配用气焊熔剂CJ401。为了防止氧化，采用中性焰进行焊接。碳钢与铝气焊的工艺参数见表,钢与铝及其合金的焊接,3、钢与铝及其合金的焊接工艺,碳钢与铝气焊的工艺参数,（3）钢与铝的电子束焊接 由于电子束焊具有能量密度高，熔透能力强，焊接速度高等特点，使钢与铝焊缝成形窄而深，母材热影响区窄。 为了提高钢与铝焊接接头的使用性能，可选用Ag作为中间过渡层的电子束焊接方法，焊后焊接接头的抗拉强度可提高到117.6156.8MPa。因为Ag不会与Fe生成金属间化合物，所以拉伸试件均断裂在铝母材一侧。钢与铝的电子束焊的工艺参数见表。,钢与铝及
