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1、河南机电高等专科学校毕业论文1 绪论 铝及铝合金原来只有皇帝用的起的有色金属，不仅在我们的日常生活中起着重要的作用。而且随着现代工业的发展其应用前景也越来越广阔。特别是近代工业对工业材料的要求越来越向着质量轻强度高、易加工的方向发展。而铝及铝合金材料具有这一系列的优良特性，因此被广泛的应用于国民经济的各个领域，如航空航天、交通运输、电子通讯、建筑装饰、包装容器、机械电气、石油化工、能源动力、家电五金、文体卫生等行业，成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生活水平的重要基础材料。1.1国内铝合金发展的现状和趋势近二十年来，我国的铝加工业发展十分迅速，其产量已从1980年不到30万吨，发展到20
2、05年的583.7万吨。同时，出现了许多的新材料、新技术、新工艺及新设备。我国已经成为名副其实的铝业大国。铝及铝合金渗透到了社会的各个角落。铝合金保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料在日常生活中的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门窗、管、盖、壳等的材料；三是作为装饰材料和绝缘材料。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、喷涂、印刷等二次加工，制成各种装饰板材。另外铝合金具有易加工和高的散热性，特别是车辆的引擎部分特别适合使用铝合金材料。此外，在航空航天方面，它是运载火箭和各种航天器的主要结构材料。我国研制的神舟五号的氢氧推进剂的储藏箱、乘务员仓也都采用了铝合金作为结构
3、材料。我国研制的各种大型运载火箭亦广泛的选用了铝合金作为主要的结构材料。放眼未来，铝及铝合金家族会不断的壮大，你会在社会的各个方面见到它的身影。其应用前途不可估量。1.2铝合金应用中的问题 由于铝及铝合金所具有独特的物理化学性能，在焊接过程中会产生一系列的困难和特点，具体的表现有以下几点：1.强的氧化能力 铝和氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合生成致密的氧化铝薄膜。氧化铝的熔点高达2050，远远超过铝合金的熔点，而且密度约为铝的1.4倍。在焊接的过程中氧化铝薄膜阻碍了金属之间的良好结合，易造成夹杂。而且氧化膜还会吸收水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，为保证焊接质量，焊前必须严格清理焊件表
4、面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，对融化金属和处于高温下的金属进行有效保护。2.有较大的导热系数和比热容 铝和铝合金的导热系数比热容都很大。因此，焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的能量。为了获得高质量的焊接接头必须采用能量集中、功率大的热源。有时采用预热等工艺措施。3.焊接热裂纹倾向大 铝及铝合金的系膨胀系数约为钢的两倍，凝固时收缩率大，因此在接头中容易形成较大的拘束应力。因此，焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。4.焊缝容易产生气孔 在焊接高温下，焊接区周围的水、油、空气中的水分等侵入焊接电弧中很容易分解成氢原子或质子，融入过热熔融金属中。由于氢在液态和固态铝
5、中的溶解度相差很大（近20倍），因此，高温下融入的大量气体，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。5.焊接接头的力学性能下降 对于热处理强化铝合金，无论焊前是时效状态还是退火状态，焊后接头的力学性能都比母材低。即使焊后进行人工时效，往往也达不到焊前母材的水平。6.焊接接头耐蚀性下降 铝及铝合金焊接接头耐蚀性降低的主要原因是：接头的组织不均匀；焊接接头存在有焊接缺陷；焊缝金属铸造组织的影响和焊接应力的影响。本设计是以7A10超硬铝合金为例，来对铝及铝合金的焊接性进行分析。7A10超硬铝合金主要应用与飞机蒙皮、螺钉、防弹材料以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架等。2. 7A
6、10铝合金的焊接性分析2.1 7A10铝合金的化学成分表2-1 7A10的化学成分（质量分数）（%）牌号AlZnMgCuMnCrSiFeTiZr其他合计7A10余量3.24.23.04.00.501.00.200.350.100.200.30.30.10.052.2 7A10铝合金中合金元素和杂质元素的作用7A10是一种超硬铝合金，属于铝铜镁锌合金系。它是目前室温强度最高的一类铝合金，其强度到500700Mpa,超过高强度硬铝LY12合金，故称超硬铝合金。这类金属除了超度高外，韧性也很高，它主要生产板材，管材和锻件等，用于纺织工业及防弹材料等。AlCuMgZn合金为热处理可强化合金，起主要强化
7、作用的元素为Zn和Mg，Cu也有一定强化效果，但其主要作用是为了提高材料的抗腐蚀性能。Mg和Zn: Zn、Mg是主要强化元素，它们共同存在时会形成（MgZn2）和T(Al2Mg2Zn3)相。相和T相在Al中溶解度很大，且随温度升降剧烈变化，MgZn2在共晶温度下的溶解度达28%，在室温下降低到4%5%,有很强的时效强化效果，Zn和Mg含量的提高可使强度、硬度大大提高，但会使塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低。Cu： 当Zn/Mg比大于2.2，且Cu含量大于Mg时，Cu与其他元素能产生强化相S(CuMg Al2)而提高合金的强度，但在与之相反的情况下S相存在的可能性很小。Cu能降低晶界与晶内电位
8、差，还可以改变沉淀相结构和细化晶界沉淀相，但对PFZ的宽度影响较小，它可抑制沿晶开裂的趋势，因而改变了合金的抗应力腐蚀性能。然而当Cu含量大于3%时，合金的抗蚀性反而变坏。Cu能提高合金过饱和程度，加速合金在100200之间人工时效过程，扩大GP区的稳定温度范围，提高抗拉强度、塑性和疲劳强度。Cu含量在不太高的范围内随着Cu含量的增加提高了周期应变疲劳能力和断裂韧性，并在腐蚀介质中降低裂纹扩展速率，但Cu的加入有产生晶间腐蚀和点腐蚀的倾向。Cu对断裂韧性的影响与ZnMg比值有关，当比值较小时，Cu含量愈高韧性愈差；当比值较大时，即使Cu含量较高，韧性仍然很好。合金中还有少量的Mn、Cr、Zr、
9、V、Ti、B等微量元素，Fe和Si在合金中是有害杂质，其相互作用如下。Mn、Cr： 添加少量的过度元素Mn、Cr等对合金的组织和性能有明显的影响。这些元素可在铸锭均匀化退火时产生弥散的质点，阻止位错及晶界的迁移，从而提高再结晶温度，有效地阻止了晶粒的长大，可细化晶粒，并保证组织在热加工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态，使强度提高的同时具有较好的抗应力腐蚀性能。在提高抗应力腐蚀性能方面，加Cr比加Mn效果好，加入0.45%的Cr比加同量的Mn抗应力腐蚀开裂寿命长几十至上百倍。Zr： 最近出现了用Zr代替Cr和Mn的趋势，Zr可大大提高合金的再结晶温度，无论是热变形还是冷变形，在热处理后均可
10、得到未再结晶组织，Zr还可提高合金的淬透性、可焊性、断裂韧性、抗应力腐蚀性能等，是AlCuMgZn系合金中很有发展前途的微量添加元素。Fe和Si： Fe和Si在7A10铝合金中是不可避免存在的有害杂质，其主要来自原材料，以及熔炼、铸造中使用的工具和设备。这些杂质主要以硬而脆的FeAl3和游离的Si形式存在，这些杂质还与Mn、Cr形成（FeMn）Al6、（FeMn）Si2Al6、Al（FeMnCr）等粗大化合物，FeAl3有细化晶粒的作用，但对抗蚀性影响较大，随着不溶相含量的增加，不溶相的体积百分数也在增加，这些难溶的第二相在变形时会破碎并拉长，出现带状组织，粒子沿变形方向呈直线状排列，由短的互
11、不相连的条状组成。由于杂质颗粒分布在晶粒内部或者晶界上，在塑性变形时，在部分颗粒-基体边界上发生孔隙，产生微细裂纹，成为宏观裂纹的发源地，同时它也促使裂纹的过早发展。此外，它对疲劳裂纹的成长速度有较大的影响，在破坏时它具有一定的减少局部塑性的作用，这可能和由于杂质数量增加使颗粒之间的距离缩短，从而减少裂纹尖端周围塑性变形流动性的有关。因为含Fe、Si的相在室温下很难溶解，起到缺口作用，容易成为裂纹源而使材料发生断裂，对伸长率，特别对合金的断裂韧性有非常不利的影响。因此，7A10铝合金在设计及生产时，对Fe、Si的含量要严格控制。2.3 7A10铝合金焊接裂纹的种类及产生原因7A10铝合金焊接接
12、头中的焊接裂纹属于热裂纹，它主要是由于晶界上的合金元素偏析或低熔点物质引起的。热裂纹又可分为结晶裂纹和液化裂纹。结晶裂纹是在焊缝金属处于状态图的结晶温度范围的低温区时，在凝固收缩应力或外力的作用下产生的；液化裂纹是在热影响区中，被加热到高温的晶界在凝固时的收缩应力作用下产生的。7A10铝合金焊接接头中的焊接裂纹主要为结晶裂纹，其形态可分为：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、焊根裂纹和显微裂纹。由于铝合金的导热系数大，熔池金属冷却凝固速度很快；同时，由于铝合金的高温强度低、塑性差、线膨胀系数和体积收缩率大，铝合金热胀冷缩现象比较剧烈，在焊接过程中，容易产生较大的焊接变形和焊接应力。因此，对于刚性较大
13、的结构件，在快速凝固过程中，往往由于过大的收缩热应力而在焊缝和热影响区等部位产生裂纹。2.4 7A10铝合金焊接裂纹影响因素7A10铝合金焊接接头中的焊接裂纹影响因素：（1）焊丝合金化学成分选择不合理。当焊缝中Mg的含量小于3%或Fe、Si杂质含量超出规定时，裂纹倾向增大（2）焊丝的熔化温度偏高时会引起热影响区液化裂纹；（3）结构设计不合理 ，焊缝过于集中或 受热区温度过高，造成接头拘束应力过大；（4）高温停留时间长，组织过热；（5）弧坑没填满，出现弧坑裂纹。为了预防焊接裂纹，保证焊缝质量，可以从焊接方法的选择、焊接材料及尺寸的选择、焊前清理、焊前预热、焊接工艺规范的选择以及焊接操作等几方面采
14、取措施。2.5 7A10超硬铝合金焊接气孔产生的原因7A10超硬铝合金焊接过程中，焊缝中的气孔主要由氢引起，焊接时所溶解的氢是凝固过程中产生气孔的根源。大量试验表明，气孔缺陷产生的主要原因有以下几方面：（1）氩气纯度低或氩气管路中有水分、漏气等；（2）焊丝或母材坡口附近焊前未清理干净或清理后又被二次污染；（3）焊接电流和焊速过大或过小；（4）熔池保护欠佳，电弧不稳定，电弧过长，钨极伸出过长；（5）焊件坡口尺寸选择不合理。 以上分析了7A10超硬铝合金的焊接性，7A10超硬铝合金焊接过程中主要是裂纹和气孔两大缺陷。为了预防焊接气孔和裂纹的产生，保证焊缝质量，可以从焊接方式的选择、焊丝材料和尺寸规
15、格的选择、焊前清理、焊前预热、焊接工艺规范的选择以及焊接操作等几方面采取措施。3 7A10铝合金焊接裂纹的预防措施 对于焊缝的结晶裂纹，目前主要通过选择合适的焊接方法、焊丝材料，以及采用适当的焊接工艺规程和操作来进行控制。3.1 选择合适的焊接方式鉴于7A10铝合金焊接特性，经过分析比较，采用非熔化极氩弧焊效果较好。因为非熔化极氩弧焊（TIG）它是利用钨极和工件之间形成电弧产生的大量的热量熔化焊处，外加填充焊丝获得牢固的焊接接头。氩弧焊焊铝是利用其“阴极雾化”特点，自动去除氧化膜。钨极及焊缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽保护，防止焊缝区和周围空气反应。TIG焊工艺最适于焊接厚度小于3毫米的薄板，工件变形明显小。交流TIG焊有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔剂，避免了残留溶剂焊渣对接头的腐蚀。接头形式可以不受限制，焊缝成型美观，表面光亮。氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织和性能。因此，在焊接时我们尽量的选用交流TIG焊。3.2 选择合适材质的焊丝合适的焊丝化学成分能够获得致密而细晶的焊缝，不仅在焊接时有抵抗结晶裂纹形成的能力，而且使焊接接头具有很高的力学性能和抗腐蚀破裂的性能。 在选择焊丝时首先要考虑基体合金的化学成分。通常，焊丝的化学成分与基体合金的化学成分应有差别，焊丝在液态应该具有良好的流动性，结晶速
