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    鋁及其合金的焊接大全

    作者:肯倍焊機  來源:肯倍焊機   更新時間:2020-05-23  閱讀數:8046
     

    第五章 鋁及其合金的焊接

    §5-1 鋁及其合金的類型與特性

    一、        工業純鋁的特性 肯倍焊機

    Al>99%,Fe、Si雜質(Al-Fe-Si三元合金,面心立方點陣結構)

    熔點=660,耐蝕性良好,強度低,塑性好。

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    二、           鋁合金的合金化及其特性

    焊接結構中主要應用的是變形鋁合金,應用最為廣泛的是非時效強化鋁合金(LF

    鑄造Al只在結構缺陷焊補時遇到。

    (只討論變形鋁合金)

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    一)   非時效強化鋁合金

    耐蝕性良好,主要為固溶強化。

    1.Al-Mn系(LF21、3003

    (含Mn量為1.01.6%

    2.Al-Mg系(LF26、5000系列)

    Mg的固溶強化作用大于Mn

    Mg,強度,脆性β相(Mg2Al3,δ↓,耐蝕性↓。

    二) 時效強化鋁合金 肯倍焊機

    最為典型的是LY系列和LC系列,LD系列

    1.硬鋁(LY系列,2000系列)

    1LY12Al-Cu-Mg系)應用最早,2024(美)

       a.主要強化相:(CuAl2),S相(Al2CuMg),

             其次:T相(CuAl5Mg5),β相(Mg2Al3)。

       b.元素的作用

       c.缺點:

    (1)    耐蝕性不良,采用包鋁,但強度降低

    (2)    固溶強化溫度范圍窄(495503)易過燒與強化效果不佳。

    (3)    焊接裂紋傾向大

    2LY16Al-Cu-Mn系列,2219

    為改善材料焊接性而設計

    Mg降低Al-Cu合金中的溶解度,提高脆性和凝固裂紋傾向,

    Mn代替(見上圖)

    2.超硬鋁(LC,Al-Zn-Mg系列,7000系列)肯倍焊機

    1)特點:

    Al-Zn-Mg-Cu系,強度最高,缺口敏感性高、耐蝕性低。

    2)焊接性差,熔化焊接裂紋傾向大,接頭強度遠遠低于母材。

    焊接接頭:σb=309Mpa,δ=34%

        材:σb=536Mpa,δ=7%

    3)耐蝕性降低:Zn、Mg含量增加

    3.Al-Zn-Mg合金(7475,7005

    1)優點:

    a.取消Cu,σb,但是,焊接性能優異!

    b.焊接裂紋傾向性

    c.良好的自然時效性能,接頭σb可以恢復到母材水平

    2)缺點:

    應力腐蝕開裂敏感性大,

    Zn+Mg,耐蝕性,總量應該低于7.5%。

    Zn45%;Mg=13.5%,較為理想,

    常加入Cr、Mn、Ti、Zn細化晶粒。

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    三、        鋁合金的耐蝕性

    耐酸不耐堿;

    一般,其總體上耐蝕性較好,

    保護膜一旦被破壞(局部破壞),腐蝕加劇。尤其是冷作硬化態。

    Al及其合金存在雜質或者析出相時,由于相間電極電位差,促使產生電化學腐蝕。

    注意:既要保證強度,又要提高耐蝕性。


    四、            鋁合金的物理性能

    導熱系數λ與線脹系數α都很大,其密度較小。

    §5-2 鋁及其合金的焊接性

    鋁及其合金焊接結構應用廣泛,例如高速客車車體,儲油罐等。肯倍焊機

    對其進行焊接時,存在以下問題:

    1.焊縫中的氣孔;

    2.焊接熱裂紋;                                             主要問題

    3.接頭的“等強性”;

    4.變形;(材料線脹系數大,導熱性強,傳熱快,HAZ較寬)

    5.焊縫夾雜;(Al2O3熔點高,達2050,但密度與Al相近)      次要問題 

    6.焊接未熔合(表面難熔氧化物+材料傳熱快)

    一、                          焊縫中的氣孔

    一) 形成氣孔的特點

    主要是H2氣孔。

    [H]來源于弧柱氣氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分,

    特別是表面氧化膜中吸附的水分!

    1.弧柱氣氛中水分的影響(潮濕的空氣、保護氣氛)

    該氣孔具有白亮內壁的特征。

    1)      原理

    由圖11-4,在平衡狀態下,液態Al中溶解度為0.69ml/100g, 凝固點的溶解度為0.036ml/100g,相差約20倍, 而鋼的相差約2倍。

    溶解度變化的實際冷卻線為abc

    a      b:冷卻速度大,氣泡在液體凝固之前聚合上浮,被擱淺,形成粗大的“皮下氣孔”;

    a      b’:冷卻速度小,氣泡在液體凝固之前聚合浮出,不致產生氣孔。

    b     c:冷卻速度大,結晶條件下,凝固點的氫的溶解度發生突變,枝晶交互生長,聚合的氣孔生長受限,限制在枝晶前沿,沿枝晶層狀線分布,難以浮出,即“結晶層孔”

    b   c’:冷卻速度小,氣孔少。

       2)不同的合金系統,對水分的敏感性不同(見圖11-5

       3)不同的焊接方法,敏感性不同

    MIG>TIG (同樣的氣氛條件下)

    AMIG:細絲熔滴小,比表面積很大,弧柱溫度高于熔池,利于吸氫;

    B.熔池深度大于TIG方法的深度,利于氣孔浮出。

    2. 氧化膜中水分的影響(已限制弧柱水分的影響)

     焊絲或工件的氧化膜中所吸附的水分將是生成焊縫氣孔的主要原因。

    MgO↑,形成的氧化膜不致密,

    而純Al的氧化膜非常致密,吸水性差。

    MIG焊接方法:焊絲表面氧化膜的清理情況對[H]的影響較大,

    Al-Mg合金焊絲,其影響更顯著,氣孔傾向↑↑。

    坡口氧化膜被迅速溶化掉,水分排除,影響小。

        TIG焊接方法:在熔透不足時,母材坡口端部未除凈的氧化膜所吸收的水分,是產生焊縫氣孔的主要原因。

                     焊前嚴格去除氧化膜。

        而母材表面養化膜也會在近縫區引起“皮下氣孔”(Al-Mg合金)

    二)防止焊縫氣孔的途徑

    兩方面著手:1)限制氫溶入熔融金屬(減少氫的來源)

    或減少熔池吸氫時間;                  較為矛盾 

    2)盡量促使氫從熔池中逸出

    因而盡量限制氫的來源具有較為現實的意義!

    1.  減少氫的來源

    1)所有的焊接材料在使用之前必須干燥處理

    2)焊前處理

    化學法和機械法,清除焊絲和母材表面的氧化膜。

    3)坡口下端(根部)倒V型小坡口

    鏟根極為有利于減少焊縫氣孔的傾向。

    2.  控制焊接工藝

    1)原理

    工藝參數的影響主要可以歸結為對熔池高溫時間的影響。

    T增加,氫利于逸出,也利于氫的溶入

    T減少,減少氫的溶入,但不利于其逸出。       矛盾,必須調整適當

    2)TIG焊接,一方面盡量采用小線能量,減少熔池存在時間

    一方面,應該充分保證根部熔透,利于氣泡浮出

    大電流高焊接速度比較有利。

    3) MIG焊(焊絲氧化膜的影響更為主要)

       一般希望增大溶池存在時間以利氣泡的逸出

       118  VH  E線↑  有利于氣孔↓

       119  對薄板影響大

    V對焊縫的氣體含量有較明顯的影響

      必要時可采用預熱辦法↓VH,以利氣體逸出

    4)混合氣體保護焊(P412

    二、焊接熱裂紋

        焊接金屬和近縫區發現的熱裂紋主要是凝固裂紋,也可在近縫區見到液化裂紋

    一)    化合金焊接熱裂紋的特點

    1.易熔共晶體的存在,是焊縫產生凝固裂紋的重要原因

    2.Al合金,線脹系數大,比鋼大1倍,在拘束條件下焊接易產生大反應,促使裂紋傾向原因(鋁合金屬于典型的共晶型合金)分析圖1110

       易熔共晶成薄膜狀展開于晶界上時,必促使晶體分離,↑合金的熱裂傾向

    易熔共晶成球狀聚集在晶粒頂點間時,裂紋傾向↓。

    3.近縫區“液化裂紋”,亦是晶間易熔共晶存在有聯系(因偏折而形成)。

       )防止焊接熱裂紋的途徑

            對于焊縫金屬的凝固裂紋,主要是通過合理選定焊縫的合金成份,并配合適當的焊接工藝來進行控制。

    1. 焊縫合金系統的影響

    1)調整成份的的著眼點:在于控制適量的易熔共晶并縮小結晶T區間,

    一般都是使主要合金元素含量超過Xm,以便能產生“愈合”作用。

      有點類似于2520半耐熱鋼中雙相組織r+B1B偏折與Fe Ni形成低熔共晶

    a)LT1絲抗裂

    對于一些裂紋傾向大的硬鋁之類的高強的合金,在原合金系統中進行調整以改善抗裂,不見效。

    不得不利用Si5%的ALSi合金焊絲(LTI,可形成較多的易熔共晶,流動性好(愈合作用↑)抗裂性↑,σb, δ↓。

    b)不同母材匹配不同焊絲,具不同的裂紋傾向

            (圖1112)分析匹配情況

       (圖1113CuMg含量對AL-Zn-Mg熱裂的影響)。

    σb↑(如6070 Al, LC系列,裂紋傾向↑)

    2.變質劑的影響

      Ti , Zr, V, B 微量元素,細化晶粒,↑δ,ak.↑↑抗裂性。

      AlTi形成一系列包晶反應,生成難熔質點(非自發凝固形核),

       Al3Ti.Al3Zr,AlB2非自發凝固形格

    3、    焊接工藝參數的影響

    影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態,也影響凝固過程中的應變增長速度,從而影響裂紋的產生。

    ·熱量集中的焊接方法,利于快速焊接,防止粗大的柱狀晶,抗裂性↑

    ·IH↓減小熔池過熱,抗裂性↑

    · VH↑,接頭的應變速率↑ 熱裂傾向↑

       (大部分Al合金的裂紋傾向都比較大)

    ·熔合比大時,裂紋傾向↑(↑IH也是不利的.IH.熔合比↑)

    三.焊接接頭的“等強性”肯倍焊機

        1115典型的化合金焊接接頭母材的力學性能,可看出以下規律。

    1.非時效強化的鋁合金  LF3Al-Mg

    退火態焊接:接頭與母材等強

    冷作硬化態焊接:接頭強度低于母材,即有軟化現象。

    2.時效強化鋁合金

      除了Al-Zn-Mg合金,均σ接頭<σ母材

    Al-Zn-Mg合金,焊接后自然時效時間越長,接頭強度顯著提高到接近母材水平。

      所有時效強化的化合金,焊后不論處理否。δ接頭<δ母材。

        退火態母材+焊后處理,有些接頭強度>母材強度

    3.焊接時的不等強性,說明接頭存在軟化現象或有薄弱環節。

      焊縫

    ·鑄造組織  δ焊接<δ母材

    ·焊縫性能主要決定于所選用的焊材(異質焊縫)

    ·為保證焊縫σb與δ,固溶強化型合金系統要優于共晶型合金系統

    ·E↑焊縫性能↓

      熔合區

    非時效化合金主要問題:晶粒粗化,δ↓

    時效化合金主要問題:晶粒粗化,可能晶界液化產生裂紋    惡化δ

      HAZ

    主要表現為強化效果的損失(軟化)

    一)非時效強化鋁合金的軟化問題:

    主要發生在冷作硬化合金上。

    ·當HAZT峰值>T再結晶2003000C),產生明顯軟化(圖1116

    ·軟化區↑,σ接頭↓明顯。(圖1117

    ·接頭的軟化主要取決于加熱的T峰值,V影響不大。

    ·冷作硬化程度↑,軟化↑。

    二) 時效強化化合金的軟化問題

    1.問題主要是HAZ“過時效軟化問題。

    2.影響因素:

    其嚴重程度決定于合金第二相的性質,也與焊接熱循環特性有一定關系,

    第二相易于脫溶解出并易于聚集長大,越易發生“過時效”。

    比較Al-Cu-Mg的自然時效  (圖1118,圖1119

    3.  采取措施

    1)防止HAZ區軟化,宜采用小的焊接線能量

    2)如果焊接后可以完全熱處理,則在固溶或退火態焊接較好。

    五、     焊接接頭的耐蝕性

    1.規律:接頭的耐蝕性一般都低于母材。

             熱處理強化的合金焊接接頭的耐蝕性降低尤為明顯,則采用可包鋁提高耐蝕性。

    2.原因(影響因素)

    1)主要與接頭的組織不均勻有關(尤其有析出相),可使接頭各部位的電極電位產生不均勻性。

    2)焊縫金屬的純度和致密性是影響接頭耐蝕性因素之一。

    雜質↑晶粒長大,脆性相析出,耐蝕性↓↓。

    3)焊接應力更是影響耐蝕性的敏感因素。

    3.     改善焊接接頭的耐蝕性措施

    1)改善接頭組織的成分的不均勻性

    (焊縫合金化、細化晶粒,焊后熱處理,↓HAZ,防止過熱)

    2)消除焊接應力(局部表面拉應力,可以采用局部錘擊消除)

    3)采取保護措施(陽極氧化處理或涂層)

    §5-3 Al及其合金的焊接工藝特點

    一、焊接工藝的一般特點

    1.從物理性能方面的特點考慮

       ·鋁及其合金導熱性好、熱容量和線脹系數大、熔點低、高溫強度低,焊接困難;

    ·焊接時無顏色變化,難以確定焊接的坡口是否熔化,焊接操作難;

    ·Mg、Zn、Mn易蒸發,影響接頭性能。

    1)焊接熱源必須集中,以保證熔合良好;

    2)要采用墊板和夾具,以保證裝配質量,防止變形;

    2.從化學性質上考慮

        難熔氧化物易于形成夾雜物,而且還因為吸收水分造成焊縫氣孔的產生。

    1)焊接之前嚴格清理焊絲和母材表面的氧化膜;

    2)加強保護,利用“陰極霧化”清理作用;(cleaning action

    3)氣焊或其他熔化焊接方法,需用釬劑(氯化物等),具有腐蝕性,焊后應該立即徹底清除殘渣。

    3.接頭形式及坡口準備工作

    1)手工焊接:厚度低于34mm內,自動焊接:6mm以內不開坡口;

    2)厚度低于3mm的接頭,可以卷邊焊接。

    主要考慮能夠充分而有效的去除氧化膜。

    二、焊接方法的選用

    薄件仍可以采用氣焊(需焊劑),大厚度鋁件則采用電渣焊接有效。

    氬弧焊接:薄板多用TIG焊接;

             大于3mm多用MIG焊接。

    1TIG焊接方法                           采用雙層氣體保護

        一般采用交流電源;             

        研究用于大厚度鋁合金焊接的直流正接TIG焊(熔深大、成型好,氣孔傾向?。?span>

        2MIG焊接法(DCRP

    ·IH一般大于臨界電流值,獲得穩定的噴射過渡電弧過程;

    ·板厚小于3mm,必須采用很細的焊絲,送絲難,一般不用MIG焊接;

    ·熔化極脈沖氬弧焊焊接薄板,1.62.0mm構件

        熱作用小,適于焊接熱處理強化鋁合金。

    ·IH大于300400A,焊縫表面易于產生“皺皮”(Purkering

                        采用雙層氣體保護焊接可以解決。

    3.焊接工藝參數的確定

        主要根據接頭的尺寸、形狀和焊縫成型的要求,也必須考慮對氣孔、裂紋和HAZ軟化的影響。

        IHVH必須緊密的配合。

    1TIG焊接:φ鎢極一定,IH↑,VH↑,氣體流量與焊接速度應該相應的調整,

                 功率一定,焊接速度與焊接厚度有關。

    2MIG焊接:·VH可以大范圍變動,0.151.5mm/min;

                ·V送絲可以更大范圍變動,1.110mm/min;

                ·IH 必須適當,關鍵是確定臨界電流;

                ·層間溫度↑,σ接頭↓,δ↓,微裂紋傾向↑


    規律:

    Ic=75ds+20

    IH一定,V送絲=V熔化

    V送絲↑↑,粘絲現象(sticking

    V送絲↓↓,電弧拉長,燒噴嘴。

    V送絲,UHIH匹配關系:

    三、焊絲的選用

    一)  同質焊絲

    有的從母材上切板條使用

    母材為L系列、LF21、LF6、LY17、7000  系列。

    二)  異質焊絲

    主要是為了適應抗裂性的要求而研制的焊絲。

    1.Mg焊絲焊接低MgAl-Mg合金;

    2.Al-5%Si焊絲焊接Al-Cu-Mg合金;

    3.Al-Zn-Mg焊絲焊接Al-Zn-Mg;

    4.LY162319絲焊接Al-Cu-Mn合金;

    5.B61焊絲焊接Al-Cu-Mg硬鋁而研制,Cu67%;

    6.4145焊絲焊接硬鋁,δ↓↓,但是,抗裂性能好。

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