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
含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。
肯倍Master Tig氬弧焊機，肯倍Master手工焊機，肯倍Pulse鋁焊機，肯倍A3機器人焊機，肯倍A7機器人焊機，肯倍KempArc機器人焊機，肯倍MIG焊機，肯倍X8 MIG焊機，肯倍不銹鋼MIG焊機，肯倍MAG焊機， 西安肯倍焊機，武功肯倍焊機，渭南肯倍焊機，寶雞肯倍焊機，漢中肯倍焊機，咸陽肯倍焊機，延安肯倍焊機，榆林肯倍焊機，鄠邑肯倍焊機，長安肯倍焊機。
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）
肯倍Master Tig氬弧焊機，肯倍Master手工焊機，肯倍Pulse鋁焊機，肯倍A3機器人焊機，肯倍A7機器人焊機，肯倍KempArc機器人焊機，肯倍MIG焊機，肯倍X8 MIG焊機，肯倍不銹鋼MIG焊機，肯倍MAG焊機， 西安肯倍焊機，武功肯倍焊機，渭南肯倍焊機，寶雞肯倍焊機，漢中肯倍焊機，咸陽肯倍焊機，延安肯倍焊機，榆林肯倍焊機，鄠邑肯倍焊機，長安肯倍焊機。
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1.0～1.6%）
2．Al-Mg系（LF2～6、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）
1）LY12（Al-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（495～503℃）易過燒與強化效果不佳。
（3） 焊接裂紋傾向大
2）LY16（Al-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，
用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=3～4%
母 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%。
Zn在4～5%；Mg=1～3.5%，較為理想，
常加入Cr、Mn、Ti、Zn細化晶粒。
肯倍Master Tig氬弧焊機，肯倍Master手工焊機，肯倍Pulse鋁焊機，肯倍A3機器人焊機，肯倍A7機器人焊機，肯倍KempArc機器人焊機，肯倍MIG焊機，肯倍X8 MIG焊機，肯倍不銹鋼MIG焊機，肯倍MAG焊機， 西安肯倍焊機，武功肯倍焊機，渭南肯倍焊機，寶雞肯倍焊機，漢中肯倍焊機，咸陽肯倍焊機，延安肯倍焊機，榆林肯倍焊機，鄠邑肯倍焊機，長安肯倍焊機。
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。
當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）
A．MIG：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，
對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減少，減少氫的溶入，但不利于其逸出。 矛盾，必須調整適當
2）對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
圖11—8 VH↓ E線↑ 有利于氣孔↓
圖11—9 對薄板影響大
V冷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11—10
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）。
二)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25—20半耐熱鋼中雙相組織r+B1的B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AL—Si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11—12）分析匹配情況
（圖11—13Cu與Mg含量對AL-Zn-Mg熱裂的影響）。
σb↑（如6070 硬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。
與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
表11—15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 LF3（Al-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
① 除了Al-Zn-Mg合金，均σ接頭<σ母材
而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。
② 所有時效強化的化合金，焊后不論處理否。δ接頭<δ母材。
③ 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。
① 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↓
② 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
③ HAZ區
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HAZ的T峰值>T再結晶（200—3000C），產生明顯軟化（圖11—16）
·軟化區↑，σ接頭↓明顯。（圖11—17）
·接頭的軟化主要取決于加熱的T峰值，V冷影響不大。
·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11—18，圖11—19）
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3～4mm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。
1．TIG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>
2．MIG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，1.6～2.0mm構件
熱作用小，適于焊接熱處理強化鋁合金。
·IH大于300～400A，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。
IH與VH必須緊密的配合。
1）TIG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。
2）MIG焊接：·VH可以大范圍變動，0.15～1.5mm/min;
·V送絲可以更大范圍變動，1.1～10mm/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，UH～IH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．高Mg焊絲焊接低Mg的Al-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．LY16和2319絲焊接Al-Cu-Mn合金；
5．B61焊絲焊接Al-Cu-Mg硬鋁而研制，Cu↑6～7%；
6．4145焊絲焊接硬鋁，δ↓↓，但是，抗裂性能好。
