2015焊接工藝學(xué)（勞動版）課件：金屬焊接性.pptVIP

金屬焊接性,主講人: 鄭萬眾,7.1.1 鋁及鋁合金的分類,變形鋁合金,鋁及鋁合金,工業(yè)純鋁,鑄造鋁合金,非時效強(qiáng)化鋁合金,時效強(qiáng)化 鋁合金,Al-Mn LF21,Al-Mg LF2,Al-Mg-Mn LF1,Al-Cu-Mg LY12,Al-Zn-Mg-Cu LC4,Al-Mg-Si LD1,新型鋁合金 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,非熱處理強(qiáng)化鋁合金可通過加工硬化、固溶強(qiáng)化提高力學(xué)性能，特點是強(qiáng)度中等、塑性及耐蝕性好，又稱防銹鋁，焊接性良好，是焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的鋁合金。 熱處理強(qiáng)化鋁合金是通過固溶、淬火、時效等工藝提高力學(xué)性能。經(jīng)熱處理后可顯著提高抗拉強(qiáng)度，但焊接性較差，熔焊時產(chǎn)生焊接裂紋的傾向較大，焊接接頭的力學(xué)性能下降。熱處理強(qiáng)化鋁合金包括硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等。,7.1.2 鋁及鋁合金的特點,活性強(qiáng)，在空氣中容易形成Al2O3氧化膜 Al2O3氧化膜密度3.95g/cm3，比鋁大 Al2O3氧化膜吸水性強(qiáng) 導(dǎo)熱系數(shù)大 是低碳鋼的5倍 線膨脹系數(shù)大 是低碳鋼的2倍,固體金屬的表面結(jié)構(gòu),在氧化膜之下是一層厚度約為1-2m厚的微晶組織，其下層是1-10m的變形層，這一層則是由于金屬在成形加工（如壓力加工）時所形成的晶粒變形的結(jié)構(gòu)。,8.2 鋁及鋁合金的焊接性分析,鋁及其合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，表面極易形成難熔氧化膜（Al2O3熔點約為2050，MgO熔點約為2500），加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時易造成不熔合現(xiàn)象。由于氧化膜密度與鋁的密度接近，也易成為焊縫金屬的夾雜物。同時，氧化膜（特別是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收較多水分而成為焊縫氣孔的重,要原因之一。此外，鋁及其合金的線膨脹系數(shù)大，焊接時容易產(chǎn)生翹曲變形。這些都是焊接生產(chǎn)中頗感困難的問題。, 氣孔 氫是鋁及其合金熔焊時產(chǎn)生氣孔的主要原因 氣孔的分布特征 臨近焊縫表層的“皮下氣孔” 焊縫中部或根部的“密集氣孔”,熔合區(qū)邊界的“氧化膜氣孔” 2. 氣孔的形成原因 (1) 焊接區(qū)內(nèi)存在氫的來源 (2)鋁合金中氫的溶解度存在突變 (3) 導(dǎo)熱系數(shù)大熔池結(jié)晶速度快 (4) 密度低,氫的來源,弧柱氣氛,焊接材料吸附水分,母材吸附水分,氣泡不易上浮,氫在鋁中的溶解度,2. 影響氣孔形成的因素 1）弧柱氣氛中水分的影響 弧柱空間或多或少存在一定量的水分，尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)進(jìn)行焊接時，由弧柱氣氛中水分分解而來的氫，溶入過熱的熔融金屬中，凝固時來不及析出成為焊縫氣孔。這時所形成的氣孔具有白亮內(nèi)壁的特征。,合金系 不同合金系對弧柱氣氛中水分的影響是不同的。純鋁對氣氛中的水分最為敏感。Al-Mg合金Mg含量增高，氫的溶解度和引起氣孔的臨界氫分壓pH2隨之增大，因而對吸收氣氛中水分不太敏感。相比之下，同樣焊接條件下，純鋁焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向要大些。,焊接方法 不同的焊接方法對弧柱氣氛中水分的敏感性也不同。TIG焊或MIG焊時氫的吸收,速率和吸氫量有明顯差別。MIG焊時，焊絲以細(xì)小熔滴形式通過弧柱落入熔池，由于弧柱溫度高，熔滴比表面積大，熔滴金屬易于吸收氫；TIG焊時，熔池金屬表面與氣體氫反應(yīng)，因比表面積小和熔池溫度低于弧柱溫度，吸收氫的條件不如MIG焊時容易。同時，MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深，也不利于氣泡的浮出。所以，在同樣的氣氛條件下，MIG焊時焊縫氣孔傾向比TIG焊時大。,2）氧化膜中水分的影響 在正常的焊接條件下，對于氣氛中的水分已嚴(yán)格限制，這時，焊絲或工件氧化膜中所吸附的水分將是生成焊縫氣孔的主要原因。氧化膜不致密、吸水性強(qiáng)的鋁合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的純鋁具有更大的氣孔傾向。 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，氧化膜對焊縫氣孔的影響就小得多。,TIG焊時，在熔透不足的情況下，母材坡口根部未除凈的氧化膜所吸附的水分是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。這種氧化膜不僅提供了氫的來源，而且能使氣泡聚集附著。剛形成熔池時，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而殘存下來，則氧化膜中水分因受熱而分解出氫，并在氧化膜上萌生氣泡；由于氣泡是附著在殘留氧化膜上，不易脫離浮出，且因氣泡是在熔化早期形成的，有條件,長大，所以常造成集中的大氣孔。這種氣孔在焊縫根部未熔合時就更嚴(yán)重。坡口端部氧化膜引起的氣孔，常沿著熔合區(qū)原坡口邊緣分布，內(nèi)壁呈氧化色，這是其重要特征。由于Al-Mg合金比純鋁更易于形成疏松而吸水性強(qiáng)的厚氧化膜，所以Al-Mg合金比純鋁更容易產(chǎn)生這種集中的氧化膜氣孔。因此，焊接鋁鎂合金時，焊前須仔細(xì)清除坡口端部的氧化膜。,3. 氣孔的防止 減少氫的來源 a 對焊接材料干燥處理，降低氣氛中的水分 使用的焊接材料（包括保護(hù)氣體、焊絲、焊條等）要嚴(yán)格限制含水量，使用前需干燥處理。一般認(rèn)為，氬氣中的含水量小于0.08%時不易形成氣孔。氬氣的管路也要保持干燥。 b 焊前清除焊絲及母材表面的氧化膜和污染物,焊前處理十分重要。焊絲及母材表面的氧化膜應(yīng)徹底清除，采用化學(xué)方法或機(jī)械方法均可，若兩者并用效果更好。 例如對鋁合金母材化學(xué)清洗后，焊前可用細(xì)鋼絲刷再全面刷一遍近縫區(qū)，并用刮刀刮削坡口端面和焊縫兩側(cè)20mm范圍的母材；將坡口下端（根部)刮去一個倒角，成為倒V形小坡口（鏟根，防止根部氧化膜引起的氣孔）；裝配時要防止再度弄臟。機(jī)械清理后表面氧化速度很快，應(yīng)及時進(jìn)行焊接。,圖 5-3 鏟根對焊縫氣孔的影響 （Al-4Mg-1Mn，MIG） 1未鏟根 2鏟根,(2) 控制焊接工藝 焊接參數(shù)的影響可歸結(jié)為對熔池在高溫存在時間的影響，也就是對氫溶入時間和氫析出時間的影響。熔池高溫存在時間增長，有利于氫的逸出，但也有利于氫的溶入；反之，熔池高溫存在時間減少，可減少氫的溶入，但也不利于氫的逸出。焊接參數(shù)不當(dāng)時，如造成氫的溶入量多而又不利于逸出時，氣孔傾向勢必增大。,對于TIG焊參數(shù)的選擇，一方面采用小熱輸入以減少熔池存在時間，從而減少氣氛中氫的溶入，因而須適當(dāng)提高焊接速度；同時又要保證根部熔合，以利根部氧化膜中的氣泡浮出，又須適當(dāng)增大焊接電流。,圖 5-4 焊接工藝參數(shù)對氣孔傾向的影響（5A06，TIG）,在MIG焊條件下，焊絲氧化膜的影響更明顯，減少熔池存在時間，難以有效地防止焊絲氧化膜分解出來的氫向熔池侵入。因此希望增大熔池時間以利氣泡逸出。,圖 5-5 MIG焊接時焊縫氣孔傾向與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系 （板Al-2.5%Mg，焊絲Al-3.5%Mg）,圖5-6 板厚及接頭形式對焊縫氣體含量的影響（MIG） 1對接接頭 2T型接頭,因此，在MIG焊條件下，接頭冷卻條件對焊縫氣體含量有較明顯的影響。必要時可采取預(yù)熱來降低接頭冷卻速度，以利氣體逸出，這對減少焊縫氣孔傾向有一定好處。 改變弧柱氣氛的性質(zhì)，對焊縫氣孔傾向也有一些影響。例如，在氬弧焊時，Ar中加入少量CO2或O2等氧化性氣體，使氫發(fā)生氧化而減小氫分壓，能減少氣孔的生成傾向。但是CO2或O2的數(shù)量要適當(dāng)控制，數(shù)量少時無效果，過多時又會使焊縫表面氧化嚴(yán)重而發(fā)黑。, 熱裂紋 鋁及其合金焊接時，常見的熱裂紋主要是焊縫凝固裂紋和近縫區(qū)液化裂紋。 1. 熱裂紋的形成原因 鋁合金典型的共晶合金 存在易熔共晶體，在焊縫的結(jié)晶后期，易熔共晶的存在，是鋁合金焊縫產(chǎn)生凝固裂紋的重要原因之一。,裂紋傾向最大時的合金組元xm均小于它在合金中的極限溶解度，例如Al-Mg合金的xm約為2%Mg；這是由于焊接加熱和冷卻過程都很快，使合金來不及建立平衡狀態(tài)，在不平衡的凝固條件下固相線一般要向左下方移動的結(jié)果。也就是說，固相與液相之間的擴(kuò)散來不及進(jìn)行，先凝固的固相中合金元素含量少，而液相中卻含較多合金元素，以致可在較少的平均濃度下就出現(xiàn)共晶。例如在80100/s冷卻濃度下就出現(xiàn)共晶。例如,在80100/s冷卻速度下，Al-Cu合金的實際固相線向左下方移動，使極限溶解度的成分為0.2%Cu（而不是原來的5.65%Cu），共晶溫度降低到525（原來是548）。若合金中存在其他元素或雜質(zhì)時，還可能形成三元共晶，其熔點要比二元共晶更低一些，凝固溫度區(qū)間也更大一些。易熔共晶的存在，是鋁合金焊縫產(chǎn)生凝固裂紋的重要原因之一。,鋁合金的線膨脹系數(shù)比鋼約大1倍，熔池金屬冷卻速度很快在拘束條件下焊接時易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，也是促使鋁合金具有較大裂紋傾向的原因之一。 近縫區(qū)液化裂紋同焊縫凝固裂紋一樣，也與晶間易熔共晶有聯(lián)系，但這種易熔共晶夾層并非晶間原已存在的，而是在不平衡的焊接加熱條件下因偏析而形成的，所以稱為晶間液化裂紋。,2 防止焊接熱裂紋的途徑 母材的合金系對焊接熱裂紋有重要的影響。 對于焊縫金屬的凝固裂紋，主要是通過合理確定焊縫的合金成分，并配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥磉M(jìn)行控制。 1）合金系的影響 在鋁中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素可獲得不同性能的合金，各種合金元素對鋁合金焊接裂紋的影響如圖5-8所示。,圖5-7 Al-Mg合金焊縫凝固裂紋與含Mg量 的關(guān)系（T形角接接頭） 1連續(xù)焊道 2斷續(xù)焊道,調(diào)整焊縫合金系的著眼點，從抗裂角度考慮，在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。由于鋁合金為共晶型合金，少量易熔共晶會增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過xm，以便能產(chǎn)生“愈合”作用。,對于裂紋傾向大的硬鋁之類高強(qiáng)鋁合金，在原合金系中進(jìn)行成分調(diào)整以改善抗裂性，往往成效不大。生產(chǎn)中不得不采用含wSi=5%的Al-Si合金焊絲（4A01）來解決抗裂問題。因為可以形成較多的易熔共晶，流動性好，具有很好的“愈合”作用，有很高的抗裂性能，但強(qiáng)度和塑性不理想，不能達(dá)到母材的水平。,Al-Cu系硬鋁合金2A16是為了改善焊接性而設(shè)計的硬鋁合金。Mg可降低Al-Cu合金中Cu的溶解度，促使增大脆性溫度區(qū)間。為此，應(yīng)取消Al-Cu-Mg（硬鋁）中的Mg，添加少量Mn（wMn1%），得到Al-Cu-Mn合金（2A16）。,如圖5-9所示，wCu=6%7%時，正好處在裂紋傾向不大的區(qū)域。由于Mn能提高再結(jié)晶溫度而改善熱強(qiáng)性，所以Al-Cu-Mn合金也可作為耐熱鋁合金應(yīng)用。為了細(xì)化晶粒，加入wTi=0.1%0.2%是有效的。wFe0.3%時，降低強(qiáng)度和塑性；wSi0.2%時，增大裂紋傾向。特別是Si、Mg同時存在時，裂紋傾向更為嚴(yán)重，因Cu與Mg不能共存，Mg含量越少越好，一般限制wMg0.05%。,圖5-9 焊絲成分對不同母材焊縫熱裂傾向的影響 13A21 2Al-2.5%Mg 3Al-3.5%Mg 4Al-5.2%Mg,大部分高強(qiáng)鋁合金焊絲中幾乎都有Ti、Zr、V、B等微量元素，一般是作為變質(zhì)劑加入的。不僅可以細(xì)化晶粒而且可以改善塑性、韌性，并可顯著提高抗裂性能。,2）焊絲成分的影響 不同的母材配合不同的焊絲，在剛性T形接頭試樣上進(jìn)行TIG焊，具有不同的裂紋傾向，如圖5-10所示。采用成分與母材相同的焊絲時，具有較大的裂紋傾向，不如改用其他合金組成的焊絲。采用Al-5%Si焊絲（國外牌號4043）和Al-5%Mg焊絲（5A05或5556）的抗裂效果是令人滿意的。 Al-Zn-Mg合金專用焊絲X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）也具有相當(dāng)高的抗裂性能。,圖 5-10 Al-Cu-Mg及Al-Cu-Mn系合金的凝固裂紋傾向與合金 組成的關(guān)系（鑄環(huán)抗裂試驗） a）Al-Cu-Mg合金 b）Al-Cu-Mn合金,3）焊接參數(shù)的影響 焊接參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)力變化，因而影響裂紋的產(chǎn)生。 熱能集中的焊接方法，可防止形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小焊接電流，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)力，增大熱裂的傾向。因此，增大焊接速度和焊接電流,都促使增大裂紋傾向。大部分鋁合金的裂紋傾向都比較大，所以，即使是采用合理的焊絲，在熔合比大時，裂紋傾向也必然增大。因此，增大焊接電流是不利的，而且應(yīng)避免斷續(xù)焊接。 (3) 特殊措施 磁控電弧振蕩 振蕩改變柱狀晶方向，使裂紋擴(kuò)展通道變得彎曲，增加裂紋擴(kuò)展阻力。細(xì)化晶粒，降低熱裂傾向。消除偏析。 電磁攪拌 細(xì)化晶粒，降低熱裂傾向，消除偏析, 接頭軟化,非時效強(qiáng)化鋁合金,退火態(tài)焊接 等強(qiáng),冷作硬化態(tài)焊接 軟化,(峰值溫度超過再結(jié)晶溫度),時效強(qiáng)化鋁合金 過時效軟化,(焊接熱影響區(qū)),(1) 非時效強(qiáng)化鋁合金HAZ的軟化 主要發(fā)生在焊前經(jīng)冷作硬化的合金上。經(jīng)冷作硬化的鋁合金，熱影響區(qū)峰值溫度超過再結(jié)晶溫度（200-300）的區(qū)域時就產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象。軟化主要愿意是再結(jié)晶消除了原來冷作硬化效果。由于軟化后的硬度實際已低到退火狀態(tài)的硬度水平，因此，焊前冷作硬化程度越高，焊后軟化的程度越大。板件越薄，這種影響越顯著。冷作硬化薄板鋁合金的強(qiáng)化效果，焊后可能全部喪失。,(2) 時效強(qiáng)化鋁合金HAZ的軟化 主要是焊接熱影響區(qū)“過時效”軟化，這是熔焊條件下很難避免的。軟化程度決定于合金第二相的性質(zhì)，也與焊接熱循環(huán)有一定關(guān)系。第二相越易于脫溶析出并易于聚集長大時，就越容易發(fā)生“過時效”。,圖5-12 Al-Cu-Mg（2A12）合金焊接 熱影響區(qū)的硬度變化（手工TIG）,圖5-13 Al-4.5Zn-1.2Mg合金焊接熱影響區(qū)的硬度變化（焊前自然時效，MIG） Tm峰值溫度 1、2、3、4表示不同的焊后自然 時效時間 13h 24d 330d 490d,2 軟化的控制措施 采取的措施主要是制定符合特定材料的焊接工藝。對于焊后軟化不能恢復(fù)的鋁合金，最好采用退火或在固溶狀態(tài)下焊接，焊后在進(jìn)行熱處理；如不允許焊后熱處理，則應(yīng)采用能量集中的焊接方法和小的焊接熱輸入，以減小接頭強(qiáng)度的損失。,1. 焊接方法 鋁及鋁合金具有較好的冷熱加工性能和焊接性，可以采用常規(guī)的熔焊方法進(jìn)行焊接。常用的焊接方法有氬弧焊（TIG、MIG）、等離子弧焊、電阻焊和電子束焊等。也可采用冷壓焊、超聲波焊、釬焊等。熱功率大、能量集中和保護(hù)效果好的焊接方法對鋁及鋁合金的焊接較為合適。氣焊和電弧焊在鋁合金焊接中已逐漸被氬弧焊（TIG、MIG）取代，僅用于修復(fù)和焊接不重要的焊接結(jié)構(gòu)。,8.3 鋁及鋁合金的焊接工藝,(2) 鎢極氬弧焊（TIG焊） 適于焊接厚度小于3mm的鋁及鋁合金薄板，工件變形明顯小于氣焊。交流TIG焊具有去除氧化膜的清理作用，不用熔劑，避免了焊后熔劑殘渣對接頭的腐蝕，接頭形式不受限制，焊縫成形良好、表面光亮。氬氣流對焊接區(qū)的沖刷使接頭冷卻加快，改善了接頭的組織性能，適于全位置焊接。由于不用熔劑，焊前清理要求比其他焊接方法嚴(yán)格。,脈沖TIG焊擴(kuò)大了氬弧焊的應(yīng)用范圍，特別適用于焊接鋁合金精密零件。增加脈沖可減小熱輸入，有利于薄鋁件的焊接。交流脈沖TIG焊有加熱速度快、高溫停留時間短、對熔池有攪拌作用的特點，焊接薄板、硬鋁可得到滿意的結(jié)果。對仰焊、立焊、管子全位置焊、單面焊雙面成形等，也可得到較好的焊接效果。,(3) 熔化極氬弧焊（MIG焊） 與TIG焊相比，MIG焊可焊的鋁合金厚度明顯增大，而且焊接效率高，適合于自動化生產(chǎn)。 MIG焊用于焊接鋁及鋁合金時通常采用直流反極性，焊接薄、中等厚度板材時，可用純Ar作保護(hù)氣體；焊接厚大件時，采用（Ar+He）混合氣體，也可采用純He保護(hù)。焊前一般不預(yù)熱，板厚較大時，也只需預(yù)熱起弧部位。,脈沖MIG焊可以將熔池控制的很小，容易進(jìn)行全位置焊接，尤其焊接薄板、薄壁管的立焊縫、仰焊縫和全位置焊縫是一種較理想的焊接方法。脈沖MIG焊電源是直流脈沖，脈沖TIG焊的電源是交流脈沖。,2. 焊接材料 鋁及鋁合金焊絲分為同質(zhì)焊絲和異質(zhì)焊絲兩大類。 選擇焊絲首先要考慮焊縫成分要求，還要考慮抗裂性、力學(xué)性能、耐蝕性等。,3、焊接參數(shù),焊接鋁及鋁合金最適宜的是交流TIG焊和交流脈沖TIG焊。有時也采用直流反接TIG焊方法來焊接鋁，這種方法對連續(xù)焊或補(bǔ)焊壁厚2.4mm以下的鋁合金件仍有著熔深淺、電弧易控制等優(yōu)點。表5-11為純鋁、鋁鎂合金手工TIG焊的工藝參數(shù)。為了防止起弧處及收弧處產(chǎn)生裂紋等缺陷，有時需要加引弧板和引出板。當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒，鎢極端部被加熱到一定的溫度后，才能將電弧移入焊接區(qū)。自動TIG焊的工藝參數(shù)見表5-12。,表5-11 純鋁、鋁鎂合金手工TIG焊的工藝參數(shù),表5-12 自動TIG焊的工藝參數(shù),鋁及鋁合金交流脈沖TIG焊的工藝參數(shù)見表5-13。鋁及鋁合金TIG焊的缺陷及防止措施見表5-14。,表5-13 鋁及鋁合金交流脈沖TIG焊的工藝參數(shù),根據(jù)焊件厚度選擇坡口尺寸、焊絲直徑和焊接電流等工藝參數(shù)。表5-15為純