鋁合金焊接性分析

1、1 緒論 鋁及鋁合金原來(lái)只有皇帝用的起的有色金屬，不僅在我們的日常生活中起著重要的作用。而且隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展其應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊。特別是近代工業(yè)對(duì)工業(yè)材料的要求越來(lái)越向著質(zhì)量輕強(qiáng)度高、易加工的方向發(fā)展。而鋁及鋁合金材料具有這一系列的優(yōu)良特性，因此被廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、交通運(yùn)輸、電子通訊、建筑裝飾、包裝容器、機(jī)械電氣、石油化工、能源動(dòng)力、家電五金、文體衛(wèi)生等行業(yè)，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)與提高人民物質(zhì)生活和文化生活水平的重要基礎(chǔ)材料。1.1國(guó)內(nèi)鋁合金發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)近二十年來(lái)，我國(guó)的鋁加工業(yè)發(fā)展十分迅速，其產(chǎn)量已從1980年不到30萬(wàn)噸，發(fā)展到2005年的583.7萬(wàn)噸。同時(shí)

2、，出現(xiàn)了許多的新材料、新技術(shù)、新工藝及新設(shè)備。我國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的鋁業(yè)大國(guó)。鋁及鋁合金滲透到了社會(huì)的各個(gè)角落。鋁合金保持了質(zhì)輕的特點(diǎn)，但機(jī)械性能明顯提高。鋁合金材料在日常生活中的應(yīng)用有以下三個(gè)方面：一是作為受力構(gòu)件；二是作為門窗、管、蓋、殼等的材料；三是作為裝飾材料和絕緣材料。鋁合金板材、型材表面可以進(jìn)行防腐、軋花、噴涂、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材。另外鋁合金具有易加工和高的散熱性，特別是車輛的引擎部分特別適合使用鋁合金材料。此外，在航空航天方面，它是運(yùn)載火箭和各種航天器的主要結(jié)構(gòu)材料。我國(guó)研制的神舟五號(hào)的氫氧推進(jìn)劑的儲(chǔ)藏箱、乘務(wù)員倉(cāng)也都采用了鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料。我國(guó)研制的各種大型運(yùn)載

3、火箭亦廣泛的選用了鋁合金作為主要的結(jié)構(gòu)材料。放眼未來(lái)，鋁及鋁合金家族會(huì)不斷的壯大，你會(huì)在社會(huì)的各個(gè)方面見(jiàn)到它的身影。其應(yīng)用前途不可估量。1.2鋁合金應(yīng)用中的問(wèn)題 由于鋁及鋁合金所具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的困難和特點(diǎn)，具體的表現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：1.強(qiáng)的氧化能力 鋁和氧的親和力很大，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密的氧化鋁薄膜。氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2050，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋁合金的熔點(diǎn)，而且密度約為鋁的1.4倍。在焊接的過(guò)程中氧化鋁薄膜阻礙了金屬之間的良好結(jié)合，易造成夾雜。而且氧化膜還會(huì)吸收水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。因此，為保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過(guò)程

4、中再氧化，對(duì)融化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效保護(hù)。2.有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容 鋁和鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)比熱容都很大。因此，焊接鋁及鋁合金比鋼要消耗更多的能量。為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭必須采用能量集中、功率大的熱源。有時(shí)采用預(yù)熱等工藝措施。3.焊接熱裂紋傾向大 鋁及鋁合金的系膨脹系數(shù)約為鋼的兩倍，凝固時(shí)收縮率大，因此在接頭中容易形成較大的拘束應(yīng)力。因此，焊接某些鋁合金時(shí)，往往由于過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋。4.焊縫容易產(chǎn)生氣孔 在焊接高溫下，焊接區(qū)周圍的水、油、空氣中的水分等侵入焊接電弧中很容易分解成氫原子或質(zhì)子，融入過(guò)熱熔融金屬中。由于氫在液態(tài)和固態(tài)鋁中的溶解度相差很大（近20倍

5、），因此，高溫下融入的大量氣體，在焊后冷卻凝固過(guò)程中來(lái)不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。5.焊接接頭的力學(xué)性能下降 對(duì)于熱處理強(qiáng)化鋁合金，無(wú)論焊前是時(shí)效狀態(tài)還是退火狀態(tài)，焊后接頭的力學(xué)性能都比母材低。即使焊后進(jìn)行人工時(shí)效，往往也達(dá)不到焊前母材的水平。6.焊接接頭耐蝕性下降 鋁及鋁合金焊接接頭耐蝕性降低的主要原因是：接頭的組織不均勻；焊接接頭存在有焊接缺陷；焊縫金屬鑄造組織的影響和焊接應(yīng)力的影響。本設(shè)計(jì)是以7a10超硬鋁合金為例，來(lái)對(duì)鋁及鋁合金的焊接性進(jìn)行分析。7a10超硬鋁合金主要應(yīng)用與飛機(jī)蒙皮、螺釘、防彈材料以及受力構(gòu)件如大梁桁條、隔框、翼肋、起落架等。2. 7a10鋁合金的焊接性分析2.1

6、 7a10鋁合金的化學(xué)成分表2-1 7a10的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）牌號(hào)alznmgcumncrsifetizr其他合計(jì)7a10余量3.24.23.04.00.501.00.200.350.100.200.30.30.10.052.2 7a10鋁合金中合金元素和雜質(zhì)元素的作用7a10是一種超硬鋁合金，屬于鋁銅鎂鋅合金系。它是目前室溫強(qiáng)度最高的一類鋁合金，其強(qiáng)度到500700mpa,超過(guò)高強(qiáng)度硬鋁ly12合金，故稱超硬鋁合金。這類金屬除了超度高外，韌性也很高，它主要生產(chǎn)板材，管材和鍛件等，用于紡織工業(yè)及防彈材料等。alcumgzn合金為熱處理可強(qiáng)化合金，起主要強(qiáng)化作用的元素為zn和mg，cu

7、也有一定強(qiáng)化效果，但其主要作用是為了提高材料的抗腐蝕性能。mg和zn: zn、mg是主要強(qiáng)化元素，它們共同存在時(shí)會(huì)形成（mgzn2）和t(al2mg2zn3)相。相和t相在al中溶解度很大，且隨溫度升降劇烈變化，mgzn2在共晶溫度下的溶解度達(dá)28%，在室溫下降低到4%5%,有很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果，zn和mg含量的提高可使強(qiáng)度、硬度大大提高，但會(huì)使塑性、抗應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性降低。cu： 當(dāng)zn/mg比大于2.2，且cu含量大于mg時(shí)，cu與其他元素能產(chǎn)生強(qiáng)化相s(cumg al2)而提高合金的強(qiáng)度，但在與之相反的情況下s相存在的可能性很小。cu能降低晶界與晶內(nèi)電位差，還可以改變沉淀相結(jié)構(gòu)和細(xì)

8、化晶界沉淀相，但對(duì)pfz的寬度影響較小，它可抑制沿晶開(kāi)裂的趨勢(shì)，因而改變了合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。然而當(dāng)cu含量大于3%時(shí)，合金的抗蝕性反而變壞。cu能提高合金過(guò)飽和程度，加速合金在100200之間人工時(shí)效過(guò)程，擴(kuò)大gp區(qū)的穩(wěn)定溫度范圍，提高抗拉強(qiáng)度、塑性和疲勞強(qiáng)度。cu含量在不太高的范圍內(nèi)隨著cu含量的增加提高了周期應(yīng)變疲勞能力和斷裂韌性，并在腐蝕介質(zhì)中降低裂紋擴(kuò)展速率，但cu的加入有產(chǎn)生晶間腐蝕和點(diǎn)腐蝕的傾向。cu對(duì)斷裂韌性的影響與znmg比值有關(guān)，當(dāng)比值較小時(shí)，cu含量愈高韌性愈差；當(dāng)比值較大時(shí)，即使cu含量較高，韌性仍然很好。合金中還有少量的mn、cr、zr、v、ti、b等微量元素，fe

9、和si在合金中是有害雜質(zhì)，其相互作用如下。mn、cr： 添加少量的過(guò)度元素mn、cr等對(duì)合金的組織和性能有明顯的影響。這些元素可在鑄錠均勻化退火時(shí)產(chǎn)生彌散的質(zhì)點(diǎn)，阻止位錯(cuò)及晶界的遷移，從而提高再結(jié)晶溫度，有效地阻止了晶粒的長(zhǎng)大，可細(xì)化晶粒，并保證組織在熱加工及熱處理后保持未再結(jié)晶或部分再結(jié)晶狀態(tài)，使強(qiáng)度提高的同時(shí)具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。在提高抗應(yīng)力腐蝕性能方面，加cr比加mn效果好，加入0.45%的cr比加同量的mn抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂壽命長(zhǎng)幾十至上百倍。zr： 最近出現(xiàn)了用zr代替cr和mn的趨勢(shì)，zr可大大提高合金的再結(jié)晶溫度，無(wú)論是熱變形還是冷變形，在熱處理后均可得到未再結(jié)晶組織，zr還可提

10、高合金的淬透性、可焊性、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能等，是alcumgzn系合金中很有發(fā)展前途的微量添加元素。fe和si： fe和si在7a10鋁合金中是不可避免存在的有害雜質(zhì)，其主要來(lái)自原材料，以及熔煉、鑄造中使用的工具和設(shè)備。這些雜質(zhì)主要以硬而脆的feal3和游離的si形式存在，這些雜質(zhì)還與mn、cr形成（femn）al6、（femn）si2al6、al（femncr）等粗大化合物，feal3有細(xì)化晶粒的作用，但對(duì)抗蝕性影響較大，隨著不溶相含量的增加，不溶相的體積百分?jǐn)?shù)也在增加，這些難溶的第二相在變形時(shí)會(huì)破碎并拉長(zhǎng)，出現(xiàn)帶狀組織，粒子沿變形方向呈直線狀排列，由短的互不相連的條狀組成。由于雜質(zhì)顆

11、粒分布在晶粒內(nèi)部或者晶界上，在塑性變形時(shí)，在部分顆粒-基體邊界上發(fā)生孔隙，產(chǎn)生微細(xì)裂紋，成為宏觀裂紋的發(fā)源地，同時(shí)它也促使裂紋的過(guò)早發(fā)展。此外，它對(duì)疲勞裂紋的成長(zhǎng)速度有較大的影響，在破壞時(shí)它具有一定的減少局部塑性的作用，這可能和由于雜質(zhì)數(shù)量增加使顆粒之間的距離縮短，從而減少裂紋尖端周圍塑性變形流動(dòng)性的有關(guān)。因?yàn)楹琭e、si的相在室溫下很難溶解，起到缺口作用，容易成為裂紋源而使材料發(fā)生斷裂，對(duì)伸長(zhǎng)率，特別對(duì)合金的斷裂韌性有非常不利的影響。因此，7a10鋁合金在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)時(shí)，對(duì)fe、si的含量要嚴(yán)格控制。2.3 7a10鋁合金焊接裂紋的種類及產(chǎn)生原因7a10鋁合金焊接接頭中的焊接裂紋屬于熱裂紋，它

12、主要是由于晶界上的合金元素偏析或低熔點(diǎn)物質(zhì)引起的。熱裂紋又可分為結(jié)晶裂紋和液化裂紋。結(jié)晶裂紋是在焊縫金屬處于狀態(tài)圖的結(jié)晶溫度范圍的低溫區(qū)時(shí)，在凝固收縮應(yīng)力或外力的作用下產(chǎn)生的；液化裂紋是在熱影響區(qū)中，被加熱到高溫的晶界在凝固時(shí)的收縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。7a10鋁合金焊接接頭中的焊接裂紋主要為結(jié)晶裂紋，其形態(tài)可分為：縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋。由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，熔池金屬冷卻凝固速度很快；同時(shí)，由于鋁合金的高溫強(qiáng)度低、塑性差、線膨脹系數(shù)和體積收縮率大，鋁合金熱脹冷縮現(xiàn)象比較劇烈，在焊接過(guò)程中，容易產(chǎn)生較大的焊接變形和焊接應(yīng)力。因此，對(duì)于剛性較大的結(jié)構(gòu)件，在快速凝固過(guò)程中，

13、往往由于過(guò)大的收縮熱應(yīng)力而在焊縫和熱影響區(qū)等部位產(chǎn)生裂紋。2.4 7a10鋁合金焊接裂紋影響因素7a10鋁合金焊接接頭中的焊接裂紋影響因素：（1）焊絲合金化學(xué)成分選擇不合理。當(dāng)焊縫中mg的含量小于3%或fe、si雜質(zhì)含量超出規(guī)定時(shí)，裂紋傾向增大（2）焊絲的熔化溫度偏高時(shí)會(huì)引起熱影響區(qū)液化裂紋；（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理 ，焊縫過(guò)于集中或 受熱區(qū)溫度過(guò)高，造成接頭拘束應(yīng)力過(guò)大；（4）高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，組織過(guò)熱；（5）弧坑沒(méi)填滿，出現(xiàn)弧坑裂紋。為了預(yù)防焊接裂紋，保證焊縫質(zhì)量，可以從焊接方法的選擇、焊接材料及尺寸的選擇、焊前清理、焊前預(yù)熱、焊接工藝規(guī)范的選擇以及焊接操作等幾方面采取措施。2.5 7a10超硬

14、鋁合金焊接氣孔產(chǎn)生的原因7a10超硬鋁合金焊接過(guò)程中，焊縫中的氣孔主要由氫引起，焊接時(shí)所溶解的氫是凝固過(guò)程中產(chǎn)生氣孔的根源。大量試驗(yàn)表明，氣孔缺陷產(chǎn)生的主要原因有以下幾方面：（1）氬氣純度低或氬氣管路中有水分、漏氣等；（2）焊絲或母材坡口附近焊前未清理干凈或清理后又被二次污染；（3）焊接電流和焊速過(guò)大或過(guò)?。唬?）熔池保護(hù)欠佳，電弧不穩(wěn)定，電弧過(guò)長(zhǎng)，鎢極伸出過(guò)長(zhǎng)；（5）焊件坡口尺寸選擇不合理。 以上分析了7a10超硬鋁合金的焊接性，7a10超硬鋁合金焊接過(guò)程中主要是裂紋和氣孔兩大缺陷。為了預(yù)防焊接氣孔和裂紋的產(chǎn)生，保證焊縫質(zhì)量，可以從焊接方式的選擇、焊絲材料和尺寸規(guī)格的選擇、焊前清理、焊前預(yù)熱

15、、焊接工藝規(guī)范的選擇以及焊接操作等幾方面采取措施。3 7a10鋁合金焊接裂紋的預(yù)防措施 對(duì)于焊縫的結(jié)晶裂紋，目前主要通過(guò)選擇合適的焊接方法、焊絲材料，以及采用適當(dāng)?shù)暮附庸に囈?guī)程和操作來(lái)進(jìn)行控制。3.1 選擇合適的焊接方式鑒于7a10鋁合金焊接特性，經(jīng)過(guò)分析比較，采用非熔化極氬弧焊效果較好。因?yàn)榉侨刍瘶O氬弧焊（tig）它是利用鎢極和工件之間形成電弧產(chǎn)生的大量的熱量熔化焊處，外加填充焊絲獲得牢固的焊接接頭。氬弧焊焊鋁是利用其“陰極霧化”特點(diǎn)，自動(dòng)去除氧化膜。鎢極及焊縫區(qū)域由噴嘴中噴出的惰性氣體屏蔽保護(hù)，防止焊縫區(qū)和周圍空氣反應(yīng)。tig焊工藝最適于焊接厚度小于3毫米的薄板，工件變形明顯小。交流tig

16、焊有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔劑，避免了殘留溶劑焊渣對(duì)接頭的腐蝕。接頭形式可以不受限制，焊縫成型美觀，表面光亮。氬氣流對(duì)焊接區(qū)的沖刷使接頭冷卻加快，改善了接頭的組織和性能。因此，在焊接時(shí)我們盡量的選用交流tig焊。3.2 選擇合適材質(zhì)的焊絲合適的焊絲化學(xué)成分能夠獲得致密而細(xì)晶的焊縫，不僅在焊接時(shí)有抵抗結(jié)晶裂紋形成的能力，而且使焊接接頭具有很高的力學(xué)性能和抗腐蝕破裂的性能。 在選擇焊絲時(shí)首先要考慮基體合金的化學(xué)成分。通常，焊絲的化學(xué)成分與基體合金的化學(xué)成分應(yīng)有差別，焊絲在液態(tài)應(yīng)該具有良好的流動(dòng)性，結(jié)晶速度比基體合金的緩慢一些，熔點(diǎn)較低一些，并有很高的抵抗結(jié)晶裂紋形成的能力。根據(jù)7a10鋁合

17、金的焊接特性可選用hs311鋁合金焊絲，hs311合金焊絲的si含量適當(dāng)，液態(tài)時(shí)金屬的流動(dòng)性好，凝固時(shí)的收縮率小(可相應(yīng)地減少收縮應(yīng)力)，具有優(yōu)良的抗裂性能，可顯著減低7a10鋁合金焊縫處金屬的裂紋敏感性；此外，si在-al中的溶解度不大，絕大部分在564形成al-si共晶，從而大大縮小脆性溫度區(qū)間，使焊接熱裂紋傾向降低；同時(shí)，由于這種焊絲具有足夠數(shù)量的低熔點(diǎn)共晶，可填充液態(tài)金屬收縮時(shí)引起的空隙，進(jìn)而降低焊接熱裂紋傾向性。在焊絲中可加入微量的zr，作為變質(zhì)劑，可以細(xì)化焊縫處金屬晶粒，改善焊縫處金屬的塑性和韌性，顯著提高焊接接頭的抗裂性能。3.3 選擇合適的焊接工藝規(guī)范在確定焊接工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)先

18、根據(jù)焊件厚度選擇焊絲直徑、坡口尺寸及焊接電流等工藝參數(shù)。（1）噴嘴孔徑與保護(hù)氣體流量 鋁及鋁合金tig焊的噴嘴孔的直徑未522mm保護(hù)氣體流量一般為515min。（2）鎢極伸出長(zhǎng)度及噴嘴至工件的距離 鎢極伸出長(zhǎng)度對(duì)接焊縫時(shí)一般未56mm，角焊縫時(shí)一般為78mm.噴嘴到工件的距離一般取10mm左右為宜。（3）焊接電流和電壓 手工tig焊時(shí)采用交流電源，焊接厚度小于6mm的鋁合金時(shí)，最大焊接電流可根據(jù)電機(jī)直徑d按公式i=(6065)d。（4）焊接速度 鋁及鋁合金采用tig焊時(shí)，為了減少變形應(yīng)采用較快的焊速一般為812m/min。（5）焊絲直徑 焊絲直徑與板厚和電流成正比。3.4 正確執(zhí)行焊接操作（

19、1）焊前預(yù)熱 焊前最好不進(jìn)行預(yù)熱，因?yàn)轭A(yù)熱可以加大熱影響區(qū)的寬度，降低某些鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能。但對(duì)于厚度超過(guò)58毫米的厚大件焊前需預(yù)熱，以防止變形和未焊透減少氣孔缺陷。通常預(yù)熱到90度，而含4.0%5.0%mg鋁鎂合金的預(yù)熱溫度不應(yīng)超過(guò)90度。（2）焊接結(jié)束后制件應(yīng)裝爐，隨爐緩冷。這樣可降低熔化金屬的冷卻速度，使熔池金屬凝固速度降低，降低焊接應(yīng)力與焊接變形，從而防止產(chǎn)生焊接裂紋。3.5 改善焊接操作環(huán)境和提高操作人員的技術(shù)水平 鋁合金氬弧焊接應(yīng)盡量在干燥、清潔、少干擾的環(huán)境下進(jìn)行。要求焊接時(shí)的環(huán)境溫度不大于30，相對(duì)濕度不大于75%。應(yīng)使用高純度氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣中的含水量應(yīng)小于0.

20、08%，露點(diǎn)控制在-50以下。氬氣的管路也要保持干燥。另外，由于鋁合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，無(wú)明顯變形及顏色變化，使操作者難以掌握加熱溫度，給焊接操作帶來(lái)很大的難度。因此，應(yīng)加強(qiáng)操作人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高操作人員的技術(shù)水平。4 7a10超硬鋁合金焊接氣孔的預(yù)防措施4.1 合理選擇焊接方式及焊接工藝規(guī)范7a10超硬鋁合金焊接方法的選擇應(yīng)根據(jù)其焊接特性、焊接厚度、生產(chǎn)條件以及對(duì)焊接質(zhì)量的要求綜合考慮。鑒于前面所述7a10超硬鋁合金焊接特性，經(jīng)過(guò)比較分析，采用交流鎢極氬弧焊（tig焊）效果較好。tig焊，主要是熔池金屬表面與氣體氫的反應(yīng)，因?yàn)楸缺砻娣e小，熔池溫度低于弧柱溫度，吸收的氫量就小于mig焊接。

21、另外，交流tig焊具有電弧挺度好，熔透性好，焊接應(yīng)力小、焊接變形小，焊縫抗腐蝕性能好，強(qiáng)度與韌性好，焊接時(shí)間短，熱輸入集中等特點(diǎn)，適合于7a10超硬鋁合金焊接。制定合理的焊接工藝是改善焊縫質(zhì)量、提高焊接性能的重要手段，主要應(yīng)從以下幾方面入手：（1）在7a10超硬鋁合金焊接過(guò)程中，盡量采用大輸入熱量(取決于焊接電流及焊接速度)。如適當(dāng)加大焊接電流、減緩焊接線速度，以此提高熔融金屬溫度，降低結(jié)晶速度，延長(zhǎng)熔池處于高溫液態(tài)下的時(shí)間，可使熔池金屬中氣體有充分時(shí)間逸出。適當(dāng)加大焊接電流，還能改善坡口根部的焊透程度以及增強(qiáng)熔池的攪動(dòng)，因而使根部的氣泡容易逸出。同時(shí)，加大焊絲送進(jìn)速度和電弧電壓，或降低焊接線

22、速度等措施，可使熔池金屬充分熔融而改善焊縫熔合狀況。（2）合理選擇氬氣流量可用較少的氬氣獲得保護(hù)良好的焊縫。適當(dāng)增大氬氣流量可以增強(qiáng)氣流挺度，增強(qiáng)氬氣保護(hù)層抵抗空氣流動(dòng)影響的能力和抵抗由于焊接速度的增大而受到增大的空氣阻力的能力。但氬氣流量不宜過(guò)大，否則，氬氣保護(hù)層會(huì)產(chǎn)生渦流，反而卷入空氣，降低保護(hù)效果并影響焊接電弧的穩(wěn)定和使熔池發(fā)生波動(dòng)，因而增加焊縫產(chǎn)生氣孔的幾率。4.2 合理選擇焊絲材料及尺寸規(guī)格 7a10超硬鋁合金焊接過(guò)程中，焊絲材質(zhì)和尺寸規(guī)格以及氬氣的選擇是影響焊接質(zhì)量的十分重要的因素。為了保證焊接質(zhì)量，在焊接過(guò)程中我們盡量采用以下措施： （1）合理選擇焊絲化學(xué)成分是防止焊接氣孔及提高

23、焊縫強(qiáng)度、塑性、抗蝕性的重要保證。7a10超硬鋁合金屬于al-zn-mg-cu系合金，含有較多的鋅、鎂、銅等，可焊性差，焊縫塑性差，不能采用基體金屬作為焊絲。根據(jù)母材和焊絲匹配的原則。以及7a10超硬鋁合金的焊接特性可選用al-si系的hs311焊絲。它屬于通用焊絲。焊后焊縫的強(qiáng)度能達(dá)到母材的50%-60%。 （2）7a10超硬鋁合金氬弧焊接過(guò)程中，宜采用高純度的氬氣，純度一般應(yīng)大于99.9%，在使用前必須對(duì)氬氣進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。為了防止起弧處產(chǎn)生裂紋等缺陷有時(shí)需增加引弧邊和熄弧板。當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，然后再正式開(kāi)始焊接。氬氣管路系統(tǒng)要保持干燥，不得有泄露現(xiàn)象。4.3 認(rèn)真進(jìn)行焊前清理認(rèn)真進(jìn)行焊前清

24、理是控制焊縫氣孔缺陷十分重要的措施。所有的焊接材料，包括保護(hù)氣體、焊絲、焊條；焊劑等，要嚴(yán)格的限制含水量，使用前必須干燥處理。焊絲及母材的表面氧化膜應(yīng)徹底清除，采用化學(xué)方法和機(jī)械方法均可，若能兩者并用更好。清理的具體注意事項(xiàng)如下：（1）化學(xué)清理 化學(xué)清理效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及尺寸不大，批量生產(chǎn)的工件。小型工件可采用侵洗發(fā)。焊絲清洗后可放在150-200烘箱內(nèi)烘焙0.5個(gè)小時(shí)，然后存放在100的烘箱內(nèi)隨用隨取。經(jīng)過(guò)清理的部件和焊絲，應(yīng)妥善保護(hù)，焊絲應(yīng)置于干燥而清潔的環(huán)境中，清理后應(yīng)盡快焊接，從清理到焊接的間隔時(shí)間應(yīng)在24h內(nèi)。若間隔時(shí)間超過(guò)24h，必須重新清理。（2）機(jī)械清理 通常選

25、用丙酮或汽油擦洗表面油污，然后可根據(jù)零件形狀采用切削方法如使用風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)銑刀，也可使用刮刀與工具。對(duì)于較薄的氧化膜可采用不銹鋼的鋼絲刷清理表面，不宜采用紗布、砂紙或砂輪打磨。（3）焊絲表面若有氣孔、大面積劃傷痕跡，或有破碎和腐蝕斑點(diǎn)，則不得使用。焊前將焊絲整齊地盤繞在焊絲盤上，盤絲時(shí)須帶線手套。5 7a10鋁合金的焊接工藝本論文以厚度為3mm的7a10超硬鋁合金母材為例來(lái)介紹焊接工藝的擬定。5.1 焊接方法的選擇由以上分析可知，7a10超硬鋁合金的焊接性很差，經(jīng)過(guò)分析比較，采用交流tig焊的效果較好。因?yàn)榻涣鱰ig焊和其他的焊接方法比，具有以下特點(diǎn)：（1）交流tig焊具有“陰極霧化”的特點(diǎn)，自

26、行去除氧化膜。防止產(chǎn)生熱裂紋等；（2）可以得到高質(zhì)量的焊接接頭；（3）幾乎不用對(duì)焊接表面進(jìn)行焊后處理；（4）無(wú)飛濺產(chǎn)生；（5）操作者可以自由控制根部焊道的焊縫熔深，（6）熱量集中，電弧穩(wěn)定， 變形量小。5.2 焊接材料的選擇按照焊縫強(qiáng)度與母材相強(qiáng)度匹配的原則，選用al-si系的hs311就可滿足要求。5.3 接頭形式及坡口的設(shè)計(jì)本論文選用3mm的母材，經(jīng)查資料得到，選用i型坡口既簡(jiǎn)單又容易施焊。其坡口的尺寸如焊接工藝指導(dǎo)書的簡(jiǎn)圖。5.4 焊接參數(shù)的選擇焊接參數(shù)的選擇對(duì)焊縫的成形及對(duì)缺陷的防治有重要的影響。在tig焊中影響最大的有以下幾個(gè)方面：1）噴嘴孔徑與保護(hù)氣體流量 鋁及鋁合金tig焊的噴嘴

27、孔的直徑為522mm保護(hù)氣體流量一般為515l/min。本操作中要求保護(hù)氣體的流量為812l/min。2）鎢極伸出長(zhǎng)度及噴嘴至工件的距離 鎢極伸出長(zhǎng)度對(duì)接焊縫時(shí)一般未56mm，角焊縫時(shí)一般為78mm.噴嘴到工件的距離一般取10mm左右為宜。3）焊接電流和電壓 與板厚、接頭形式、焊接位置及焊工的技術(shù)水平有關(guān)。手工tig焊時(shí)采用交流電源，焊接厚度小于6mm的鋁合金時(shí)，最大焊接電流可根據(jù)電機(jī)直徑d按公式i=(6065)d電弧電壓主要由弧長(zhǎng)決定，通常使弧長(zhǎng)近似等于鎢極直徑比較合理。4）焊接速度 焊接時(shí)，焊縫獲得的熱輸入量反比于焊接速度。在其他條件不變的情況下，焊接速度越小，熱輸入量越大，則焊接凹陷深度

28、a、熔透深度 s、熔寬c都相應(yīng)增大。反之則參數(shù)減小。鋁及鋁合金采用tig焊時(shí)，為了減少變形，應(yīng)采用較快的焊速。手工tig焊一般時(shí)焊工根據(jù)熔池大小、熔池形狀和兩側(cè)融合情況隨時(shí)調(diào)整。焊接速度一般為812m/min。5）焊絲直徑 一般由板厚和焊接電流確定，焊絲直徑與板厚和電流成正比。6）焊絲傾角一般為10度左右，不大于15度且由右向左焊即左道焊。如下圖所示：交流電特點(diǎn)是負(fù)半波（工件為負(fù)）時(shí)，有陰極清理作用，正半波時(shí)，鎢極因發(fā)熱量低，不易融化。為了獲得足夠的熔深和防止咬邊、焊道過(guò)寬和隨之而來(lái)的焊縫外形失控，必須維持短的電弧長(zhǎng)度，電弧長(zhǎng)度大約等于鎢極直徑。5.5 焊前準(zhǔn)備（1）化學(xué)清理化學(xué)清理效率高，質(zhì)

29、量穩(wěn)定，適用于清理焊絲以及尺寸不大、批量生產(chǎn)的工件。小型工件可采用浸洗法。焊絲清洗后可在150200烘箱內(nèi)烘焙0.5小時(shí)，然后存放在100烘箱內(nèi)隨用隨取。清洗過(guò)的焊件不準(zhǔn)隨意亂放，應(yīng)立即進(jìn)行裝配、焊接。一般不要超過(guò)24小時(shí)。已超過(guò)24小時(shí)的，焊前采用機(jī)械方法清理后再進(jìn)行裝配、焊接。（2）機(jī)械清理通常先用丙酮或汽油摩擦表面油污，然后可根據(jù)零件的形狀采用切削方法，如使用風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)銑刀，等工具。對(duì)較薄的氧化膜可采用不銹鋼的鋼絲刷清理表面，不宜采用紗布或砂紙打磨。工件和焊絲清洗后不及時(shí)裝配，工件表面會(huì)重新氧化，特別是在潮濕的環(huán)境中。（3）焊前預(yù)熱焊前最好不進(jìn)行預(yù)熱，因?yàn)轭A(yù)熱可加大熱影響區(qū)的寬度，降低某

30、些鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能。但對(duì)于厚度超過(guò)58毫米的厚大件焊前需預(yù)熱，以防止變形和未焊透減少氣孔缺陷。通常預(yù)熱到90，而含4.0%5.0%mg鋁鎂合金的預(yù)熱溫度不應(yīng)超過(guò)90。由于本工藝采用的是3mm的薄板焊接。因此焊前可不用預(yù)熱。本論文的焊接工藝指導(dǎo)書如下：5.6 焊接工藝指導(dǎo)書單位名稱 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校材料工程系焊接技術(shù)及自動(dòng)化052班 焊接工藝指導(dǎo)書編號(hào) gy001 _日期 4月28 日 焊接工藝評(píng)定報(bào)告編號(hào) pd001 _焊接方法 交流tig焊 機(jī)械化程度 手工 焊接接頭： 坡口形式 _ i型坡口 _ 襯墊（材料及規(guī)格 其他 _ _簡(jiǎn)圖： 母 材： 7a10 與 7a10 相焊 厚度

31、范圍： 母材：對(duì)接焊縫 3mm 角焊縫 管子直徑、壁厚范圍：對(duì)接焊縫 角焊縫 焊縫金屬厚度范圍： 對(duì)接焊縫 角焊縫 其他 焊接材料:焊材類別 焊絲焊材標(biāo)準(zhǔn) 填充金屬尺寸2焊材型號(hào) salsi-1焊材牌號(hào) hs311其他耐蝕堆焊金屬化學(xué)成分(%) csimnpscrnimovtinb其他:焊接位置 對(duì)接焊縫位置 平焊 焊接方向：（向上、向下） 角焊縫位置 焊接方向：（向上、向下） 焊后熱處理：溫度范圍（） 保溫時(shí)間（h） 預(yù)熱:預(yù)熱 () (允許最低值) 可不預(yù)熱 層間溫度(oc)(允許最高值) _ _ 保持預(yù)熱時(shí)間 加熱方式 保護(hù)氣體:氣體種類 混合比 流量(l/min)保護(hù)氣 氬氣 99.9

32、 8 12 尾部保護(hù)氣 背面保護(hù)氣 電特性:電流種類: 交流 極性: 焊接電流范圍:(a) 150180 電弧電壓(v): 2123 (按所焊位置和厚度,分別列出電流電壓范圍,記入下表)焊道/焊層焊接方法填充材料焊接電源電弧電壓(v)焊接速度(cm/min)線能量(kj/cm)牌號(hào)直徑極性待添加的隱藏文字內(nèi)容1電流 (a)1手工tig焊hs3112mm交流1501802228387.0鎢極類型及直徑r: 鈰鎢極3mm 噴嘴直徑 (mm): 10mm 熔滴過(guò)渡形式: 射流過(guò)度 焊絲送進(jìn)速度 (cm/min): 2838 技術(shù)措施:擺動(dòng)焊或不擺動(dòng)焊: 不擺動(dòng) 擺動(dòng)參數(shù): 焊前清理和層間清理: 背面

33、清根方法: 機(jī)械清根 單道焊或多道焊（每面）: 正一 單絲焊或多絲焊： 單絲焊 導(dǎo)電嘴至工件距離(mm) 10 錘擊: 其他：編制何旭峰日期4月28日審核日期批準(zhǔn)日期6 7a10鋁合金工藝評(píng)定書6.1 試件的制備用機(jī)械加工的方法制備100505的7a10超硬鋁合金焊接試件，根據(jù)力學(xué)性能和彎曲性能試驗(yàn)的項(xiàng)目試件的取樣數(shù)量如下表所示：表6-1力學(xué)性能和彎曲性能試驗(yàn)項(xiàng)目和取樣數(shù)量試件母材的厚度t，mm試驗(yàn)項(xiàng)目和取樣數(shù)量，個(gè)拉伸試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)拉伸面彎背彎側(cè)彎焊縫區(qū)熱影響區(qū)4t 1.5222-1.5 t 10222-3310 t 20222333t 202-433本工藝的母材厚度為5mm，所以應(yīng)選

34、擇2個(gè)拉伸試驗(yàn)；4個(gè)彎曲試驗(yàn)（2個(gè)背彎，2個(gè)面彎）；6個(gè)沖擊試驗(yàn)（3個(gè)焊縫區(qū)，3個(gè)熱影響區(qū)）。6.2 拉伸試驗(yàn)（1）取樣和加工要求a)試樣的焊縫余高應(yīng)以機(jī)械方法去除，使之與母材齊平。試樣厚度應(yīng)等于或接近試件母材厚度t。b)厚度小于或等于30mm的試件，采用全厚度試樣進(jìn)行試驗(yàn)。因此本工藝采用全厚度試樣試驗(yàn)。c)當(dāng)試驗(yàn)機(jī)受能力限制不能進(jìn)行全厚度的拉伸試驗(yàn)時(shí)，則可將試件在厚度方向上均勻分層取樣，等分后制取試樣厚度應(yīng)接近試驗(yàn)機(jī)所能試驗(yàn)的最大厚度。等分后的兩片或多片試樣試驗(yàn)代替一個(gè)全厚度試樣的試驗(yàn)。（2）試樣的形式拉伸試樣形式分為：a)緊湊型板接頭帶肩板形拉伸試樣；b)緊湊型管接頭帶肩板形拉伸試樣；c)

35、管接頭全截面拉伸試樣。本標(biāo)準(zhǔn)中拉伸試樣與鋼材、焊材的拉伸試樣不同，其特點(diǎn)是試樣受拉伸平行部分很短，通常等于焊縫寬度加12 mm，實(shí)質(zhì)上是焊縫寬度加熱影響區(qū)寬度，兩側(cè)立即以r=25 mm的圓弧過(guò)渡到夾持部分，其目的是強(qiáng)迫拉伸試樣在焊接接頭內(nèi)(焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū))斷裂，以測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度b。緊湊型板接頭帶肩板形試樣見(jiàn)圖12，適用于所有厚度板材的對(duì)接焊縫試件。. 圖61緊湊型板接頭帶肩板形拉伸試樣（3）合格指標(biāo)a)試樣母材為同種鋼號(hào)時(shí)，每個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于母材鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限值。b)試樣母材為兩種鋼號(hào)時(shí)，每個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于兩種鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值下限的較低值。c)同一厚度方向

36、上的兩片或多片試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果平均值應(yīng)符合上述要求，且單片試樣如果斷在焊縫或熔合線以外的母材上，其最低值不得低于母材鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值下限的95(碳素鋼)或97(低合金鋼和高合金鋼)。6.3 彎曲試驗(yàn)（1）試樣的加工要求試樣焊縫的余高應(yīng)該機(jī)械方法清除，面彎側(cè)彎試樣的拉伸表面應(yīng)平齊。（2）試驗(yàn)方法a)彎曲試驗(yàn)按gbt 232和表62規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的完好性和塑性。b)試樣的焊縫中心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)彎心軸線。側(cè)彎試驗(yàn)時(shí)，若試樣表面存在缺陷，則以缺陷較嚴(yán)重一側(cè)作為拉伸面。c)彎曲角度應(yīng)以試樣承受載荷時(shí)測(cè)量為準(zhǔn)。d)對(duì)于伸長(zhǎng)率標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件規(guī)定值下限小于20的母材，若彎曲試驗(yàn)不合格而其實(shí)測(cè)值20，則允許加

37、大彎心直徑重新按表12進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)彎心直徑等于s（200-） (為伸長(zhǎng)率的規(guī)定值下限)，支座間距離等于彎心直徑加上(2s+3)mm。表 62 彎曲試驗(yàn)尺寸規(guī)定試樣厚度 s，mm彎心直徑 d， mm支座間距離，mm彎曲角度，（）104s6s + 3180104063（3）合格標(biāo)準(zhǔn)試樣彎曲到規(guī)定的角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有單條長(zhǎng)度大于3mm的裂紋或缺陷，試樣的棱角開(kāi)裂一般不計(jì)，但由夾渣或其它焊接缺陷引起的棱角開(kāi)裂長(zhǎng)度應(yīng)計(jì)入。若采用兩片或多片試樣時(shí)，每片試樣都應(yīng)符合上述要求。6.4 沖擊試驗(yàn)（1）試樣a）試樣取向：試樣縱軸應(yīng)垂直于焊縫軸線，缺口軸線垂直于母材表面。b）取樣位置：在試件厚度上

38、的取樣位置見(jiàn)圖6-2焊縫區(qū)試樣的缺口軸線應(yīng)位于焊縫中心線上。熱影響區(qū)試樣的缺口軸線至試樣軸線與熔合線交點(diǎn)的距離大于零，且應(yīng)盡可能多的通過(guò)熱影響區(qū)。圖62沖擊試樣位置圖（2）合格指標(biāo)每個(gè)區(qū)3個(gè)試樣為一組的常溫的沖擊吸收功平均值應(yīng)符合圖樣或相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定，且不得小于27j，至多允許有1個(gè)試樣的沖擊吸收功低于規(guī)定值，但不低于規(guī)定值的70。評(píng)定的結(jié)果如下：6.5 焊接工藝評(píng)定報(bào)告單位名稱: 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校焊接技術(shù)及自動(dòng)化專業(yè) 焊接工藝評(píng)定報(bào)告編號(hào).: pd001 焊接工藝指導(dǎo)書編號(hào) : gy001 焊接方法: 交流tig焊 機(jī)械化程度: 手工 接頭簡(jiǎn)圖：母材:材料標(biāo)準(zhǔn): 7a10 類、組別號(hào):

39、 7a10與類、組別號(hào): 7a10 相焊厚度: 5mm 直徑: 其他: _ 焊后熱處理:熱處理溫度(): 保溫時(shí)間 (h): 保護(hù)氣體:氣體種類 混合比 流量 (l/min)保護(hù)氣體 氬氣 90 1015 尾部保護(hù)氣 背面保護(hù)氣 填充金屬:焊材標(biāo)準(zhǔn): 焊材牌號(hào): hs311 焊材規(guī)格: 4mm 焊縫金屬厚度: 其 他: 電特性:電流種類: 交流 極性: 鎢極尺寸: 鈰鎢極4mm 焊接電流 (a): 180240 電弧電壓 (v): 21 23 其他: 焊接位置: 對(duì)接焊縫位置: 方向 (向上, 向下)角焊縫位置: 方向(向上, 向下)技術(shù)措施: 焊接速度(cm/min): 2030 擺動(dòng)或不擺

40、動(dòng): 不擺動(dòng) 擺動(dòng)參數(shù): 多道焊或單道焊（每面）: 正一 多絲焊或單絲焊: 單絲焊 其他: _ 預(yù)熱: 預(yù)熱溫度(): 層間溫度 (): 其他: 拉伸試驗(yàn): 試驗(yàn)報(bào)告編號(hào): ls001 試樣編號(hào)試樣寬度(mm)試樣厚度(mm)橫截面積 (mm2)斷裂載菏 (kn)抗拉強(qiáng)度 (mpa)斷裂部位和特征l5500焊縫區(qū)l75550熔合區(qū)彎曲試驗(yàn) 試驗(yàn)報(bào)告編號(hào): wq001 試樣編號(hào)試樣類型試樣厚度 (mm)彎心直徑 (mm)彎曲角度 (o)試驗(yàn)結(jié)果wq001-1面彎52018022%wq001-2面彎52018020%彎曲試驗(yàn)報(bào)告續(xù)表試樣編號(hào)試樣類

41、型試樣厚度 (mm)彎心直徑 (mm)彎曲角度 (o)試驗(yàn)結(jié)果wq001-3背彎52018023%wq001-4背彎52018022%wq001-5側(cè)彎52018020%wq001-6側(cè)彎52018021%沖擊試驗(yàn) 試驗(yàn)報(bào)告編號(hào): cj001 試樣編號(hào)試樣尺寸缺口類型缺口位置試驗(yàn)溫度 ()沖擊吸收功 (j)備注cj001-15熱影響區(qū)2028cj001-25熱影響區(qū)2029cj001-35熱影響區(qū)2026cj001-45焊縫區(qū)2030cj001-55焊縫區(qū)2027cj001-65焊縫區(qū)2025金相檢驗(yàn)（角焊縫）:根部: (焊透、未焊透) 焊透 焊縫: (熔合、未熔合) 熔合 焊縫、熱影響：（有

42、裂紋、無(wú)裂紋）: 無(wú)裂紋 檢驗(yàn)截面iiiiiivv焊腳差(mm) 無(wú)損檢驗(yàn):rt: 100 ut: mt: pt: 100 其他: 耐蝕堆焊金屬化學(xué)成分（重量 %) cmnsipscrnimovtinb分析表面或取樣開(kāi)始表面至熔合線的距離 (mm): 附加說(shuō)明: 結(jié)論: 本評(píng)定按jb47082000規(guī)定焊接試件、檢驗(yàn)試樣、測(cè)定性能，確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確 評(píng)定結(jié)果: (合格、不合格) 合格7 結(jié)束語(yǔ) 綜上所述，7a10超硬鋁合金焊接的焊接特性有很多，本論文主要對(duì)7a10超硬鋁合金焊接中產(chǎn)生裂紋和氣孔兩個(gè)方面進(jìn)行了分析?？傊畬?duì)防治措施有以下幾個(gè)方面：第一，選擇合適的焊接方法。在論文中，其采用的是交流t

43、ig焊，交流tig焊具有“陰極霧化”的特點(diǎn)，自行去除氧化膜，防止產(chǎn)生熱裂紋等；可以得到高質(zhì)量的焊接接頭；幾乎不用對(duì)焊接表面進(jìn)行焊后處理；無(wú)飛濺產(chǎn)生；操作者可以自由控制根部焊道的焊縫熔深，熱量集中，電弧穩(wěn)定， 變形量小等優(yōu)點(diǎn)。能有效的防止裂紋和氣孔。第二，選擇合適的焊材。在本文中選用的時(shí)al-si系的hs311焊絲。它能達(dá)到與母材強(qiáng)度相匹配的原則。第三，選擇合適的坡口形式及尺寸。選擇合適的坡口形式和尺寸，有助于在焊接的過(guò)程中氣體的逸出，防止氣孔的產(chǎn)生。第四，選擇正確的焊接參數(shù)和操作方法。本論文從噴嘴孔徑與保護(hù)氣體流量；鎢極伸出長(zhǎng)度及噴嘴至工件的距離；焊接電流和電壓；以及焊速；焊絲與焊件的角度等等方面闡述的。在本操作中用的時(shí)左道焊。第五，改善操作環(huán)境。tig焊屬于氣體保護(hù)焊，在焊接時(shí)必要時(shí)，可對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，焊接現(xiàn)場(chǎng)裝擋風(fēng)裝置，防止現(xiàn)場(chǎng)有風(fēng)的流動(dòng)而影響了焊接的質(zhì)量。第六，焊前清理也很重要。在焊前要盡量的去除焊件及焊絲表面的氧化膜，以及水