鋁及其合金焊接

1、鋁及其合金的焊接樓松年鋁及其合金的類(lèi)型l工業(yè)純鋁：含鋁99，含有少量Fe、Si雜質(zhì)，具有良好的耐蝕性。具有面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，塑性好，無(wú)低溫脆性轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度低。l鋁合金非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金（防銹鋁）非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金（防銹鋁）：焊接結(jié)構(gòu)的主要鋁合金，固溶強(qiáng)化，AlMn（LF21），AlMg（LF3，LF6，5052，5083）合金具有良好的耐蝕性。AlMn合金：含Mn量為1.01.6%,Mn含量過(guò)多，將形成脆性化合物MnAl6，若存在較多雜質(zhì)Fe，可形成（MnFe）Al6分布在晶界上，降低塑性，少許Si可提高塑性。AlMg合金：強(qiáng)度隨含Mg量的增加而增大，Mg比Mn的固溶強(qiáng)化作用大，一

2、般Mg含量不超過(guò)7。AlMg合金中加入少量Mn，能降低晶粒粗化傾向并改善耐蝕性，Ti細(xì)化晶粒，含Si量過(guò)多形成脆性Mg2Si。鋁及其合金的類(lèi)型時(shí)效強(qiáng)化鋁合金：時(shí)效強(qiáng)化鋁合金：硬鋁和超硬鋁硬鋁：AlCuMg（LY11，LY12）如LY12強(qiáng)化相為相（CuAl2）及S相（Al2CuMg）T相（CuAl5Mg5）和相。Cu量少， 相減少，Mg2，Mn1%。硬鋁缺點(diǎn)：耐蝕性不良固溶處理范圍窄焊接裂紋傾向大AlCuMg系合金（LY6，2219）改善了焊接性超硬鋁：Al-Zn-Mg-Cu常溫下強(qiáng)度最高的鋁合金，缺口敏感性大，耐蝕性差。焊接性差，易產(chǎn)生焊接裂紋。Al-Zn-Mg系合金：焊接裂紋傾向小，焊后自

3、然時(shí)效可回復(fù)強(qiáng)度到母材水平，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性大，固溶處理溫度低于所有熱處理強(qiáng)化鋁合金。鋁及其合金的牌號(hào)l熱處理強(qiáng)化熱處理強(qiáng)化、變形強(qiáng)化（2 、6 、7 、8 ）l非熱處理強(qiáng)化變形強(qiáng)化（ 1 、3 ,4 ,5 ）l1工業(yè)純鋁l2Al-Cu 合金l3Al-Mn合金l4Al-Si 合金l5Al-Mg 合金l6Al-Mg-Si 合金l7Al-Zn-Mg-Cu 合金l8Li、Fe其他合金元素l9非標(biāo)合金鋁合金標(biāo)記鋁合金強(qiáng)化機(jī)制l固溶強(qiáng)化l冷作硬化l熱處理強(qiáng)化（人工時(shí)效和自然時(shí)效）鋁合金的耐蝕性l鋁及鋁合金的耐蝕性比較好，保護(hù)膜一旦破壞，腐蝕急劇發(fā)生，主要是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，鋁的保護(hù)膜不能抗堿，對(duì)

4、酸類(lèi)有很高的耐蝕性。l鋁及其合金中雜質(zhì)或析出時(shí)，各相間便存在電極電位差而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。鋁合金主要是晶間腐蝕，晶向析出相越多，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向越大。Al-Mg合金中含Mg量越高，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向越大。l時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，人工時(shí)效常因出現(xiàn)析出相而導(dǎo)致晶間腐蝕，而過(guò)時(shí)效狀態(tài)時(shí)具有較好的耐蝕性，這與析出相粗大化以及固溶體的成分均勻化有關(guān)。鋁及其合金的焊接性鋁合金焊接主要問(wèn)題：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強(qiáng)性”、焊接接頭的耐蝕性。鋁合金化學(xué)活潑性強(qiáng)，表面易形成氧化膜難熔（如Al2O3 2050，MgO 2500 ）；且導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)易造成未熔合現(xiàn)象；氧化膜密度和純鋁接近，易形成焊縫金屬的夾雜；氧

5、化膜（特別是MgO不致密的氧化膜）易吸附水分造成焊縫產(chǎn)生氣孔；線(xiàn)膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)易變形。1.焊縫的氣孔焊縫的氣孔：是焊接鋁及其合金常見(jiàn)的缺陷，尤其是鋁和防銹鋁熔焊時(shí)形成氣孔的特點(diǎn)：氫是產(chǎn)生氣孔的原因?；≈械乃?、焊接材料已經(jīng)母材所吸附的水分都是焊縫氣孔中氫的來(lái)源，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對(duì)焊縫氣孔的產(chǎn)生占有突出地位。鋁及其合金的焊接性（氣孔）弧柱中的水分：弧柱氣氛中分解來(lái)的氫，溶入過(guò)熱的熔融金屬中，可成為焊縫氣孔的主要原因，所形成的氣孔具有白亮內(nèi)壁特征。a.氫在鋁及其合金中的溶解度b.鋁熔合區(qū)的冷卻速度為高強(qiáng)鋼的47倍焊接材料及母材表面氧化膜所吸附的水分（氫的主要來(lái)源

6、）：氧化膜不致密（Al-Mg合金）比氧化膜致密的純鋁吸水性強(qiáng)，具有更大的氣孔傾向。原因是因?yàn)镸gO所形成的氧化膜不致密比較容易吸附水分，而純鋁的氧化膜只有Al2O3比較致密，吸水性要小。鋁及其合金的焊接性（氣孔）l鋁合金氣孔敏感原因：1.形成氣孔的臨界氫分壓(PH2)cr(弧柱氣氛1atm=PH2+ PO2+ PN2 +PCO+）最低，排列順序 (PH2)crAl (PH2) crCu (PH2) crNi (PH2) crFe2.高溫時(shí)Al中溶解了大量的 H ，在凝固過(guò)程中，金屬中的H的溶解度發(fā)生突變， 2H H2逸出，由于Al的導(dǎo)熱系數(shù)大（約為鋼的47倍），焊縫冷卻速度快，H2來(lái)不及析出造

7、成氣孔。3.鋁合金表面有一層疏松的氧化膜，易吸附水分及油污，造成氣孔敏感。鋁及其合金的焊接性（氣孔）l鋁合金采用MIG焊比TIG焊時(shí)對(duì)弧柱氣孔敏感：MIG焊時(shí)以細(xì)小熔滴形式通過(guò)弧柱落入熔池，由于弧柱溫度最高，且熔滴比表面積很大，熔滴金屬顯然最有利于吸收氫；TIG焊時(shí)熔池金屬表面與氣體氫反應(yīng)，因其比表面積小和熔池溫度低于弧柱溫度，吸收氫的條件就不如MIG時(shí)有利；MIG的熔池深度一般大于TIG時(shí)的深度，也不利于氣泡的浮出。所以相同的氣氛條件下，MIG焊縫氣孔傾向要比TIG時(shí)大些。鋁及其合金的焊接性（氣孔）防止氣孔措施：減少氫的來(lái)源：a.焊接材料要嚴(yán)格限制水含量，焊前需干燥處理，氬氣含水量0.08；

8、b.焊絲及母材表面需用化學(xué)或機(jī)械方法將氧化膜清除；c.坡口根部刮去一個(gè)倒角對(duì)防止根部氧化膜引起的氣孔有利；d.焊接時(shí)清根有利于減少焊縫氣孔傾向；e.采用粗絲焊氣孔敏感性小（焊絲及熔滴比表面積下降）；f.要求環(huán)境濕度3.55；LF21采用含Mg8以改善焊縫抗裂性。 硬鋁焊接采用焊絲Si5%的AlSi焊絲解決抗裂問(wèn)題。 AlZnMg合金專(zhuān)用X5180具有相當(dāng)高的抗裂性；“4145”焊絲抗裂性比“4043”好，因?yàn)椤?145”易熔共晶數(shù)量很多具有很好的愈合作用。 AlZnMgCu系合金(7075,LC4)含Cu量越高，裂紋傾向越大，提高M(jìn)g改善抗裂性，焊接時(shí)焊絲含Mg量高，不能含Cu。鋁及其合金的焊

9、接性（焊接熱裂紋）防止焊接熱裂紋的途徑變質(zhì)劑：Ti、Zr、V、B等微量元素作為變質(zhì)劑可細(xì)化晶粒，改善塑性、韌性，提高抗裂性。因?yàn)樗麄兡芡X形成難熔金屬化合物作為非自發(fā)凝固的晶核，細(xì)化晶粒。焊接工藝參數(shù)：熱量集中的焊接方法，可防止形成粗大的柱狀晶，改善抗裂性；小的焊接電流可減少熔池過(guò)熱，有利于改善抗裂性；焊接速度提高，增大應(yīng)變速度，增大熱裂傾向。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強(qiáng)性”）非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金： a.在退火狀態(tài)下焊接可以認(rèn)為接頭同母材等強(qiáng)(焊縫金屬為鑄造組織，其強(qiáng)度略低于母材)； b.在冷作硬化狀態(tài)下焊接時(shí)，焊接熱影響區(qū)溫度大于再結(jié)晶溫度區(qū)域，會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，加工硬化現(xiàn)象開(kāi)始消失，發(fā)生軟化

10、，HAZ溫度越高的區(qū)域，軟化現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種軟化現(xiàn)象是無(wú)法消除的，加工硬化越嚴(yán)重，焊接接頭的軟化現(xiàn)象越明顯；焊接熱輸入越大，軟化區(qū)的寬度越大。 通常情況下，采用熔化焊焊接非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金的接頭強(qiáng)度只能達(dá)到母材的80左右。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強(qiáng)性”）時(shí)效強(qiáng)化鋁合金：時(shí)效：時(shí)效：鋁合金是通過(guò)時(shí)效處理來(lái)提高強(qiáng)度，改變性能的。 以Al-Cu合金為例來(lái)說(shuō)明，將Al-Cu合金加熱到相區(qū)，經(jīng)保溫得到單相固溶體，水冷，室溫就得到了過(guò)飽和的固溶體(SS)，過(guò)炮和的固溶體是不穩(wěn)定的，有降低溶解度、析出第二相、過(guò)渡到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。因此在室溫下放置或低溫加熱時(shí)，析出細(xì)小彌散的第二相能有效地強(qiáng)化鋁合金，使

11、強(qiáng)度、硬度明顯升高，塑性下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)時(shí)效效或時(shí)效硬化時(shí)效硬化。 SS GP（Cu、Al偏聚） 相（非共格的CuAl2） 相（半共格的CuAl2） 相（共格的CuAl2） 在時(shí)效處理時(shí)，形成相時(shí)強(qiáng)度最高， 相次之， 相強(qiáng)度大大下降（過(guò)時(shí)效過(guò)時(shí)效）。 在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)為自然時(shí)效自然時(shí)效，在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)為人工時(shí)效人工時(shí)效?；貧w：回歸：自然時(shí)效后的鋁合金，在230250短時(shí)間（幾秒至幾分種）加熱后，快冷至室溫時(shí)，可以重新軟化。如再在室溫下放置，則又能發(fā)生正常的自然時(shí)效。這種現(xiàn)象稱(chēng)為回歸回歸。脫溶：脫溶：在時(shí)效鋁合金加熱到高溫成為單相固溶體，快冷到室溫成為單相過(guò)飽和固溶體，重新軟化

12、，這種現(xiàn)象成為脫溶。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強(qiáng)性”）l Al-Cu合金采用人工時(shí)效處理，在焊接過(guò)程中焊接熱影響區(qū)大于200250區(qū)會(huì)發(fā)生過(guò)時(shí)效，形成相，使接頭強(qiáng)度下降；大于450 HAZ區(qū)焊后可形成單相固溶體，該區(qū)域只有固溶強(qiáng)化，無(wú)第二相粒子強(qiáng)化，該區(qū)域軟化更嚴(yán)重。人工時(shí)效的Al-Cu合金焊后接頭強(qiáng)度顯著低于母材強(qiáng)度，為了保證等強(qiáng)性，只能焊后采用重新時(shí)效處理。l Al-Zn-Mg合金自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種狀態(tài)，其強(qiáng)化相為相(非共格的MgZn2)， 相(半共格的MgZn2)，在焊接過(guò)程中，HAZ大于200250 區(qū)域分別會(huì)產(chǎn)生過(guò)時(shí)效、脫溶，使該區(qū)域軟化。在隨后室溫下放置，通過(guò)自然時(shí)效強(qiáng)度

13、得到提高，此時(shí)接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度額9095。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強(qiáng)性”）鋁合金焊接時(shí)的這種不等強(qiáng)的表現(xiàn)，說(shuō)明焊接接頭發(fā)生了某種程度的軟化或存在某一性能上的薄弱環(huán)節(jié)。薄弱環(huán)節(jié)可存在于焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域。焊縫區(qū)域：鑄造組織，強(qiáng)度與母材差別不大（焊縫強(qiáng)度為母材8085），塑性不如母材；如果焊縫成分不同于母材，焊縫性能主要決定于所選用的焊接材料；為保證焊縫強(qiáng)度和塑性，固溶強(qiáng)化型合金系統(tǒng)要優(yōu)于共晶型合金系統(tǒng)；焊接工藝來(lái)講，一般焊接線(xiàn)能量越大，焊縫性能下降的趨勢(shì)越大。熔合區(qū)：非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金是晶粒粗化而降低塑性；時(shí)效強(qiáng)化鋁合金除了晶粒粗化，還可能因晶界液化產(chǎn)生裂紋。熔合區(qū)的變化

14、主要是惡化塑性。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭“等強(qiáng)性”）焊接熱影響區(qū)：強(qiáng)化效果損失，即“軟化”a.非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金：經(jīng)冷作硬化鋁合金，熱影響區(qū)峰值溫度超過(guò)再結(jié)晶溫度(200300)的區(qū)域就產(chǎn)生明顯的軟化，軟化區(qū)域越寬，接頭強(qiáng)度下降越明顯，接頭的軟化主要取決于加熱的峰值溫度。焊前冷作硬化程度越高，焊后軟化越明顯。冷作硬化薄板鋁合金的強(qiáng)化效果，焊后幾乎可能全部喪失。b.時(shí)效強(qiáng)化鋁合金：HAZ“過(guò)時(shí)效”軟化問(wèn)題。其嚴(yán)重程度取決于合金第二相的性質(zhì)，也與焊接熱循環(huán)有一定關(guān)系。最根本的是第二相對(duì)時(shí)效反應(yīng)的敏感性，第二相易于脫溶析出并易于聚集長(zhǎng)大，就越容易發(fā)生“過(guò)時(shí)效”。 例如：Al-Cu-Mg合金比Al-

15、Zn-Mg合金的第二相易于脫溶析出。 Al-Cu-Mg合金焊后自然時(shí)效軟化程度未改善； Al-Zn-Mg合金焊后自然時(shí)效軟化現(xiàn)象基本消除。 為了防止HAZ軟化，采用小的焊接線(xiàn)能量。如焊后可進(jìn)行熱處理，焊前以固溶或退火狀態(tài)焊接較好。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭的耐蝕性）焊接接頭耐蝕性下降的原因：焊接接頭的耐蝕性一般低于母材，其原因是對(duì)成分為X1的合金在平衡冷卻時(shí)，溫度達(dá)到1點(diǎn)位置從液態(tài)金屬中析出相，金屬繼續(xù)冷卻，固相不斷析出，析出的固相成分是沿著固相線(xiàn)AD變化的，液相成份是以AE變化的，當(dāng)溫度達(dá)到2點(diǎn)位置，液相全部轉(zhuǎn)換為固相，金屬繼續(xù)冷卻到5點(diǎn)位置，從固相中析出相。在焊接快速加熱和冷卻過(guò)程中，兩

16、元相圖向左下角移動(dòng)，在3點(diǎn)位置開(kāi)始析出相，金屬繼續(xù)冷卻，析出的固相成分和液相成份分別沿虛線(xiàn)的固相線(xiàn)和液相線(xiàn)變化，溫度達(dá)到4點(diǎn)位置，從液相中析出+ 固溶體。由此可見(jiàn)，平衡冷卻和不平衡冷卻的微觀組織是不同的，不同的相具有不同的電極電位，電極電位的差異會(huì)導(dǎo)致電極電位低的相發(fā)生選擇性腐蝕和微電池腐蝕。鋁及其合金的焊接性（焊接接頭的耐蝕性）焊縫金屬的純度和致密性差，晶粒粗大和焊縫金屬在焊接快速加熱和冷卻過(guò)程中不但存在不同相的組織差異（理由同上），而且在柱狀晶的交界處雜質(zhì)多，脆性等析出相多，且還可能存在疏松、夾雜等缺陷，所以耐蝕性下降，經(jīng)常出現(xiàn)晶界腐蝕。焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力、組織應(yīng)力這些應(yīng)力將顯著影響接

17、頭的抗應(yīng)力腐蝕能力。改善耐蝕性措施：改善接頭組織成分的不均勻性：細(xì)化晶粒，防止過(guò)熱，焊后熱處理（消除應(yīng)力處理和擴(kuò)散均勻化處理）；機(jī)械錘擊或噴丸處理降低表面的拉伸應(yīng)力；采取保護(hù)措施：陽(yáng)極氧化處理或涂層使得焊接接頭表面存在一層致密的氧化膜，達(dá)到鈍化的效果，避免腐蝕介質(zhì)與Al或合金直接接觸。鋁及其合金的焊接工藝特點(diǎn)焊接工藝一般原則：鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，膨脹系數(shù)大，采用能量集中的熱源，保證熔合良好，采用夾具防止焊接變形。鋁及其合金表面易形成氧化膜，妨礙焊接且易形成夾雜物，還吸附大量水分形成氣孔，焊前需清理氧化膜。焊接時(shí)需保護(hù)。焊接方法的選擇：導(dǎo)熱性強(qiáng)，膨脹系數(shù)大，采用能量集中的熱源如TIG、MIG、脈

18、沖焊、攪拌摩擦焊等。極性選擇：lTIG：直流反接 “陰極清理作用” 陰極斑點(diǎn)有自動(dòng)尋找氧化膜的性質(zhì)陰極斑點(diǎn)電流密度高，產(chǎn)生很大的陰極熱，正離子在電場(chǎng)作用下撞擊陰極斑點(diǎn)，致使陰極斑點(diǎn)氧化膜破碎電弧又自動(dòng)尋找新的氧化膜表面，形成新的陰極斑點(diǎn)， 陰極斑點(diǎn)的游動(dòng)，正離子轟擊，有效去除陰極表面氧化膜電弧不穩(wěn)，鎢棒易燒損，一般采用交流氬弧焊，電流的極性發(fā)生周期性的交替變化，相當(dāng)于半個(gè)周期直流正接和半個(gè)周期直流反接。工件為負(fù)半周時(shí)，利用陰極清理作用，能有效清除熔池及工件表面上的氧化膜；當(dāng)工件為正周時(shí)，鎢棒接負(fù)，相對(duì)冷卻，防止過(guò)熱燒損。鋁及其合金的焊接工藝特點(diǎn)lMIG：采用直流反接，電流大于“臨界電流”可獲得穩(wěn)定的噴射過(guò)渡；采用脈沖