鋁合金及其焊接性

1、鋁合金及其焊接性作者：單位：天津大學(xué)材料成型及控制工程通訊地址：天津大學(xué)材料學(xué)院【摘要】鋁及鋁合金材料密度低，強(qiáng)度高，熱電導(dǎo)率高，耐腐蝕能力強(qiáng)，具有良好的物理特性和力學(xué)性能，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)上。鋁合金在車輛部件中的應(yīng)用情況、發(fā)展趨向及其在組焊中存在很多問題。對鋁合金及其異種金屬焊接接頭進(jìn)行了焊接性試驗研究結(jié)果表明，其焊接接頭有滿意的力學(xué)性能、抗裂性及抗應(yīng)力腐蝕性能，適合用于制造輕軌車輛，航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?！娟P(guān)鍵字】鋁合金焊接性氣孔熱裂紋等強(qiáng)性【正文】雖然已經(jīng)應(yīng)用鋁及其合金焊成許多重要產(chǎn)品，但實際上并不是沒有困難，主要的問題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強(qiáng)性”等1

2、.鋁合金焊接中的氣孔氫是鋁及其合金熔焊時產(chǎn)生氣孔的主要原因，已為實踐所證明?；≈鶜夥罩械乃?、焊接材料以及母材所吸附的水分都是焊縫氣孔中氫的重要來源。其中，焊絲及母材表面氧化膜的吸附水份，對焊縫氣孔的產(chǎn)生，常常占有突出的地位。1.1 弧柱氣氛中水分的影響弧柱空間總是或多或少存在一定數(shù)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，可成為焊縫氣孔的主要原因。這時所形成的氣孔，具有白亮內(nèi)壁的特征。1.2 氧化膜中水分對氣孔的影響在正常的焊接條件下，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。而氧化膜不致密、吸水性強(qiáng)的鋁合金，主要

3、是Al-Mg合金，要比氧化膜致密的純鋁具有更大的氣孔傾向。因為Al-Mg合金的氧化膜中含有不致密的MgO,焊接時，在熔透不足的情況下，母材坡口端部未除凈的氧化膜中所吸附的水分，常常是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。1.3 減少焊縫氣孔的途徑避免熔池吸氫是消除或減少焊接氣孔的有效方法12,0為防止焊縫氣孔，可從兩方面著手：第一，限制氫溶入熔融金屬，或者是減少氫的來源，或者減少氫同熔融金屬作用的時間；第二，盡量促使氣孔自熔池逸出。為了在熔池凝固之前使氫以氣泡形式及時排出，這就要改善冷卻條件以增加氫的逸出時間HidetoshiFujii等在失重條件下進(jìn)行焊接試驗，發(fā)現(xiàn)氣孔明顯較重力下多。(1)減少氫的來源所

4、有使用的焊接材料(包括保護(hù)氣體、焊絲、焊條、焊劑等)要嚴(yán)格限制含水量，使用前均需干燥處理。一般認(rèn)為，氮氣中的含水量小于0.08%寸不易形成氣孔(2)控制焊接工藝焊接工藝參數(shù)的影響比較明顯，但其影響規(guī)律并不是一個簡單的關(guān)系，須進(jìn)行具體分析。焊接工藝參數(shù)的影響主要可歸結(jié)為對熔池在高溫存在時間的影響，也就是對氫的溶入時間和氫的析出時間的影響。焊接時，焊接工藝參數(shù)的選擇，一方面盡量采用小線能量以減少熔池存在時間，從而減少氣氛中氫的溶入，同時又要能充分保證根部熔合，以利根部氧化膜上的氣泡浮出。所以采用大的焊接電流配合較高的焊接速度是比較有利的。2 .鋁合金的焊接熱裂紋鋁及其合金焊接時，焊縫金屬和近縫區(qū)所

5、發(fā)現(xiàn)的熱裂紋主要是焊縫金屬結(jié)晶裂紋，也可在近縫區(qū)見到液化裂紋。2.1 鋁合金焊接熱裂紋的特點鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的“最大”凝固溫度區(qū)間相對應(yīng)。但是由平衡狀態(tài)圖的概念得出的結(jié)論和實際情況是有較大出入的。因此，裂紋傾向最大時的合金組元均小于它在合金中的極限溶解度。這是由于焊接時的加熱和冷卻速度都很迅速，使合金來不及建立平衡狀態(tài)，在不平衡的凝固條件下，相圖中的固相線一般要向左下方移動，以致在較少的平均濃度下就出現(xiàn)共晶體，且共晶溫度比平衡冷卻過程將有所降低。至于近縫區(qū)的“液化裂紋”，同焊縫凝固裂紋一樣，也是與晶間易熔共晶的存在有聯(lián)系，但這種易熔共晶夾層并非品間原已存在的，

6、而是在不平衡的焊接加熱條件下因偏析而熔化形成的，所以稱為品間“液化”。2.2 防止焊接熱裂紋的途徑對于液化裂紋目前還無行之有效的防止措施，一般的辦法是減小近縫區(qū)過熱。對于焊縫金屬的結(jié)晶裂紋主要是通過合理選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)控制成分從抗裂角度考慮，調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)的著眼點在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。由于現(xiàn)有鋁合金均為共晶型合金，少量易熔共晶的存在總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過裂紋傾向最大時的合金成分，以便能產(chǎn)生愈合作用。(2)在焊絲中添加變質(zhì)劑鋁合金焊絲中幾乎都有Ti、Zr、B、V等微量元素，一般都是作為變質(zhì)劑加入的。

7、不僅可以細(xì)化晶粒而改善塑性、韌性，并可顯著提高抗裂性能。Ti、Zr、B、V、Ta等元素的共同特點是都能同鋁形成一系列包晶反應(yīng)生成細(xì)小的難熔質(zhì)點，可成為液體金屬凝固時的非自發(fā)凝固的晶核，從而可以產(chǎn)生細(xì)化晶粒的作用。(3)合理選用焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(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)變增長速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進(jìn)行焊接過程，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。減小焊接電流、降低拘束度、改善裝配間隙對減小熱裂傾向都是有利的。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向。增大焊接速度和和焊接電流，都可促使

8、增大裂紋傾向。3 .焊接接頭的等強(qiáng)性時效強(qiáng)化鋁合金，除了Al-Zn-Mg合金，無論是退火狀態(tài)下還是時效狀態(tài)下焊接，若焊后不經(jīng)熱處理，強(qiáng)度均低于母材。所有時效強(qiáng)化的鋁合金，焊后不論是否經(jīng)過時效處理，其接頭塑性均未能達(dá)到母材的水平11,0就焊縫而言，由于是鑄造組織，即使在退火狀態(tài)以及焊縫成分同母材基本一樣的條件下，強(qiáng)度可能差別不大，但焊縫塑性一般都不如母材。若焊縫成分不同于母材，焊縫性能將主要決定于所用的焊接材料。為保證焊縫強(qiáng)度與塑性，固溶強(qiáng)化型合金系統(tǒng)要優(yōu)于共晶型合金系統(tǒng)。一般說來，焊接線能量越大，焊縫性能下降的趨勢也越大對于熔合區(qū)，在時效強(qiáng)化鋁合金焊接時，除了晶粒粗化，還可能因晶界液化而產(chǎn)生顯

9、微裂紋。所以，熔合區(qū)的變化主要是惡化塑性?？傊X合金應(yīng)為具有重量輕、抗腐蝕、易成型等優(yōu)點；隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)使得這類材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車、高速艦艇、汽車等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時由于鋁及其合金由于熱膨脹系數(shù)大而引起的較大變形；易氧化焊接時需要用惰性氣體保護(hù)；易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋以及熱影響區(qū)的軟化、強(qiáng)度降低問題。為了解決以上問題攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接方式逐漸在鋁及其合金的焊接中廣泛之用。深入的研究鋁及其合金的焊接性是開發(fā)新型鋁合金及解決其焊接問題的前提。致謝衷心地感謝我的老師王惜寶教授。王惜寶教授高尚的品格，淵博的知識，活躍的學(xué)術(shù)思想

10、，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和對科學(xué)的獻(xiàn)身精神使我受益匪淺。王老師在金屬冶金學(xué)課上課下的教導(dǎo)是我對金屬焊接性問題有了比較全面的學(xué)習(xí)，他誨人不倦的精神和在生活中的給予學(xué)生的關(guān)心令將我終生難忘。同時感謝上海交通大學(xué)的吳龍飛同學(xué)，他的畢業(yè)論文2219鋁合金TIG焊接性研究讓我在第一次寫論文的過程中有章可循?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1周振豐，張文鉞，焊接冶金及金屬焊接性M,第二版，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1994,289-29a408-4202范平章，鋁合金表面狀態(tài)對焊接氣孔的影響R,2004,4,航天工藝，19-233HidetoshiFujii,KiyoshiNogi,FormationanddisappearanceofporesinaluminumalloymoltenpoolundermicrogravitySScienceandT