金屬材料焊接工藝 第3版 教案 30 鋁及鋁合金的焊接

授課教案首頁學年第學期機械工程學院材料技術系（部）焊接技術及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學√課內(nèi)實踐□理實一體□習題復習□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號30授課日期月日月日月日月日授課班級教學內(nèi)容：第七章非鐵金屬材料及其焊接工藝1、鋁及鋁合金的焊接教學目標：知識目標：了解鋁及鋁合金的焊接性能力目標：掌握鋁及鋁合金的特點素質(zhì)目標：1、培養(yǎng)學生良好的操作習慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點難點及解決方法：要求學生熟悉鋁及鋁合金的焊接工藝特點。授課地點：教室教學媒體：投影儀設備及材料：其它資源：學習效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：鋁及鋁合金焊接時為何容易出現(xiàn)氣孔？應如何防止氣孔的產(chǎn)生？純鋁及不同類型的鋁合金焊接應選用什么成分的焊絲比較合理？課后小結：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應與授課計劃一致；2.授課形式在相應的選項打“√”。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問15分鐘4.小結15分鐘二、教學內(nèi)容在工業(yè)生產(chǎn)中通常把金屬材料分為兩大類：鐵金屬材料和非鐵金屬材料。例如，鋼、鑄鐵、不銹鋼、鉻、錳屬于鐵金屬材料；除此之外的一切金屬，如鋁、鎂、銅、鈦、錫、鉛等金屬及其合金統(tǒng)稱為非鐵金屬材料，也稱為有色金屬材料。許多非鐵金屬材料具有鐵金屬材料不可替代的特殊性能。例如，鋁、美及其合金與鐵金屬材料相比，具有密度小、比強度高的特點，因此在航空航天、電工、化工、國防等工業(yè)部門得到廣泛應用。能力知識點1鋁及鋁合金的類型及性能特點鋁具有密度小、耐蝕性好、導電性及導熱性高等良好性能。鋁的資源豐富，特別是在鋁中加入各種合金元素而成的鋁合金，強度顯著提高，使用非常廣泛。工業(yè)純鋁：鋁的質(zhì)量分數(shù)為99.0%～99.7%，還含有少量的Fe和Si及其它雜質(zhì)。鋁合金：工業(yè)純鋁的強度較低，不能用來制造承受載荷很大的結構，所以使用受到限制。在純鋁中加入少量合金元素，能大大改善鋁的各項性能，例如Cu、Si和Mn能提高強度，Ti能細化晶粒、Mg能防止海水腐蝕、Ni能提高耐熱性等，因此在工業(yè)上大量使用的是鋁合金。1．鋁及鋁合金的分類填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段按合金化系列，鋁及其合金分為工業(yè)純鋁（1×××系）、鋁銅合金（2×××系）、鋁錳合金（3×××系）、鋁硅合金（4×××系）、鋁鎂合金（5×××系）、鋁鎂硅合金（6×××系）、鋁鋅鎂銅合金（7×××系）。按熱處理方式，鋁合金分為非熱處理強化鋁合金和熱處理強化鋁合金。前者只能變形強化，后者既能變形強化，也可熱處理強化。按產(chǎn)品成形方法不同，分為變形鋁及鋁合金、鑄造鋁合金。非熱處理強化鋁合金又稱防銹鋁，如牌號3A21（LF21）等，可通過加工硬化、固溶強化來提高力學性能，特點是強度中等、塑性及耐蝕性好，焊接性良好，在焊接結構中應用最廣泛（Al-Mn和Al-Mg系合金）。熱處理強化鋁合金是通過固溶、淬火、時效等工藝措施提高力學性能，經(jīng)熱處理后可顯著提高抗拉強度，但焊接性較差，熔焊時易產(chǎn)生焊接裂紋，焊接接頭力學性能下降。2．鋁及其合金的牌號、成分及性能純鋁牌號以國際四位數(shù)字體系表達：如1A99表示鋁的質(zhì)量分數(shù)為99.99％的原始純鋁；1B99表示鋁的質(zhì)量分數(shù)為99.99％的改型純鋁；1070表示雜質(zhì)極限含量無特殊控制、鋁的質(zhì)量分數(shù)為99.70％的純鋁；1235表示對兩種雜質(zhì)極限含量有特殊控制、鋁的質(zhì)量分數(shù)為99.35％的純鋁。常用的純鋁牌號有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、1200。純鋁的主要用途是代替貴重的銅合金，制作導線、電器元件及換熱器件；制作各種要求質(zhì)輕、導熱、耐大氣腐蝕但強度不高的器具；配制各種鋁合金。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段變形鋁合金的牌號也用四位國際字符體系來表示。例如，2A11表示鋁銅原始合金；5A05表示鋁鎂原始合金，5B05表示鋁鎂改型合金。牌號中第一、三、四位為阿拉伯數(shù)字，第二位為英文大寫字母Ａ、Ｂ或其他字母（有時也用數(shù)字）。第一位數(shù)字為2～9，表示變形鋁合金的不同組別，其中“2”表示鋁銅合金，“3”表示鋁錳合金，“4”表示鋁硅合金等；最后兩位數(shù)字為合金的編號，沒有特殊意義，僅用來區(qū)分同一組別中的不同合金；如果第二位字母為A，則表示原始合金，如果是B或其他字母，則表示原始合金的改型合金，如果是數(shù)字，則0表示原始合金，1～9表示改型合金。能力知識點2鋁及鋁合金的焊接性純鋁的熔點低（660℃），熔化時顏色不變，難以觀察到熔池，焊接時容易塌陷和燒穿；熱導率是低碳鋼的3倍，散熱快，焊接時不易熔化；線脹系數(shù)是低碳鋼的2倍，焊接時易變形；在空氣中易氧化生成致密的高熔點氧化膜Al2O3（熔點2050℃），難熔且不導電，焊接時易造成未熔合、夾雜并使焊接過程不穩(wěn)定。因此鋁及其合金的焊接性比低碳鋼差，合金種類不同，焊接性也有一定差別，概括起來有以下幾個問題。一、易氧化二、能耗大三、容易產(chǎn)生氣孔四、容易形成焊接熱裂紋鋁合金母材的合金系統(tǒng)及合金成分對焊接熱裂紋的產(chǎn)生有根本性的影響。一般來講，純鋁的裂紋傾向最小，含銅的鋁合金裂紋傾向最大，添加鎂、鋅、硅等合金元素對裂紋有不同程度的影響。如圖7-7所示。對含有銅的硬鋁（Al-Cu-Mg）和超硬鋁（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很難用熔焊方法獲得沒有裂紋的焊接接頭，所以一般不能選用熔焊方法制造硬鋁和超硬鋁焊接結構。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段3．焊接熱裂紋的防止途徑（1）選擇適當焊接材料以調(diào)整焊縫化學成分由于鋁合金為共晶型合金，少量易熔共晶會增大結晶裂紋傾向，但當易熔共晶數(shù)量很多時，反而會產(chǎn)生對裂紋的“愈合”作用，使裂紋傾向減小。采用TIG焊焊接Al-Mn和Al-Mg合金的T形接頭時，選用不同含鎂量的焊絲，裂紋結果如圖7-8所示（2）選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)熱能集中的焊接方法，因加熱和冷卻速度快，可防止焊縫形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用TIG或MIG焊接時裂紋傾向比氣焊要小得多。采用小電流焊接，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。焊接電流增大，會使熔池過熱，同時因熔深增大而增加熔合比，使抗裂較差的母材過多地熔入焊縫，從而降低焊縫的抗裂性；焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應力，增大裂紋傾向。大部分鋁合金的裂紋傾向都比較大，因此，焊接時不宜采用較大的焊接電流和較快的焊接速度。五、焊接接頭的軟化1．非熱處理強化鋁合金的接頭軟化對純鋁及防銹鋁合金，在退火狀態(tài)下焊接時，如果采用的焊絲化學成分與母材相同或相近，焊接接頭基本上不產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。但在冷作硬化狀態(tài)下焊接時，加熱溫度超過再結晶溫度（200～300℃）的熱影響區(qū)會產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象。非熱處理強化鋁合金軟化的主要原因是熱影響區(qū)晶粒粗大和冷作硬化效果的減退或消失造成的，解決途徑是采用熱量集中的焊接方法防止熱影響區(qū)粗晶區(qū)加大；焊后冷態(tài)敲擊焊接接頭，產(chǎn)生一定的冷作硬化效果。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段2．熱處理強化鋁合金的接頭軟化硬鋁及超硬鋁等熱處理強化鋁合金，無論是在退火狀態(tài)還是在時效狀態(tài)下焊接，均會產(chǎn)生明顯的接頭軟化現(xiàn)象。軟化區(qū)主要在焊縫或熱影響區(qū)，熱處理強化鋁合金焊接接頭組織示意圖如圖7-10所示。為防止熱處理強化鋁合金的軟化，焊接時應采用較小的焊接熱輸入，以減小熱影響區(qū)的高溫停留時間；徹底解決軟化問題的措施是焊后重新進行固溶處理或人工時效處理。六、焊接接頭的耐蝕性下降1．鋁及鋁合金焊接接頭耐蝕性降低的原因首先是接頭組織不均勻，尤其有析出相存在時，會使接頭各部位形成不均勻的電極電位，在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生電化學腐蝕；其次是焊接接頭或多或少存在焊接缺陷如氣孔、夾雜、裂紋等，不僅破壞接頭氧化膜的連續(xù)性，還會造成電解質(zhì)溶液在缺陷處發(fā)生沉積，加速腐蝕過程；第三，焊縫是粗大的鑄態(tài)組織，焊縫表面不平滑，其表面氧化膜的連續(xù)性和致密性都較差，導致耐腐蝕性降低；第四，接頭中的焊接殘余應力更是影響耐蝕性的敏感因素，尤其是在熱影響區(qū)會誘發(fā)產(chǎn)生應力腐蝕。2．防止接頭耐蝕性降低的措施1）改善接頭組織的不均勻性，2）消除焊接應力，錘擊焊道，可消除焊縫表面拉應力，一般選用冷態(tài)錘擊和熱態(tài)錘擊兩種方法。3）通過焊后人工時效處理，可改善接頭耐蝕性。4）采取保護措施，例如陽極氧化處理或涂層保護等。能力知識點3鋁及鋁合金的焊接工藝要點1．焊接方法常用的焊接方法有氬弧焊（TIG、MIG）、等離子弧焊、電子束焊、電阻焊及釬焊等。熱功率大、能量集中、保護效果好的焊接方法較為合適。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段2．焊接材料1）同質(zhì)焊絲焊絲成分與母材成分相同，有時可以直接在母材上切取板條作為填充金屬。母材為純鋁、3A21（LF21）、5A06（LF6）、2A16（LY16）和Al-Zn-Mg合金時，可以采用同質(zhì)焊絲。2）異質(zhì)焊絲主要是為滿足抗裂性研制的焊絲，其成分與母材有較大的差異。為保證焊接時不產(chǎn)生裂紋，往往在焊絲中加入較多的合金元素，這些合金元素會降低焊接接頭的耐蝕性，因此對耐蝕性有要求的焊接結構，所選焊絲中必須限定某些元素的含量。3．焊前清理1）化學清理該法效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及工件尺寸較小、批量生產(chǎn)的焊件。2）機械清理先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污，然后用機械切削、鋼絲刷、噴砂處理或銼刀、刮刀等將坡口兩側30～40mm范圍內(nèi)氧化膜清理干凈。工件清洗后應在2h內(nèi)裝配、焊接完畢，否則會重新被氧化，特別是在潮濕或有酸堿蒸汽的環(huán)境中，氧化膜生長很快。清理后的焊絲和工件存放時間一般不要超過12h。4．焊接工藝要點（1）TIG焊電弧穩(wěn)定，可添加或不加焊絲焊接，接頭形式不受限制，焊縫成形美觀，表面光亮；焊接接頭的強度、塑性和韌性較好；焊接變形小，最適于板厚小于6mm的薄板焊接，并且適用于全位置焊接。交流TIG焊具有清理氧化膜的作用，不用熔劑，避免了焊后熔劑對接頭的腐蝕作用，簡化了焊后清理過程。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段1）接頭與坡口形式2）焊接參數(shù)3）操作技術要點手工鎢極氬弧焊一般采用左焊法，焊槍應均勻、平穩(wěn)向前作直線運動，弧長要保持穩(wěn)定；盡量采用短弧焊，以保證熔透和避免出現(xiàn)咬邊；填充焊絲與焊件應保持一定角度，一般為10～15°，傾角不宜太大，以免擾亂氣流和電弧的穩(wěn)定性。（2）MIG焊焊接速度快，生產(chǎn)效率高。用于焊接鋁及鋁合金通常采用直流反極性，焊接薄、中等厚度板材時，用純氬作保護氣；焊接大厚度工件時，采用氬氣+氦氣作保護氣。焊前一般不需預熱，即使厚大工件也只需預熱引弧部位。確定焊接參數(shù)時，應先根據(jù)焊件厚度、坡口尺寸選擇焊絲直徑，再根據(jù)熔滴過渡形式（短路過渡或噴射過渡）確定焊接電流、電弧電壓及其他焊接參數(shù)。5）焊后清理鋁及鋁合金氣焊后，殘留在焊縫表面及兩側的熔劑及焊渣會破壞鋁材表面的氧化膜，引起接頭腐蝕