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1、第7章 常用有色金属的焊接,铝及铝合金 常用有色金属 铜及铜合金 钛及钛合金,7.1 铝及铝合金的焊接,知识目标： 1.了解铝及铝合金的性能特点和应用； 2.熟悉铝及铝合金的焊接性； 3.掌握铝及铝合金的焊接工艺。能力目标： 能够根据铝及铝合金的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。,7.1.1 铝及铝合金的分类、成分及性能,铝及铝合金的分类,变形铝合金,铸造铝合金,工业纯铝1000系,热处理强化铝合金,非热处理强化铝合金,Al-Mg-Si,锻铝4000系或6000系,防锈铝3000或5000系,硬铝2000系Al-Cu-Mg,超硬铝7000系Al-Zn-Mg-Cu,新型铝合
2、金Al-Li系合金,铝硅系合金,铝镁系合金,Al-Cu-Mg-Si,铝铜系合金,铝锌系合金,Al-Mn合金,Al-Mg合金,表7-1 铝合金分类,表7-2 常用铝及铝合金的力学性能,7.1.2 铝及铝合金的焊接性,铝及铝合金的焊接性,焊缝中的气孔,焊接热裂纹,焊接接头的“等强性”,焊接接头的耐蚀性,铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050，MgO熔点约为2500）,加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线膨胀系数大，焊接
3、时容易产生翘曲变形。,表7-3 部分铝及铝合金的相对焊接性,焊缝中的 气孔,产生 原因,控制措施,弧柱气氛中水分的影响,氧化膜中水分的影响,减少氢的来源,控制焊接工艺,1.焊缝中的气孔,(1) 气孔的分布特征,1) 临近焊缝表层的“皮下气孔”。2) 焊缝中部或根部的“密集气孔”。3) 熔合区边界的“氧化膜气孔”。,图7-1,(2) 气孔的形成原因,1) 焊接区内存在氢的来源。2) 铝合金中氢的溶解度存在突变。3) 铝合金熔池凝固速度快。,图7-2 氩气中水的体积分数对气孔生成倾向的影响,表7-4氢在铝中的溶解度和扩散速度,(3) 气孔的防止措施,1) 清除材料表面的氧化膜和污染物。2) 降低气
4、氛中的水分。,图7-3 铲根对铝镁合金MIG焊焊缝气孔倾向的影响,图7-4相对湿度对焊缝中气孔数量的影响,3) 控制焊接参数。,图7-5 MIG焊的焊缝气孔倾向与焊接参数的关系,2. 热裂纹,(1) 热裂纹的形成原因如图7-6所示，铝合金焊接裂纹可能出现在焊缝，也可能出现在焊接热影响区，而在焊缝的弧坑处更容易出现。,图7-6铝合金的焊接热裂纹a) 弧坑裂纹b) 焊缝中的热裂纹c) 热影响区中的热裂纹,焊接 热裂纹,铝合金属于共晶型合金。从理论上分析，最大裂纹倾向与合金的“最大凝固温度区间”相对应。但是，由平衡状态图得出的结论与实际情况有较大出入。,在铝中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元
5、素可获得不同性能的合金。,特点,防止途径,铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主 要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。,通过改变焊丝的成分,通过改变焊接参数,焊接接头的“等强性”,非时效强化铝合金（如Al-Mg合金），在退火状态下焊接时，接头与母材是等强的；在冷作硬化状态下焊接时，接头强度低于母材。表明在冷作状态下焊接时接头有软化现象。时效强化铝合金，无论是退火状态下还是时效状态下焊接，焊后不经热处理，接头强度均低于母材。特别是在时效状态下焊接的硬铝，即使焊后经人工时效处理，接头强度系数也未超过60%。,Al-Zn-Mg合金的接头强度与焊后自然时效的时间长短有关系，焊后仅依靠自然时效的时间增长，接头强
6、度即可提高到接近母材的水平，这是Al-Zn-Mg合金值得注意的特点。,铝合金焊接时的不等强性表明焊接接头发生了某种程度的软化或性能上的削弱。就焊缝而言，由于是铸态组织，即使在退火状态以及焊缝成分与母材一致的条件下，强度可能差别不大，但焊缝塑性都不如母材。对于熔合区，非时效强化铝合金的主要问题是晶粒粗化而降低塑性；时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，还可能因晶界液化而产生显微裂纹。无论是非时效强化的合金或时效强化的合金，（HAZ）都表现出强化效果的损失，即软化。,控制措施,改善接头组织成分的不均匀性,消除焊接应力,采取保护措施,焊接接头的耐蚀性,影响因素,接头组织均匀性、焊缝金属的纯度和致密性也
7、是影响接头耐蚀性的因素。焊接应力也是影 响铝合金耐蚀性的敏感因素。,7.1.3 铝及铝合金的焊接工艺,焊接方法,焊接材料,焊前清理和预热,铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类,也可采用冷压焊、超声波焊、钎焊等,常用的有氩弧焊（TIG、MIG）、等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等,焊接工艺要点,化学清理,机械清理,焊前预热,铝及铝合金的气焊,铝及铝合金的钨极氩弧焊（TIG焊）,铝及铝合金的熔化极氩弧焊（MIG焊）,1. 焊接方法,(1) 钨极氩弧焊钨极氩弧焊热量比较集中，电弧燃烧稳定，采用交流或直流反接，可用于焊接铝合金，能得到高质量的接头。(2) 熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊可
8、焊的铝合金厚度明显加大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。(3) 变极性等离子弧焊变极性等离子弧焊技术用于铝合金焊接，明显提高了单道焊接铝合金所能达到的厚度。(4) 激光和电子束焊激光和电子束是焊接铝合金较好的热源，焊接变形小，焊接质量高。,(5) 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊属于一种新型的固态连接方法，具有高质量、低成本、低变形、易于自动化等特点，克服了熔焊方法易产生气孔、裂纹及接头性能严重降低的问题，使那些曾经被认为是难于焊接的铝合金变得非常容易焊接，而且焊接效率高，对环境无污染，可以焊接所有牌号的铝合金，为大型铝合金结构产品的开发提供了可能。,图7-7搅拌摩擦焊接过程示意图,2. 焊接材料,表7
9、-5铝及铝合金焊接用焊丝的选择,表7-6针对特殊目的而推荐使用的焊接材料与母材的组配,3. 焊前准备,(1) 焊前清理铝及铝合金焊接时，为了保证焊接质量，在焊前必须清除焊丝(表面抛光焊丝除外)和母材表面上的油污和氧化膜。(2) 施加垫板铝及铝合金在高温时强度很低，焊接时容易下塌。(3) 焊前预热厚度超过58mm的焊件，焊前需将工件慢慢加热到100300，以防止变形、未焊透，并减少气孔。,4. 接头设计 5. 焊接参数,表7-7纯铝和铝镁合金手工钨极氩弧焊的焊接参数,7.1.4 典型铝合金的焊接,1. 材质与结构（如图7-8）,图7-8纯铝容器结构图1人孔2筒身3管接头4封头,2. 焊接工艺要点
10、(1) 焊接方法和参数采用手工钨极氩弧焊的方法，所用焊接参数列于表7-8中。 (2) 焊接材料填充材料采用与母材同牌号的1035焊丝。(3) 焊前准备6mm厚板(筒体)不开坡口，装配定位焊后的间隙为2mm。(4) 焊后检验所有环缝和纵缝采用煤油进行渗透性检验和100%的X射线探伤。,表7-8纯铝容器手工钨极氩弧焊焊接参数,表7-9 铝及铝合金TIG焊的常见缺陷及防止措施,7.2 铜及铜合金的焊接,知识目标： 1.了解铜及铜合金的性能特点和应用； 2.熟悉铜及铜合金的焊接性； 3.掌握铜及铜合金的焊接工艺。能力目标： 能够根据铜及铜合金的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。,
11、7.2.1 铜及铜合金的分类、成分及性能,表7-10 铜及铜合金的分类,表7-11 铜及铜合金的力学性能和物理性能,7.2.2 铜及铜合金的焊接性,铜及铜合金的焊接性,难熔合及易变形,热裂纹,气孔,焊接接头性能的变化,1. 难于熔化及成形,表7-12铜与铁的热物理性能参数的比较,2. 热裂倾向大,3. 气孔倾向严重,图7-9 加入氩中水汽量 对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响,图7-10 加入氩中氢气量 对纯铜氩弧焊焊缝气孔的影响,4. 接头性能下降,(1) 塑性严重变坏焊缝与热影响区晶粒变粗、各种脆性的易熔共晶出现于晶界，使接头的塑性和韧性显著下降。(2) 导电性下降铜中任何元素的掺入都会使其导电性
12、下降。(3) 耐蚀性能下降铜合金的耐蚀性能是依靠锌、锡、锰、镍、铝等元素的合金化而获得的，熔焊过程中这些元素的蒸发和氧化烧损都会不同程度地使接头耐蚀性下降。,7.2.3 铜及铜合金的焊接工艺,焊接方法和焊接材料,焊前准备,焊接工艺及参数,焊丝,焊条,焊剂,铜及铜合金焊丝见表5-24,铜气焊、碳弧焊常用的见表5-25 埋弧焊常用的有HJ431HJ150等,纯铜焊条、青铜焊条,焊丝及焊件表面的清理,接头形式及坡口制备,氩弧焊工艺（TIG、MIG）要点,焊条电弧焊工艺要点,埋弧焊工艺要点,表7-13 铜及铜合金焊丝的化学成分和主要用途,1. 焊接材料(1) 焊丝及焊条铜及铜合金熔焊所用的焊接材料有焊
13、丝(棒)、焊条和焊剂，表7-13是铜及铜合金焊丝的化学成分及性能。,表7-14 铜及铜合金气焊、碳弧焊用焊剂,(2) 焊剂气焊通用的焊剂主要有硼酸盐、卤化物或它们的混合物，如表7-14所示。,2. 焊接方法及工艺(1) 气焊氧乙炔气焊比较适合焊接薄铜片、铜件的修补或不重要结构的焊接。(2) 氩弧焊TIG焊是铜和铜合金的主要焊接方法之一，适于中薄板和小件的焊接和补焊。(3) 埋弧焊埋弧焊焊接铜及铜合金时，厚度小于20mm的工件在不开坡口的条件下可获得优质接头，特别适合于中厚板的长焊缝焊接。 (4) 等离子弧焊等离子弧具有比TIG和MIG电弧更高的能量密度和温度，因而具有焊接速度快热影响区及变形量
14、小等优点。(5) 电子束焊电子束的能量密度和穿透能力比等离子弧还强，利用它对铜及铜合金作穿透性焊接有很大的优越性。,3. 接头设计,图7-11接头形式及坡口尺寸,7.2.4典型铜及铜合金的焊接,纯铜母线的焊接(1) 材质与结构母线主要指的是在发电厂、电解工程中用于传导大电流的初级导线，一般厚度均在10mm以上，母线截面有300mm16mm、200mm12mm、200mm16mm、200mm28mm等多种尺寸，单根母线长短不等。,表7-15纯铜T1的化学成分,(2) 焊接材料纯铜母线的焊接填充材料可以用母材本身，也可以用HS201焊丝，有棒状和盘装两种，可用于钨极氩弧焊和埋弧焊，其化学成分见表7
15、-16。,表7-16HS201焊丝的化学成分,(3) 焊接方法及工艺对于大截面尺寸的纯铜母线，可用的焊接方法有钨极氩弧焊和埋弧焊等。1) 钨极氩弧焊。2) 埋弧焊。,知识目标： 1.了解钛及钛合金的性能特点和应用； 2.熟悉钛及钛合金的焊接性； 3.掌握钛及钛合金的焊接工艺。能力目标： 能够根据钛及钛合金的实际条件正确分析他们的焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。,7.3 钛及钛合金的焊接,7.3.1 钛及钛合金的分类和性能,分类,在885以下为密排六方晶格，称为钛,钛合金,钛合金,+钛合金,根据杂质（主要是氧和铁）含量以及 强度差别分为TA1、TA2、TA3几个牌号,在885以上为体心立方晶格
16、，称为钛,其牌号分别以T加A、B、C和顺序数字表示。TA4-TA10表示钛合金，TB2-TB4表示钛合金，TC1-TC12表示+钛合金,工业纯钛,钛合金,表7-17 常用钛及钛合金的力学性能,7.3.2 钛及钛合金的焊接性,焊接接头区的脆化,焊接区裂纹倾向,焊缝气孔,氧的影响,氮的影响,氢的影响,氧为稳定元素,氮也是稳定元素,氢是相稳定元素,碳的影响,提高强度、降低塑性,热裂纹,材质的影响,冷裂纹和 延迟裂纹,工艺因素的影响,图7-12 焊缝含氧、氮量变化对接头强度和弯曲塑性的影响（图中虚线表示接头强度，实线表示弯曲塑性）,图7-13 氩气中氧、氮和空气含量 变化对工业纯钛焊缝硬度的影响,图7
17、-14 含氢量对焊缝及焊接接头力学性能的影响,7.3.3 钛及钛合金的焊接工艺,焊接方法及焊接材料,应用最多的是钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊,钛及钛合金焊接时的填充 金属与母材的成分相似。,等离子弧焊、电子束焊、 钎焊和扩散焊等也有应用。,常规的焊条电弧焊、气焊、CO2气体保护焊不适用于钛及钛合金的焊接,焊前 准备,坡口的制备与装配,焊前清理,化学 清理,焊 前 准 备,采用剪切、冲压和切割下料的工 件需对其接头边缘进行机械清理。,钛板热轧后已经过酸洗，但存放较久又生成新的氧化膜时，可将钛板浸泡在体积分数为(2-4)%HF+(30%-40)%HNO3+H2O（余量）的溶液中15- 20min，然后
18、用清水冲洗干净并烘干。热轧后未经酸洗的钛板，应先进行碱洗。经酸洗的焊件、焊丝应在h内焊接，否则要重新酸洗。,搭接接头尽可能不采用。厚度大的母材需开坡口并添加填充金属，尽量采用平焊。,坡口加工时应采用刨、铣等冷加工工艺，以减 小热加工时容易出现的坡口边缘硬度增高现象。,焊接工艺及参数,氩气流量,钨极氩弧焊,熔化极氩弧焊（MIG）,气体保护,工艺参数,焊后热处理,等离子弧焊,表7-19 钛及钛合金TIG焊的保护措施及特点,表7-18 工业纯钛焊缝表面颜色与接头冷弯角的关系,1. 铝及其合金是如何分类的，各以何种途径强化？铝合金焊接时存在什么问题，在焊接性方面有何特点（哪些焊接性好，哪些焊接性差）？
19、2. 为什么Al-Mg合金及Al-Li合金焊接时易形成气孔？铝及其合金焊接时产生气孔的原因是什么，如何防止气孔？分析为什么纯铝焊接易出现分散小气孔，而Al-Mg合金焊接则易出现集中大气孔？,课后题：,3. 纯铝及不同类型的铝合金焊接应选用什么成分的焊丝比较合理？4. 硬铝和超硬铝焊接时易产生什么样的裂纹，为什么？如何防止裂纹？,课后题：,5. 分析高强度铝合金焊接接头性能低于母材的原因及防止措施。焊后热处理对焊接接头性能有什么影响？什么情况下应对铝合金接头进行焊后热处理？6. 铜及铜合金的物理化学性能有何特点，焊接性如何？不同的焊接方法对铜及铜合金焊接接头质量有什么影响？,课后题：,7. 分析采用埋弧自动焊和氩弧焊焊接中等厚度纯铜板的焊接工艺特点，各有什么优、缺点。8. 分析O2、H2、H2对钛及钛合金焊接接头质量的影响。分析C对钛及钛合金焊接质量的影响。,课后题：,9. 分析钛及钛合金焊后焊接接头表面颜色变化的原因及其对焊接接头力学性能的影响。10. 钛及钛合金焊接线能量应如何选择？为什么钛及钛合金焊接过程中应采取必要的保护措施，说明其道理。,课后题：,
