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1、铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,船用铝及其合金的焊接,上海交通大学焊接工程技术研究所,楼松年 教授,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,1.铝合金的分类,2.铝合金的物理、化学性能,3.铝合金焊接时的气孔,4.铝合金焊接时的裂纹,5.铝合金焊接时的等强性,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering
2、Institute of Shanghai Jiao Tong University,1.铝合金的分类,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,可热处理合金,该类合金是通过加工强化和固溶强化来获得所需要的强度,通常的固溶强化元素有Mg和Mn,主要在1xxx、3xxx、5xxx系列的合金中。,不可热处理合金,材料的强度和硬度依靠合金成分和热处理(固溶处理和淬火+自然或人工时效处理生成的细小弥散相强化)获得。主要的合金元素主要存在于2xxx、6xxx、7xxx和8xxx系列
3、合金中。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,铸铝和锻铝,铸铝合金中的合金元素含量高于锻铝,这样改善了铸铝件的质量,但是对其加工性能则不利。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,常用的铝合金焊丝,4043(Al-Si):用于Al-Si 和Al-Mg-Si系(6061、6082等)以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和TIG焊。5356(Al-M
4、g-Si):用于Al-Mg系(Mg5%)合金的MIG和TIG焊。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,2.Al合金的物理化学性能,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,线膨胀系数大,比热大,是钢的1倍;比热大,是钢的2倍;密度小;晶型是面心立方,没有同素异构转变,塑性好,无低温脆性转变,但强度比较低。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究
5、所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,3.铝合金焊接过程中形成的气孔 铝是活性元素,本身能脱氧,不象钢焊接过程中会形成CO或CO2气孔,所以主要是氢气孔。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,(1)氢的主要来源 1)保护气体中的水分;2)焊材和母材表面吸附的水分;3)工件坡口处的氧化膜、油污等。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering I
6、nstitute of Shanghai Jiao Tong University,(2)产生气孔的原因 主要是由铝本身的物理性能造成的。,1)产生气孔的临界氢分压最低 氢在铝中的固溶度(S)与氢分压PH2有关:,S=K PH2,产生气孔时几种金属临界氢分压的比较:Al Cu Ni Fe,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,即在焊接铝、铜、镍和铁时,铝产生气孔时所需的临界氢分压最低,所以容易产生气孔,纯铝的最低,所以纯铝对气氛中的水分最为敏感。,铝合金的焊接,上海交
7、通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,2)与氢在铝中的溶解度变化有关,氢在铝中的溶解度,氢在铝合金的凝固点时从0.69突降到0.036ml/100g,相差约20倍,这是产生气孔的重要原因。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,3)铝的导热系数很大,在相同的工艺条件下,铝熔合区的冷却速度是高强钢的47倍,不利于气泡的逸出。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究
8、所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,冷却速度很大时,在凝固点以上溶解度差形成的气孔虽然不多,但来不及逸出,形成粗大孤立的皮下气孔。,铝合金焊接中的“皮下气孔”(LF6,TIG),铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,冷却速度较小,在凝固点溶解度发生突变,沿结晶的层状线形成均布形式的“结晶层气孔”。,铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔”(Al-Zn-Mg,TIG),铝合金的焊接,
9、上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,(3)焊缝气孔的影响因素,1)焊接方法的影响 MIG焊时,焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡,弧柱温度高,熔滴比表面积大,熔滴易于吸氢;TIG焊时,主要是熔池金属表面与氢反应,比表面积小,熔池温度小于弧柱,吸氢条件不如MIG有利;另外,MIG焊熔池深度大于TIG焊,不利于氢气泡的逸出。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,
10、2)极性的影响,TIG焊时,直流反接,具有阴极雾化作用,可以避免氢的产生,但钨极易烧损,形成缺陷;正接时无阴极雾化作用,熔深大,对气泡逸出不利,所以采用交流。MIG焊时,采用直流反接,无阴极雾化作用,也没有钨极烧损。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,3)焊接工艺参数,焊接规范主要影响熔池在高温的停留时间,从而对氢的溶入时间和析出时间产生影响。,TIG焊时,采用小线能量,采用较大的规范,高的焊速,减少熔池存在时间,减小氢的溶入;MIG焊时,焊丝氧化膜的影响更为显著
11、,不能通过减少熔池时间来防止氢向熔池的溶入,所以通过降低焊速和提高焊接线能量来增大溶池存在时间,有利于减少焊缝中的气孔。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,4)保护气体中的水分和氧化性影响,采用高纯Ar或采用Ar+He改变(即提高)热容量,改变溶池形状,使尖“V”型变为圆底型,延长溶池停留时间,有利于气孔逸出;或者采用Ar+0.51%O2,Ar+25%CO2,增强保护气氛的氧化性,减少氢。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineeri
12、ng Institute of Shanghai Jiao Tong University,5)表面状态的影响,不同的焊材、母材,其氧化膜性质不同,对气孔的影响有差别。MgO疏松,易吸水,产生气孔倾向大;MnO致密,不易吸水,气孔倾向小。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,母材氧化膜引起的气孔(LF6,TIG),铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong Unive
13、rsity,6)环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。,0C以下,湿度不影响气孔的产生;0C以上,温度越高,湿度越大,越易对气孔敏感。另外,表面油污也可以导致气孔。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,3.铝合金焊接过程中形成的裂纹,铝合金是典型的二元或多元共晶合金,在焊接加热和冷却过程很迅速,合金来不及建立平衡状态,固相和液相之间的扩散来不及进行,先结晶的为高熔点组元,后结晶的为低熔点组元被排挤到焊缝中心,在焊接应力作用下发生开裂,形成焊缝中心结晶裂纹。,铝合
14、金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,铝合金接头中的结晶裂纹,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,铝合金接头热影响区中的液化裂纹,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,液化裂纹的说明,在母材的热影响区中,成分为XC的铝
15、合金在平衡状态下,t1温度下组织为+,t2时中的组元开始向固溶体溶解,t3时全部转化为固溶体。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,液化裂纹的说明,在焊接快速加热条件下,在t2 来不及溶解,达不到平衡,到t3时仍可能为+两相状态,t4时已超过共晶温度,中的组元还未完全溶入固溶体,则在和两相界面出现共晶液相,这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜形成“液化裂纹”。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of S
16、hanghai Jiao Tong University,(2)热裂纹的形成原因,1)拘束度的影响;2)液固相距离宽,生成柱状晶,柱状晶之间产生成分偏析,导致容易产生裂纹;3)材料因素的影响:a)铝合金为共晶合金,裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系;,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度(x m):Al-Mg:x m=2%Mg;Al-Zn:x m=1012%Zn;Al-Si:x m=0.72%Si;Al-Cu:x m=2%Cu
17、。,如果存在其他元素或杂质时,可能出现三元共晶,其熔点比二元更低,结晶温度区间更大,更容易产生热裂纹。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,b)线膨胀系数大,是钢的1倍,在拘束条件下焊接,容易产生较大的焊接应力,增大裂纹倾向;c)铝合金焊接过程中无相变,柱状晶粗大,容易偏析。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,(3)热裂纹的影响因素,1
18、)焊缝合金系统的影响 控制适量的易熔共晶,缩小结晶温度区间。少量的易熔共晶增大热裂倾向,增大主要合金元素x m,对热裂纹产生愈合作用。焊接Al-Mg合金时采用Mg含量超过3.55%的焊丝;LF21(Al-Mn)采用Mg含量超过8%的焊丝;对热裂倾向大的LY合金采用含5%Si的Al-Si焊丝解决抗裂问题。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,2)变质剂的影响 Ti、Zr、V、B微量元素作为变质剂,在焊接过程中生成细小难熔质点,作为结晶时的非自发形核核心,细化晶粒,改善
19、塑性,还能显著改善抗裂性能。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,3)焊接规范的影响 采用热能集中的焊接方法,有利于快速进行焊接,防止形成方向性强的粗大柱状晶,改善抗裂性。采用小电流施焊,减小熔池过热;增大焊速和提高电流都不利于抗裂。因为提高焊速,促使焊接接头的应变速率,增大热裂倾向。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,5.铝合金焊接中
20、接头的等强性问题,(1)不可热处理合金(LF Al-Mg)不可热处理铝合金的主要问题是晶粒粗化(焊接热影响区温度超过再结晶温度,一般为200300C,引起晶粒长大)而降低塑性,表现为接头强度低于母材。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头软化与焊接峰值温度的关系,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,不可热
21、处理铝合金焊接前后强度变化,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,影响因素,1)热影响区温度峰值越高,软化越明显;2)焊前冷作强化程度越高,焊后失强越明显,而且这种软化无法消除;3)冷却速度对软化影响不大。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,2)热处理强化合金(LD、LY、LC),热处理铝合金的软化问题主要是“过时效”软化。严重程度取决于
22、第二相的性质,也和热循环特性有一定关系。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,时效强化:固溶度变化大的合金,加热至高温后急冷,都可形成过饱和固溶体SS,即固溶处理。然后常温或稍高温度加热,即可产生所谓的“时效”过程而强化。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,时效过程:时效初期,SS中发生溶质原子偏聚形成局部富集GP区,随温度或时间延长,
23、发展为一种共格过渡相,其成分与平衡非共格相相同,但点阵不同而且未脱溶,随温度或时间延长,转化为而脱溶析出。“过时效”:一般在GP区合金发生强化,微细共格相,开始出现时强度进一步提高,一旦发生,向转化,强化作用降低,转变结束时强化作用消失,成为“过时效”。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,焊接过程中,焊接温度超过过时效温度,产生过时效和脱溶,所以导致强度损失。,无论退火态还是时效态下焊接,焊后不经热处理,接头强度均低于母材,特别是在时效态下焊接超硬铝,焊后即使进行
24、人工时效,接头强度系数(接头/母材)也没有超过60%。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,Al-Cu-Mg硬铝的时效过程是很快的,而Al-Zn-Mg合金的时效过程是很慢的,说明前者比后者的第二相易于脱溶,所以在焊后强度损失大。另外Al-Cu-Mg在焊后560天自然时效对强度改善不明显,而Al-Zn-M
25、g则在焊后4天自然时效,软化开始显著消失,30天后基本消失。Al-Zn-Mg合金的这种自然时效消除焊接软化问题值得注意。,小件采用人工时效,大件采用自然时效。,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,铝合金接头的导电性、耐蚀性下降,原因是铸造组织的形成和合金元素的污染。,上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,Thanks for listening!,铝合金的焊接,