有色金属焊接

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
2）极性的影响
TIG焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除
净的氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。这种 氧化膜不仅提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着。刚形 成熔池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来， 则氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上萌生气泡； 由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡 是在熔化早期形成的，有条件长大，所以常造成集中的大气 孔。这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重。坡口端部氧化 膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口边缘分布，内壁呈氧化 色，这是其重要特征。由于Al-Mg合金比纯铝更易于形成疏 松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-Mg合金比纯铝更容易产 生这种集中的氧化膜气孔。因此，焊接铝镁合金时，焊前须 仔细清除坡口端部的氧化膜。
常用的纯铝牌号有1A99、1A97、1A93、 1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、 1200。 纯铝的主要用途是代替贵重的铜合金，制 作导线、电器元件及换热器件；制作各种 要求质轻、导热、耐大气腐蚀但强度不高 的器具；配制各种铝合金。
变形铝合金的牌号也用四位国际字符体系来表示。 例如，2A11表示铝铜原始合金；5A05表示铝镁原 始合金，5B05表示铝镁改型合金。
纯铝焊丝表面清理方法对焊缝含氢量的影响
处理方法
气体总量 /mL•100g-1 氢量 /mL•100g-1 氢体积比率 (%)
未处理
2.8 2.1 74.9
不完全的 机械刮削 1.6 1.3 81.3
15%NaOH（2min）+ 15%HNO3（8min）+水洗干燥 1.0 0.7 70.0
沸腾蒸馏水中加热 1h ， 室内存放1d 8.7 6.9 79.3
牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文 大写字母Ａ、Ｂ或其他字母（有时也用数字）。
ห้องสมุดไป่ตู้
第一位数字为2～9，表示变形铝合金的不同组别， 其中“2”表示铝铜合金，“3”表示铝锰合金，“4” 表示铝硅合金等；最后两位数字为合金的编号， 没有特殊意义，仅用来区分同一组别中的不同合 金； 如果第二位字母为A，则表示原始合金，如果是B 或其他字母，则表示原始合金的改型合金，如果 是数字，则0表示原始合金，1～9表示改型合金。
LC9。
飞机主起落架
D、锻铝合金 ( LD ) :
Al – Mg – Si – Cu 具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效
来提高铝合金的力学性能。LD5、LD6、LD10。
制造形状复杂的大型 锻件，如内燃机的活 塞、汽缸等。
压气机叶片
铝合金的分类
分类 非热处理强 化铝合 金 合金名称 防锈铝 合金系 Al-Mn Al-Mg 性能特点 抗蚀性、压力加工性与焊接性 能好，但强度较低 牌号示例 3A21 5A05
§6 有色金属焊接 一、概述
1、铝的性能特点
密度小;导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好;塑性高; 强度低; 无磁性;无打击火花;加工工艺性好等。
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
2、铝合金的分类
铝合金的焊接
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
防止产生气孔的途径： （1）减少氢的来源：烘干焊接材料；焊前清理氧化膜等； （2）控制焊接参数：即通过焊接参数的调整影响熔池高温存在时间，从而
不能热处理强化。
B、硬铝合金 ( LY ) Al – Cu – Mg 通过 时效强化提铝合金强度, 但耐蚀性不高。LY1、 LY11、LY12。
飞机翼梁(腹板为硬铝合金)
C、超硬铝合金 ( LC ) Al – Zn – Mg – Cu 通过 时效强化和形成的强化相, 使铝合金达到最高的硬度和 强度。但耐蚀性较差。LC4、
铲根对焊缝气孔的影响 （Al-4Mg-1Mn，MIG） 1—未铲根 2—铲根
TIG 焊焊接参数对焊缝中扩散氢[H]的影响 [母材为5A06（LF6）]
MIG焊焊接参数对焊缝气孔的影响
4、焊接热裂纹倾向大
纯铝和非热处理强化铝合金（如Al-Mn、Al-Mg合金等），一般是不容易
产生裂纹的。而硬铝及大部分热处理强化铝合金，产生裂纹的倾向较大。 对含有铜的硬铝（Al-Cu-Mg）和超硬铝（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很 难用熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头，所以一般不能选用熔焊方法制造硬 铝和超硬铝焊接结构。
铸造性能好，不能热处理强化， 力学性能较低
铸造性能良好，可热处理强化， 力学性能较高
铸造铝合金
铝铜铸造合 金
铝镁铸造合 金
Al-Cu
Al-Mg
耐热性好，铸造性能与抗蚀性 差
力学性能高，抗蚀性好
ZL201
ZL301
铝及其合金的牌号、成分及性能 纯铝牌号以国际四位数字体系表达：
如1A99表示铝的质量分数为 99.99 ％的原始纯 铝； 1B99表示铝的质量分数为 99.99％的改型纯铝； 1070表示杂质极限含量无特殊控制、铝的质量 分数为 99.70％的纯铝；
铝合金的焊接
在焊接快速加热条件下， 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”。
氢的来源： （1）弧柱气氛中的水分、焊材及母材所吸附的水分；
氢在铝中的溶解度（pH2=101kPa)
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）
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”。
变 形 铝 合 金
硬铝
热处理强化 铝合金 超硬铝 锻铝 铝硅合金 特殊铝合金
Al-Cu-Mg
Al-Cu-Mg-Zn Al- Mg-Si- Cu Al-Cu-Mg-Fe-Ni Al-Si Al-Si-Mg Al-Si-Cu
力学性能高
强度最好 锻造性能好，耐热性能好
2A11
7A04 6A02 2A70 ZL102 ZL101 ZL107
熔滴金属易于吸收氢；TIG焊时，熔池金属表面与气体氢反应，因比表
面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如MIG焊时容易。同 时，MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深，也不利于气泡的浮出。所以， 在同样的气氛条件下，MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大。
（2）氧化膜中水分的影响
在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已严格限制， 这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔 的主要原因。氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-Mg合 金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。MIG焊由于 熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水 分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多。
铝及铝合金常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区 液化裂纹。
铝合金接头中的结晶裂纹
铝合金的焊接
铝合金接头热影响区中的液化裂纹 铝合金的焊接
液化裂纹产生原因
在母材的热影响区中，成 分为XC的铝合金在平衡状态下， 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。
MIG焊时，焊丝氧化膜的影响更为显著，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
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，
2、焊接时耗能大
铝合金的熔点虽低，但其比热容高（约是钢的2倍），热导率大（约
是钢的3倍），线膨胀系数大（约是铁的2倍）。因此，焊接铝及铝合金 比焊接钢要消耗更多的热量，为防止变形，必须采用能量集中、功率密 度大的热源，有时还需采用预热等工艺措施。
3、气孔倾向性大
氢是铝在熔焊时产生气孔的主要原因。 氢气孔易产生的原因： （1）氢在液态和固态铝中的溶解度相差很大（近20倍），高温下溶入的大 量气体，在焊后冷却凝固过程中由于溶解度的变化要析出大量气体。 （2）铝和铝合金的导热能力强，焊后冷却速度快，不利于气体的析出； （3）铝和铝合金的密度小，气泡上浮速度慢。
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
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；
有利于气孔逸出； 或者采用Ar+0.5~1%O2，Ar+2~5%CO2，增强保护气氛 的氧化性，减少氢。
铝合金的焊接
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
母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG)
按合金化系列，铝及其合金分为：工业纯铝（1××× 系）、铝铜合金（2×××系）、铝锰合金（3××× 系）、铝硅合金（4×××系）、铝镁合金（5××× 系）、铝镁硅合金（6×××系）、铝锌镁铜合金 （7×××系）。 按热处理方式，铝合金分为：非热处理强化铝合金和热 处理强化铝合金。前者只能变形强化，后者既能变形强 化，也可热处理强化。 按产品成形方法不同，分为：变形铝及铝合金、铸造铝 合金。
Cu、Mg和Mn 能提高强度，Ti 能细化晶粒，Mg
能防止海水的腐
蚀，Ni能提高耐 热性。
不能热处理强化铝合 金:主要在1、3、5系 列
形变铝合金 能热处理强化铝合 金: 2、6、7和8系列
铝合金 的分类
（合金元素及 加工工艺性）
铸造铝合金
3、常用的铝合金
按化学成分和性能特点，分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。 A、防锈铝合金 ( LF ) : Al – Mn 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝 好 )。例如:LF21。 Al – Mg 通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性 ( 比纯铝 轻 )。 例如:LF2、LF6等。
铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔”（Al-Zn-Mg,TIG）
不同合金系对弧柱气氛中水分的影响不同：纯铝对气氛中的水分最 敏感。Al-Mg合金Mg含量增高，氢的溶解度和引起气孔的临界氢分压pH2 随之增大，因而对吸收气氛中水分不太敏感。同样焊接条件下，纯铝焊
缝产生气孔的倾向要大些。
不同的焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性也不同：MIG焊时，焊丝 以细小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，
二、铝和铝合金的焊接性
1、容易氧化
铝的化学性质活泼，与氧的亲和力很强，在空气中极易与氧结合生
成致密的氧化铝（Al2O3）膜，氧化膜对焊接过程造成以下影响： 熔点高达2050℃（而铝只有600℃），易形成未熔合；
密度大（Al2O3为3.965g/cm3），约为铝的1.4倍，易形成夹渣；
氧化铝膜存在于熔池表面时，影响电弧的稳定燃烧，阻碍焊接过程 的正常进行； 氧化膜对水分有很高的吸附能力，在焊接时会促使焊缝中生成气孔。 预防： 严格清理焊件表面的氧化物； 对熔池及高温区金属应进行有效保护，防止在焊接过程中的再氧化。
影响氢溶入时间和析出时间来控制气孔产生。
TIG焊：小热输入---减少熔池存在时间---减少氢的溶入 同时为保证根部熔透，需用大电流，所以应：I大，V大； MIG焊：水分主要来自氧化膜---增大熔池存在时间---气泡析出，所以应： I大，V小，必要时预热。 （3）改变弧柱气氛性质。如氩弧焊中，Ar中加入少量CO2或O2，是氢发生氧 化从而减小氢的分压。