铝及其合金的焊接

铝及其合金的焊接第一节铝及其合金的类型和特性一、铝及其合金的类型根据铝合金的化学成分和制造工艺可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

在变形铝合金中又可分为非热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。

非热处理强化铝台金通过加工硬化、固溶强化来提高力学性能。

二、铝及其合金特性特点：与低碳钢相比较，具有密度小，电阻率小，线膨胀系数大(约为低碳钢线膨胀系数的2倍)，导热系数大(铝及其合金熔合区的冷却速度为高强钢熔合区冷却速度的(4～7)倍)、良好的耐蚀性、较高的比强度，优异的低温韧性，但强度低。

抗拉强度一般不超过100MPa，热处理后能达到400 MPa。

1. 纯铝：高耐蚀性、较好的塑性2. 防锈铝：强度中等，塑性和耐蚀性好，焊接性也好，是目前焊接结构中应用最广泛的铝合金。

典型牌号：LF4、LF5铝锰合金：Mn1.0～1.6%。

大于1.6%脆性化合物增加。

LF21铝镁合金：铝镁合金的强度随含镁量的增高而增高，但含镁量增多（大于7%）出现脆性相(Mg2Al3) 使合金的塑性、耐蚀性、特别是抗应力腐蚀性能下降。

Si的存在形成脆性相Mg2Si塑性、耐蚀性下降、Mn加入0.15～0.8%耐蚀性增加，强度提高。

Ti、V加入0.1%左右，能获得细晶粒组织。

3.硬铝：典型牌号LY12，成分Al-Cu-Mg系。

Cu、Si、Mg等元素，形成溶解于铝的化合物，促使合金热处理时强化，耐蚀性差，焊接性不良，热裂倾向大。

4. 超硬铝：LC4 ，成分Al-Zn-Mg-Cu系。

抗拉强度可达588Mpa，塑性较差。

非时效强化铝合金的强度比纯铝高、塑性及耐磨性好，特别是焊接性好，所以广泛用作焊接结构材料。

时效强化铝合金的焊接性较差，焊接时容易出现裂纹，所以在焊接结构中应用较少。

铸造铝合金的铸造性能良好，强度较高，焊接性也较好，其铸造缺陷可以焊补。

第二节铝及其合金的焊接性分析铝及铝合金与黑色金属不同，由于它容易氧化、导热性强、热容量和线膨胀系数大，熔点低及高温强度小等特性，所以给焊接工作带来一些困难。

铝及铝合金焊接的主要问题如下:(1)容易氧化。

铝和氧的亲和力大，在常温下便生成一层致密而熔点很高(2050℃)的氧化膜(Al203)，其密度比纯铝大(3.83g/cm3)。

在焊接过程中，它会阻碍焊件之间的熔合，极易造成焊缝金属夹渣，引起焊缝性能下降。

(2)容易产生气孔。

液态铝可溶解大量氢气，而固态时却儿乎不溶解氢。

因此，熔池金属结晶时，原来溶于液态铝中的氢全部析出，形成气泡。

但因为铝及铝合金的比重小，气泡从熔池中上浮的速度慢，而且铝的导热性很强，冷凝快，因此，在焊接铝时很容易产生气孔。

(3〕容易烧穿。

当铝受热温度升高后，强度和塑性很快下降，在370℃时强度仅为9.8MPa，加之铝熔化时，表面颜色没有明显变化，所以不易判断焊件是否熔化及熔池温度的变化情况，极易因熔池温度过高而烧穿焊件。

(4)产生热裂纹的倾向较大。

铝及其合金焊接时，在焊缝金属和热影响区中均常出现热裂纹。

铝合金多是共晶型合金，由液相线到固相线的结晶温度区间较大，且易熔共晶呈薄膜状分布于晶界时，破坏晶间联系力，因而增大铝合金的热裂倾向。

另外，铝合金的线胀系数比钢约大一倍，在拘束条件下焊接时，产生较大的焊接应力，这也促使铝合金产生裂纹。

一、焊缝中的气孔（一）铝极其合金熔焊时形成气孔的特点氢是熔焊时产生气孔的主要原因。

来源：弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分、焊丝及母材表面氧化膜吸附的水分。

1. 弧柱气氛中的水分的影响气孔形成原因：弧柱气氛中的水分分解而来的氢，溶入过热熔融金属中特点：白亮内壁通过氢溶解度变化特征解释市产生气孔的原因：据研究，在凝固点氢在铝中的溶解度从0.69(m1／100g)突然下降至0.036(m1／100g)，从液相到固相溶解量相差约20倍(钢材中，液相、固相中H溶解量相差约2倍)。

此外，铝及铝合金比重小、导热性强，致使溶解于熔池中的大量氢在焊缝金属冷凝时来不及析出形成气孔。

此外，合金系统不同，对弧柱气氛中水分的敏感性不同，纯铝最敏感，Al-Mg合金，随Mg增加不敏感。

MIG 焊时，弧柱温度高，熔滴比表面积大，焊缝气孔倾向大于TIG。

2.氧化膜中水分的影响正常状态下，弧柱气氛中的水分已尽量的控制。

焊丝或工件的氧化膜所吸附的水分是生成气孔的主要原因。

1）铝合金气孔倾向大于纯铝原因：铝合金氧化膜由Al2O3、MgO构成。

MgO越多，氧化膜越不致密，吸水性越强。

2）焊接方法不同，氧化膜的影响也不同。

（二）防止焊缝气孔的途径1、减少氢的来源1）焊前要对焊丝、焊条、焊剂和保护气体进行干燥处理，严格限制其含水量(研究得出，气体保护焊时，氩中的含水量小于0.08％就不易形成气孔)。

2）焊丝及母材表面氧化膜应彻底清除，采用化学方法或机械方法。

2、控制焊接工艺控制焊接工艺来防止气孔的产生，是通过限制溶氢量和改善氢的逸出条件来实现的。

在TIG焊时，尽量采用小线能量，以减少气氛中氢的溶入。

在MIG焊时，焊丝以极细小熔滴过渡到熔池中，弧柱的温度高，所以MIG焊熔滴金属的溶氢量显然会比TIG焊填充金属的溶氢量多。

减少熔池的存在时间，难以有效防止焊丝氧化膜分解氢熔入。

此外，MIG 焊的熔深比TIG焊的熔深大，在相同气氛下进行焊接MIG焊的含氢量较T1G焊的含氢量多。

所以MIG焊时，低焊速配合高线能量较好。

二、焊接热裂纹铝及铝合金焊接时，发现的热裂纹主要是焊缝金属的凝固裂纹和近缝区的液化裂纹。

（一）铝合金焊接热裂纹的特点铝合金为共晶型合金，热裂纹倾向与凝固温度区间成比例，这个结论是由状态图分析得出的。

熔焊时处于不平衡凝固条件下，先凝固的固相中合金元素含量少，液相中的合金元素含量多。

固相线向左下方移动。

致使焊接热裂纹倾向最大的合金成分并不是状态图中合金凝固温度区间最大的成分，裂纹倾向最大的合金成分均小于它在合金中的极限溶解度。

如，A1-Mg合金中的最大热裂纹倾向Mg含量约2％；A1-Zn合金中最大Zn含量约为10％～12％；A1-Si合金中最大Si含量约为0.7％；A1-Cu合金中最大Cu含量约为2％此外，铝合金线膨胀系数比钢线膨胀系数大一倍，在拘束条件下焊接易产生较大的焊接热应力，这也是焊接铝合金时具有较大热裂纹的原因。

（二）防止焊接热裂纹的途径1.合金系统的影响从防止热裂纹考虑，控制适量的易熔共晶和缩小结晶温度区间，都能提高抗裂倾向。

铅合金为共晶型合全，虽然少量易熔共晶的存在会增大其凝固裂纹倾向，但适量的易熔共晶能改善合金的流动性，从而提高其抗裂性能。

例如：A1-Mg合金焊丝含Mg量超过3.5％或5％硬铝之类的高强铝合金可以采用标准的A1-5％Si焊丝，能产生较多的易熔共晶，流动性好2.焊丝成分的影响同质焊丝，裂纹倾向大，焊接时宜改用其他合金组成的焊丝，一般采用标准的A1-5％Si 焊丝、A1-5％Mg焊丝，具有较好的抗裂效果。

向铝合金焊丝中的加入微量元素(变质剂)Ti、V、Zr、B等，不仅可细化合金的晶粒、改善其塑性和韧性，而且可显著地提高合金的抗裂性能。

3、焊接工艺参数的影响热能集中的焊接方法，有利于快速焊接(可防止粗大的柱状结晶)，改善抗裂性能。

小焊接电流，可减少焊接熔池过热，有利提高抗裂性。

焊接速度提高，增大了变化速度，因而会增大热裂倾向。

三、焊接接头的等强性非时效强化铝台金，在退火状态下焊接时，可认为焊接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。

时效强化铝合金(除A1-Zn-Mg合金)，无论是在退火状态下还是在时效状态下焊接，焊后不经热处理，其接头强度均低于母材的强度。

A1-Zn-Mg合金的焊接接头强度与焊后自然时效的时间长短有关，该合金焊后仅靠自然时效的时间延长，焊接接头的强度就可提高到接近母材强度水平。

四、焊接接头的耐蚀性由于焊接接头组织不均匀，尤其是有析出相存在时，可使其电极电位不均匀，所以焊接接头的耐蚀性通常都低于母材的耐蚀性。

这种耐蚀性的降低，对热处理强化铝合金尤其显著。

为了改善焊接接头的耐蚀性，目前主要采取以下措施。

1．通过焊接材料的合金化，细化晶粒，防止缺陷；调整焊接工艺，减小焊接热影响区，防止过热；焊后热处理等方法改善焊接接头组织、成分的不均匀性。

2．采用退火及局部锤击，消除焊接残余应力。

3．采用涂层或阴极保护等。

第三节铝及其合金的焊接工艺一、焊接工艺的一般特点1. 从物理性能看导热系数大，热容量大。

要求采用能量集中的热源线膨胀系数大，要采用垫板和夹具，防止焊接变形2. 从化学性质看强氧化能力，易产生气孔，夹杂物焊前采用化学和机械的方法清理，焊接过程加强保护，氩弧焊时利用阴极清理作用，气焊或其他熔焊时，采用能去氧化膜的焊剂。

3. 接头形式及坡口准备工作薄板焊接一般不开坡口，大功率焊接时板厚可增加，厚度小于3mm可采用卷边接头。

二、焊接工艺制定问题根据牌号、焊件厚度、产品结构、生产条件及接头质量要求选择焊接方法：1．气焊气焊灵活，有经验，设备简单，生产中常用于薄板(0.5mm～2.0mm)的焊接和铸件的焊补。

但气焊热量分散，热影响区大，焊件变形大。

焊接接头质量低（晶粒粗大、组织疏松、夹杂、裂纹等）现已逐渐被氩弧焊所代替。

2.钨极氩弧焊(TIG)特点：热量集中、电弧稳定、焊缝致密、接头强度塑性高。

应用：重要结构，可焊板厚1～20mm，主要是薄板3. 熔化极氩弧焊(MIG)特点：热量集中、HAZ小、生产效率高应用：厚件的焊接50mm以下的纯铝及铝合金板材此外，电阻点焊、缝焊常用于4mm以下的铝合金薄板，电子束焊、激光焊也可用于铝合金薄板。

4. 氩弧焊焊接工艺(1)氩气氩气的纯度要求在99.9％以上，O、N含量增加，能恶化阴极雾化作用。

(2)钨极氩弧焊(TIG)TIG焊时，直流反极性联接，电流过大会使钨极烧损很快，并可造成焊缝夹钨、所以电流应限制得较小；直流正极性联接无阴极清理作用。

TIG焊一般都采用交流电源。

TIG焊在功率一定条件下，焊接速度与焊件厚度有关，手工焊时Vh＝(0.065～0.25)m/min,自动焊时Vh＝(0.25～0.50)m/min。

在钨极直径一定时，随着焊接电流的增加，焊接速度也要相应提高，保护气体流量要伴随焊接速度的改变作调整。

(3)熔化极氩弧焊(MIG)MIG焊时，通常采用直流反极性联接，为了获得稳定的射流过渡电弧。

一般希望焊接电流超过“临界电流”值。

由于临界电流的限制，在焊接厚度小于3mm的焊件时，须采用很细的焊丝，这给送丝造成很大困难。

焊接铝合金厚板时，MIG焊具有优越性，但焊接电流不能过大．超过300A～400A时焊缝表面易产生皱皮。

焊接薄构件，特别是热处理强化铝合金材料的构件，熔化极脉冲氩弧焊具有明显的优越性。

MIG焊，Vh＝(0.15～1.50)m/min；V＝(1.1～10.0)m/min。