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。