焊接冶金学有色金属的焊接

表5-5
工业 铝锰 纯铝 合金 焊接方法 1070 3003 1100 3004 TIG 焊 (手工、自 动) MIG 焊 (手工、自 动) 脉冲 MIG 焊 (手工、自 动) 气焊 焊条电弧 焊 电阻焊 (点焊、缝 焊) 等离子弧 焊 电子束焊
部分铝及铝合金的相对焊接性
焊接性及适用范围 铝镁 铝铜 适用厚度 合金 合金 /mm 508 505 3 2 2014 推荐 可用 505 545 2024 6 4 好 好 很差 1~10 说 明
/MPa 45 90 140 130 160 200 250 270 420 210 380 180 470 210 430 180 300 160 323.4 215.6 127.4 588 254.8
0.2=10
30 100 50 130 100 210 150 240 110 220 110 330 110 300 100 170 60 274.4 117.6 60 539 127.4
铝合金的气焊 （1）气焊的接头形式
气焊铝合金时，不宜采用搭接接头和T形接头，这种接 头难以清理流入缝隙中的残留熔剂和焊渣，应尽可能采用对接 接头。为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿，可以采用带 槽的垫板，垫板一般用不锈钢或纯铜等制成，带垫板焊接可获 得良好的反面成形，提高焊接生产率。 （2）气焊熔剂的选用 铝合金气焊时，为了使焊接过程顺利进行，保证焊缝质量， 气焊时需要加熔剂来去除铝表面的氧化膜及其他杂质。 气焊熔剂（又称气剂）是气焊时的助熔剂，主要作用是去 除气焊过程中生成在铝表面的氧化膜，改善母材的润湿性能， 促使获得致密的焊缝组织等。气焊铝合金必须采用熔剂，一般 是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊丝上加入 熔池内。
焊缝中的气孔
铝及铝 合金的 焊接性
焊接热裂纹
焊接接头的“等强性”
焊接接头的耐蚀性
1.2 铝合金的焊接性特点 铝合金熔化焊时有如下困难和特点： （1）铝和氧的亲和力很大，因此在铝及铝合金表面总 有一层难熔的氧化铝膜远远超过铝的熔点，这层氧化膜 不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿。在焊接或钎 焊过程中应将氧化膜清除或破坏掉。 2）熔焊时，铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上。 在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素可获得不同 性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响不 同。 （3）铝合金的固态和液态色泽不易区别，焊接操作时 难以控制熔池温度。 （4）焊后焊缝易产生气孔，焊接接头区易发生软化。 对铝合金进行焊接，可以用多种不同的焊接方法，表 5-5所列的为部分铝合金的相对焊接性。
也可采用冷压焊、 超声波焊、钎焊等
焊接 方法 焊接 材料
铝及铝合金焊丝分为同质 焊丝和异质焊丝两大类
化学清理
焊前清理 和预热 焊接工艺 要点
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)焊前准备 铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面 的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生 的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。
影响 因素
接头组织均匀性、焊缝金属的 纯度和致密性也是影响接头耐 蚀性的因素。焊接应力也是影 响铝合金耐蚀性的敏感因素。
焊接接头 的耐蚀性
改善接头组织成分的不均匀性 消除焊接应力
控制 措施
采取保护措施
5.1.3
铝及铝合金的焊接工艺
常用的有氩弧焊（TIG、MIG）、 等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等
尚好 尚好 尚好 尚好 好 好 好 好
尚好 0.7~3 差 尚好 1~10 3~75
弧柱气氛中水分的影响 产生 原因
氧化膜中水分的影响 焊缝 中的 气孔
减少氢的来源
控制 措施
控制焊接工艺
8.1.2 铝及铝合金的焊接性分析
气孔的分布特征
熔合区边界的“氧化膜气孔
焊缝中部或根部的“密集气 孔
熔合区边界的“氧化膜气孔
表5.3
类别 合金 牌号
常用铝及铝合金的力学性能
材料状态 抗拉强 度
b
屈服强度 s /MPa
伸长率 (%)
工业 纯铝
防锈 铝
硬铝
锻铝 超硬 铝
1A99 固溶态 8A06 退火 1035 冷作硬化 退火 3A21 冷作硬化 退火 5A02 冷作硬化 5A05 5B05 退火 淬火+自然时效 退火 2A11 包铝的，淬火+自然 时效 包铝的，退火 淬火+自然时效 退火 2A12 包铝的，淬火+自然 时效 包铝的，退火 淬火+自然时效 2A01 退火 淬火+人工时效 6A02 淬火 退火 7A04 淬火+人工时效 退火
20921-8a
5.1.1
铝及铝合金的分类、成分及性能
非热处 理强化 铝合金
工业纯铝1000系
Al-Mn合金
铝 及 铝 合 金 的 分 类
变形 铝合金
防锈铝3000或5000系
Al-Mg合金
铸造 铝合金
硬铝2000系Al-Cu-Mg Al-Mg-Si 热处理 锻铝4000系或6000系 强化 Al-Cu-Mg-Si 铝合金 超硬铝7000系Al-Zn-Mg-Cu 新型铝合金Al-Li系合金 铝硅系合金 铝铜系合金 铝镁系合金 铝锌系合金
限制氢溶入熔融金属
尽量促使氢自熔池逸出 防止焊缝气孔途径
减少氢与熔融金属的作用时间 减少氢的来源
化学方法 机械方法
（焊前处理）
控制焊接参数
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。
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等合金元素可获得不同性能 的合金。 防止 途径 通过改变焊丝的成分
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。
5=50
30 12 20 10 23 6 23 18 18 18 18 17 18 18 18 24 24 12 22 24 12 13
断面 收 缩率 (%) — — — 70 55 — — — — 35 58 — — 30 55 — — 50 — 20 50 65 — —
布氏 硬度 HB 17 25 32 30 40 45 60 70 100 45 100 45 105 42 105 42 70 38 95 65 30 150 —
（5）气焊操作 焊接钢铁材料时，可以从钢材的颜色变化判断加热的温度。 但焊铝时，却没有这个方便条件。因为铝合金从室温加热到熔 化的过程中没有颜色的明显变化，给操作者带来控制焊接温度 困难。但可根据以下现象掌握施焊时机： 1）当被加热的工件表面由光亮白色变成暗淡的银白色，表 面氧化膜起皱，加热处金属有波动现象时，表明即将达到熔化 温度，可以施焊； 2）用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处，焊丝与母材能熔合 时，即达到熔化温度，可以施焊； 3）母材边棱有倒下现象时，母材达到熔化温度，可以施焊。 气焊薄板可采用左焊法，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因 火焰指向未焊的冷金属，热量散失一部分，有利于防止熔池过 热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。母材厚度大于5㎜可采用右 焊法，此法焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，热量损失小，熔 深大，加热效率高。 铝合金气焊应尽量将接头一次焊成，不堆敷第二层，因为 堆敷第二层时会造成焊缝夹渣等。焊后1-6小时热处理
特点 焊接 热裂纹
通过改变焊接参数
2. 热裂纹
(1) 热裂纹的形成原因 如图8-7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。
a) 弧坑裂纹
图8-7 铝合金的焊接热裂纹 b) 焊缝中的热裂纹 c) 热影响区中的热裂纹
20921-8a
焊接接头的“等强性”
8-2.TIF
20921-8a
弧柱空间中或多或少的存在一定量的水分，由弧柱气氛中水 分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，凝固时来不及析 出成为焊缝气孔。这是形成气孔具有白亮内壁的特征。 弧柱气氛中的氢在铝中的溶解度变化图
不同合金系对弧柱气氛中水分的敏感性不同
纯铝对气氛中的水分最敏感 AL-Mg合金Mg含量高，对吸收气氛中水分不太敏感 同种焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要打
1）化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、 成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有 机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液碱洗3min～7min (纯铝时间稍长但不超过20min)，流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％ HNO3溶液酸洗1min～3min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。 2）机械清理尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后沾污时， 常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直用直 径为0.15mm～0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。 一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池 产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。因此，工件和焊 丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一 般应在清理后4h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过2h)应当重新处理。