常用有色金属的焊接

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
好
好
0.9~2 填丝或不填丝， 厚 5 板需预热。 交流电源 ≥4 焊丝为电极， 厚板 需预热和保温。 直流 反接 适用于薄板焊接
好
3) 控制焊接参数。
图7-5 MIG焊的焊缝气孔倾
向与焊接参数的关系
2. 热裂纹
(1) 热裂纹的形成原因 如图7-6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。
图7-6
铝合金的焊接热裂纹
a) 弧坑裂纹
b) 焊缝中的热裂纹
c) 热影响区中的热裂纹
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。
提供了可能。
图7-7
搅拌摩擦焊接过程示意图
2. 焊接材料
表7-5 铝及铝合金焊接用焊丝的选择
母材 1060 1050A、 5A02 1200 1050A HS301 5A02 5A03 5A03 5A05 5B05 3A21 2A11 2A12 焊丝 1070A HS301 5A03 5A05 HS331 5A05 5A06 HS331 5A06 5B06 3A21 HS321 2A11 HS311 HS311
5356 5356 5356
5356
5356 1100 5356
5154
5356 1100 5356
4043
4043 1100 4048
5086 5083
5454 5456 7039
5556 5183
5356 5556 5039
5356 5356
5554 5356 5356
5356 5356
5554 5556 5039
新型铝合金Al-Li系合金
Al-Mg-Si
Al-Cu-Mg-Si
表7-1
铝合金分类
分 类 非热处 理 变 强化铝 形 合金 铝 合 热处理 金 强化铝 合金
合金名称
合金系 Al-Mn
性能特点
牌号示 例 3A21
防锈铝 硬铝 超硬铝
Al-Mg
抗蚀性、 压力加工性与 焊接性能好， 但强度较低 5A05 2A11 7A04 6A02 2A70 ZL102 ZL101 ZL107 ZL201 ZL301
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
表7-3
部分铝及铝合金的相对焊接性
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
常用有色金属的焊接
铝及铝合金 常用有色金属 铜及铜合金 钛及钛合金
7.1
知识目标：
铝及铝合金的焊接
1.了解铝及铝合金的性能特点和应用；
2.熟悉铝及铝合金的焊接性；
3.掌握铝及铝合金的焊接工艺。
能力目标：
能够根据铝及铝合金的实际条件正确分析他们的 焊接性，并可以制定相应的焊接工艺。
7.1.1
铝及铝合金的分类、成分及性能
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。
扩散速度/(c/s) 1．9×1 2．9×1 4．7×1 1．7×1 — —
图7-2 氩气中水的体积分数 对气孔生成倾向的影响
(3) 气孔的防止措施
1) 清除材料表面的氧化膜和污染物。
2) 降低气氛中的水分。
图7-3 铲根对铝镁合金MIG焊
焊缝气孔倾向的影响
图7-4 相对湿度对焊缝中气孔数量的影响
1．6 1．6～2 2～2．5 2～3 3 3～4 4 4～5 4～5 4～5
2 2 2～3 3 4 4 5 5 5 5～6
— — — — — — — 100
100～150 150～200
45～60 50～80 90～120 150～180 180～200 180～240 240～280 260～320 280～340 300～360
表7-2
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
பைடு நூலகம்
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
铸造铝合金
力学性能高 Al-Cu-Mg 强度最高 Al-Cu-Mg-Zn 锻造性能好， 耐热性能 Al-Mg-Si-Cu 锻铝 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 好 铸造性能好， 不能热处 铝硅合金 Al-Si 理强化，力学性能较低 特殊铝硅 Al-Si-Mg 铸造性能良好， 可热处 合金 理强化，力学性能较高 Al-Si-Cu 铝铜铸造 耐热性好， 铸造性能与 Al-Cu 合金 抗蚀性差 铝镁铸造 力学性能高， 抗蚀性好 Al-Mg 合金
(2) 气孔的形成原因
1) 焊接区内存在氢的来源。
2) 铝合金中氢的溶解度存在突变。
3) 铝合金熔池凝固速度快。
表7-4 氢在铝中的溶解度和扩散速度
温度/℃ 0 100 600 660(固) 660(液) 800
溶解度/(mL/100g) 0．001 0．001 0．025 0．035 0．75 1．7
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 —
尚好 0.7~3 差 尚好 1~10 3~75
1.
焊缝中的气孔
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
(1) 气孔的分布特征
1) 临近焊缝表层的“皮下气孔”。
2) 焊缝中部或根部的“密集气孔”。 3) 熔合区边界的“氧化膜气孔”。
图7-1
/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
7.1.2 铝及铝合金的焊接性
铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3 熔点约为2050℃，MgO熔点约为2500℃）,加之铝及其合金导热 性强，焊接时易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度接 近，也易成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜可吸收较多水分 而成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线膨胀系 数大，焊接时容易产生翘曲变形。
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
7.1.3 铝及铝合金的焊接工艺
焊接 方法 焊接 材料
常用的有氩弧焊（TIG、MIG）、 等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等
非热处 理强化 铝合金 热处理 强化 铝合金 铝硅系合金 铸造 铝合金 铝铜系合金 铝镁系合金 铝锌系合金 工业纯铝1000系
Al-Mn合金
防锈铝3000或5000系 硬铝2000系Al-Cu-Mg
铝 及 铝 合 金 的 分 类
变形 铝合金
Al-Mg合金
锻铝4000系或6000系 超硬铝7000系Al-Zn-Mg-Cu
表7-6 针对特殊目的而推荐使用的焊接材料与母材的组配
母材
1100 2219
推荐的填加材料
要求必要的强度 4043 2319 要求必要的塑性 1100 2319 要求阳极化处理后 颜色的一致性 1100 2319 要求抗海水腐蚀性 能 1100 2319
6061
6063 3003 5052
5356
好
好
好
差
≥8
好
好
好 很 差 很 差 好 好 好
好
差
≥2 0.5~1 0 3~8
1.6~8 0.3~2 5 — 0.1~4 — ≥3
好
好
差 差 好 好 好
很差 很差
适用于薄板焊接 直 流 反 接， 需 预 热，操作性差 需要电流大 焊缝晶粒小， 抗气 孔性能好 焊接质量好， 适用 于厚件
尚好 尚好 尚好 尚好 好 好 好 好
交流或直流反接，可用于焊接铝合金，能得到高质量的接头。
(2) 熔化极氩弧焊 与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊可焊的铝合
金厚度明显加大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。
(3) 变极性等离子弧焊 变极性等离子弧焊技术用于铝合金焊接，
明显提高了单道焊接铝合金所能达到的厚度。
(4) 激光和电子束焊 激光和电子束是焊接铝合金较好的热源，焊
到100～300℃，以防止变形、未焊透，并减少气孔。
4. 接头设计
板材厚度 / mm 焊丝直径 /mm 钨极直径 /mm 预热温度 /℃ 焊接电流 /A
5. 焊接参数
氩气流量 /(L/min) 喷嘴孔径 /mm 焊接层数 (正面/反面) 备注
表7-7 纯铝和铝镁合金手工钨极氩弧焊的焊接参数
1 1．5 2 3 4 5 6 8 10 12
5183 5183
5554 5556 5039
3. 焊前准备
(1) 焊前清理 铝及铝合金焊接时，为了保证焊接质量，在焊前必
须清除焊丝(表面抛光焊丝除外)和母材表面上的油污和氧化膜。
(2) 施加垫板 (3) 焊前预热 铝及铝合金在高温时强度很低，焊接时容易下塌。 厚度超过5～8mm的焊件，焊前需将工件慢慢加热
特点 焊接 热裂纹
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
通过改变焊接参数
焊接接头的“等强性”
接变形小，焊接质量高。
(5) 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊属于一种新型的固态连接方法，具有
高质量、低成本、低变形、易于自动化等特点，克服了熔焊方法易
产生气孔、裂纹及接头性能严重降低的问题，使那些曾经被认为是 难于焊接的铝合金变得非常容易焊接，而且焊接效率高，对环境无
污染，可以焊接所有牌号的铝合金，为大型铝合金结构产品的开发
也可采用冷压焊、 超声波焊、钎焊等
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. 焊接方法
(1) 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊热量比较集中，电弧燃烧稳定，采用