铝及铝合金的焊接演示课件.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,铝合金的焊接,铝及其合金的焊接,1,铝合金的焊接,1.,铝合金的分类,2.,铝合金的物理、化学性能,3.,铝合金焊接时的气孔,4.,铝合金焊接时的裂纹,5.,铝合金焊接时的等强性,2,铝合金的焊接,1.铝合金的分类,3,铝合金的焊接,可热处理合金,该类合金是通过加工强化和固溶强化来获得所需要的强度，通常的固溶强化元素有,Mg,和,Mn,，主要在,1xxx,、,3xxx,、,5xxx,系列的合金中。,不可热处理合金,材料的强度和硬度依靠合金成分和热处理（固溶处理和淬火,+,自然或人工时效处理生成的细小弥散相强化）获得。主要的合金元素主要存在于,2xxx,、,6xxx,、,7xxx,和,8xxx,系列合金中。,4,铝合金的焊接,铸铝和锻铝,铸铝合金中的合金元素含量高于锻铝，这样改善了铸铝件的质量，但是对其加工性能则不利。,5,铝合金的焊接,常用的铝合金焊丝,4043（Al-Si）：用于Al-Si 和Al-Mg-Si系（6061、6082等）以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和TIG焊。,5356（Al-Mg-Si）：用于Al-Mg系（Mg5%）合金的MIG和TIG焊。,6,铝合金的焊接,2.Al合金的物理化学性能,7,铝合金的焊接,线膨胀系数大，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。,8,铝合金的焊接,3.铝合金焊接过程中形成的气孔,铝是活性元素，本身能脱氧，不象钢焊接过程中会形成CO或CO,2,气孔，所以主要是氢气孔。,9,铝合金的焊接,（1）氢的主要来源,1）保护气体中的水分；,2）焊材和母材表面吸附的水分；,3）工件坡口处的氧化膜、油污等。,10,铝合金的焊接,（2）产生气孔的原因,主要是由铝本身的物理性能造成的。,1）产生气孔的临界氢分压最低,氢在铝中的固溶度（S）与氢分压P,H2,有关：,S=K,P,H,2,产生气孔时几种金属临界氢分压的比较：,Al Cu Ni Fe,11,铝合金的焊接,即在焊接铝、铜、镍和铁时，铝产生气孔时所需的临界氢分压最低，所以容易产生气孔，纯铝的最低，所以纯铝对气氛中的水分最为敏感。,12,铝合金的焊接,2）与氢在铝中的溶解度变化有关,氢在铝中的溶解度,氢在铝合金的凝固点时从0.69突降到0.036ml/100g，相差约20倍，这是产生气孔的重要原因。,13,铝合金的焊接,3）铝的导热系数很大，在相同的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度是高强钢的47倍，不利于气泡的逸出。,14,铝合金的焊接,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）,15,铝合金的焊接,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”。,铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔”（Al-Zn-Mg,TIG）,16,铝合金的焊接,（,3）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。,17,铝合金的焊接,2）极性的影响,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。,18,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；,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。,19,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，延长溶池停留时间有利于气孔逸出；,或者采用Ar+0.51%O,2，,Ar+25%CO,2，,增强保护气氛的氧化性，减少氢。,20,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。,21,铝合金的焊接,母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG),22,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。,0,C以下，湿度不影响气孔的产生；,0,C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。,23,铝合金的焊接,3.铝合金焊接过程中形成的裂纹,铝合金是典型的二元或多元共晶合金，在焊接加热和冷却过程很迅速，合金来不及建立平衡状态，固相和液相之间的扩散来不及进行，先结晶的为高熔点组元，后结晶的为低熔点组元被排挤到焊缝中心，在焊接应力作用下发生开裂，形成焊缝中心结晶裂纹。,24,铝合金的焊接,铝合金接头中的结晶裂纹,25,铝合金的焊接,铝合金接头热影响区中的液化裂纹,26,铝合金的焊接,液化裂纹的说明,在母材的热影响区中，成分为X,C,的铝合金在平衡状态下，t,1,温度下组织为,+，t,2,时中的组元开始向固溶体溶解，t,3,时全部转化为固溶体。,27,铝合金的焊接,液化裂纹的说明,在焊接快速加热条件下，在t,2,来不及溶解，达不到平衡，到t,3,时仍可能为+两相状态，t,4,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”。,28,铝合金的焊接,（2）热裂纹的形成原因,1）拘束度的影响；,2）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状晶之间产生成分偏析，导致容易产生裂纹；,3）材料因素的影响：,a）铝合金为共晶合金，裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系；,29,铝合金的焊接,几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度(x,m,)：,Al-Mg：x,m,=2%Mg；,Al-Zn：x,m,=1012%Zn；,Al-Si：x,m,=0.72%Si；,Al-Cu：x,m,=2%Cu。,如果存在其他元素或杂质时，可能出现三元共晶，其熔点比二元更低，结晶温度区间更大，更容易产生热裂纹。,30,铝合金的焊接,b)线膨胀系数大，是钢的1倍，在拘束条件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂纹倾向；,c)铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，容易偏析。,31,铝合金的焊接,（3）热裂纹的影响因素,1）焊缝合金系统的影响,控制适量的易熔共晶，缩小结晶温度区间。,少量的易熔共晶增大热裂倾向，增大主要合金元素x,m,，对热裂纹产生愈合作用。,焊接Al-Mg合金时采用Mg含量超过3.55%的焊丝；,LF21（Al-Mn）采用Mg含量超过8%的焊丝；,对热裂倾向大的LY合金采用含5%Si的Al-Si焊丝解决抗裂问题。,32,铝合金的焊接,2）变质剂的影响,Ti、Zr、V、B微量元素作为变质剂，在焊接过程中生成细小难熔质点，作为结晶时的非自发形核核心，细化晶粒，改善塑性，还能显著改善抗裂性能。,33,铝合金的焊接,3）焊接规范的影响,采用热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接，防止形成方向性强的粗大柱状晶，改善抗裂性。,采用小电流施焊，减小熔池过热；,增大焊速和提高电流都不利于抗裂。,因为提高焊速，促使焊接接头的应变速率，增大热裂倾向。,34,铝合金的焊接,5.铝合金焊接中接头的等强性问题,（1）不可热处理合金（LF Al-Mg）,不可热处理铝合金的主要问题是晶粒粗化（,焊接热影响区温度超过再结晶温度，一般为200300,C，,引起晶粒长大,）而降低塑性，表现为接头强度低于母材。,35,铝合金的焊接,冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头软化与焊接峰值温度的关系,36,铝合金的焊接,不可热处理铝合金焊接前后强度变化,37,铝合金的焊接,影响因素,1）热影响区温度峰值越高，软化越明显；,2）焊前冷作强化程度越高，焊后失强越明显，而且这种软化无法消除；,3）冷却速度对软化影响不大。,38,铝合金的焊接,2）热处理强化合金（LD、LY、LC）,热处理铝合金的软化问题主要是“过时效”软化。,严重程度取决于第二相的性质，也和热循环特性有一定关系。,39,铝合金的焊接,时效强化：,固溶度变化大的合金，加热至高温后急冷，都可形成过饱和固溶体SS，即固溶处理。然后常温或稍高温度加热，即可产生所谓的“时效”过程而强化。,40,铝合金的焊接,时效过程：,时效初期，SS中发生溶质原子偏聚形成局部富集GP区，随温度或时间延长，发展为一种共格过渡相,，,，其成分与平衡非共格相相同，但点阵不同而且未脱溶，随温度或时间延长，,，,转化为而脱溶析出。,“过时效”：,一般在GP区合金发生强化，微细共格相,，,开始出现时强度进一步提高，一旦发生,，,向转化，强化作用降低，转变结束时强化作用消失，成为“过时效”。,41,铝合金的焊接,焊接过程中，焊接温度超过过时效温度，产生过时效和脱溶，所以导致强度损失。,无论退火态还是时效态下焊接，焊后不经热处理，接头强度均低于母材，特别是在时效态下焊接超硬铝，焊后即使进行人工时效，接头强度系数（,接头,/,母材,）也没有超过60%。,42,铝合金的焊接,上海交通大学焊接工程研究所,Welding Engineering Institute of Shanghai Jiao Tong University,43,铝合金的焊接,Al-Cu-Mg硬铝的时效过程是很快的，而Al-Zn-Mg合金的时效过程是很慢的，说明前者比后者的第二相易于脱溶，所以在焊后强度损失大。,另外Al-Cu-Mg在焊后560天自然时效对强度改善不明显，而Al-Zn-Mg则在焊后4天自然时效，软化开始显著消失，30天后基本消失。,Al-Zn-Mg合金的这种自然时效消除焊接软化问题值得注意。,小件采用人工时效，大件采用自然时效。,44,铝合金的焊接,铝合金接头的导电性、耐蚀性下降,原因是铸造组织的形成和合金元素的污染。,45,