鋁合金的焊接

線膨脹系數(shù)大，比熱大，是鋼的1倍；比熱大，是鋼的2倍；密度小；晶型是面心立方，沒有同素異構轉變，塑性好，無低溫脆性轉變，但強度比較低。第1頁/共92頁第一頁，共93頁。2、鋁合金的分類按合金化系列，鋁及其合金分為：工業(yè)純鋁（1×××系）、鋁銅合金（2×××系）、鋁錳合金（3×××系）、鋁硅合金（4×××系）、鋁鎂合金（5×××系）、鋁鎂硅合金（6×××系）、鋁鋅鎂銅合金（7×××系）。按熱處理方式，鋁合金分為：非熱處理強化鋁合金和熱處理強化鋁合金。前者只能變形強化，后者既能變形強化，也可熱處理強化。按產(chǎn)品成形方法不同，分為：變形鋁及鋁合金、鑄造鋁合金。第2頁/共92頁第二頁，共93頁。第3頁/共92頁第三頁，共93頁。Cu、Mg和Mn能提高強度，Ti能細化晶粒，Mg能防止海水的腐蝕，Ni能提高耐熱性。第4頁/共92頁第四頁，共93頁。鋁合金的分類形變鋁合金鑄造鋁合金不能熱處理強化鋁合金:主要在1、3、5系列

能熱處理強化鋁合金:2、6、7和8系列（合金元素及加工工藝性）第5頁/共92頁第五頁，共93頁。3、常用的鋁合金A、防銹鋁合金(LF):Al–Mn通過固溶強化提高鋁合金的強度和抗蝕性(比純鋁好)。例如:LF21。Al–Mg通過固溶強化提高鋁合金的強度和抗蝕性(比純鋁輕)。例如:LF2、LF6等。

按化學成分和性能特點，分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁。不能熱處理強化。第6頁/共92頁第六頁，共93頁。飛機翼梁(腹板為硬鋁合金)B、硬鋁合金(LY)

Al–Cu–Mg通過時效強化提鋁合金強度,但耐蝕性不高。LY1、LY11、LY12。C、超硬鋁合金(LC)

Al–Zn–Mg–Cu通過時效強化和形成的強化相,使鋁合金達到最高的硬度和強度。但耐蝕性較差。LC4、LC9。飛機主起落架第7頁/共92頁第七頁，共93頁。D、鍛鋁合金(LD):

Al–Mg–Si–Cu具有良好的熱塑性,通過固溶處理和人工時效來提高鋁合金的力學性能。LD5、LD6、LD10。壓氣機葉片制造形狀復雜的大型鍛件，如內燃機的活塞、汽缸等。第8頁/共92頁第八頁，共93頁。鋁合金的分類分類合金名稱合金系性能特點牌號示例變形鋁合金非熱處理強化鋁合金防銹鋁Al-Mn抗蝕性、壓力加工性與焊接性能好，但強度較低3A21Al-Mg5A05熱處理強化鋁合金硬鋁Al-Cu-Mg力學性能高2A11超硬鋁Al-Cu-Mg-Zn強度最好7A04鍛鋁Al-Mg-Si-Cu鍛造性能好，耐熱性能好6A02Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A70鑄造鋁合金鋁硅合金Al-Si鑄造性能好，不能熱處理強化，力學性能較低ZL102特殊鋁合金Al-Si-Mg鑄造性能良好，可熱處理強化，力學性能較高ZL101Al-Si-CuZL107鋁銅鑄造合金Al-Cu耐熱性好，鑄造性能與抗蝕性差ZL201鋁鎂鑄造合金Al-Mg力學性能高，抗蝕性好ZL301第9頁/共92頁第九頁，共93頁。鋁及其合金的牌號、成分及性能純鋁牌號以國際四位數(shù)字體系表達：如1A99表示鋁的質量分數(shù)為99.99％的原始純鋁；1B99表示鋁的質量分數(shù)為99.99％的改型純鋁；1070表示雜質極限含量無特殊控制、鋁的質量分數(shù)為99.70％的純鋁；第10頁/共92頁第十頁，共93頁。常用的純鋁牌號有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、1200。純鋁的主要用途是代替貴重的銅合金，制作導線、電器元件及換熱器件；制作各種要求質輕、導熱、耐大氣腐蝕但強度不高的器具；配制各種鋁合金。第11頁/共92頁第十一頁，共93頁。變形鋁合金的牌號也用四位國際字符體系來表示。例如，2A11表示鋁銅原始合金；5A05表示鋁鎂原始合金，5B05表示鋁鎂改型合金。牌號中第一、三、四位為阿拉伯數(shù)字，第二位為英文大寫字母Ａ、Ｂ或其他字母（有時也用數(shù)字）。第一位數(shù)字為2～9，表示變形鋁合金的不同組別，其中“2”表示鋁銅合金，“3”表示鋁錳合金，“4”表示鋁硅合金等；最后兩位數(shù)字為合金的編號，沒有特殊意義，僅用來區(qū)分同一組別中的不同合金；如果第二位字母為A，則表示原始合金，如果是B或其他字母，則表示原始合金的改型合金，如果是數(shù)字，則0表示原始合金，1～9表示改型合金。第12頁/共92頁第十二頁，共93頁。二、鋁和鋁合金的焊接性1、容易氧化鋁的化學性質活潑，與氧的親和力很強，在空氣中極易與氧結合生成致密的氧化鋁（Al2O3）膜，氧化膜對焊接過程造成以下影響：熔點高達2050℃（而鋁只有600℃），易形成未熔合；密度大（Al2O3為3.965g/cm3），約為鋁的1.4倍，易形成夾渣；氧化鋁膜存在于熔池表面時，影響電弧的穩(wěn)定燃燒，阻礙焊接過程的正常進行；氧化膜對水分有很高的吸附能力，在焊接時會促使焊縫中生成氣孔。預防：嚴格清理焊件表面的氧化物；對熔池及高溫區(qū)金屬應進行有效保護，防止在焊接過程中的再氧化。第13頁/共92頁第十三頁，共93頁。2、焊接時耗能大

鋁合金的熔點雖低，但其比熱容高（約是鋼的2倍），熱導率大（約是鋼的3倍），線膨脹系數(shù)大（約是鐵的2倍）。因此，焊接鋁及鋁合金比焊接鋼要消耗更多的熱量，為防止變形，必須采用能量集中、功率密度大的熱源，有時還需采用預熱等工藝措施。3、氣孔傾向性大氫是鋁在熔焊時產(chǎn)生氣孔的主要原因。

氫氣孔易產(chǎn)生的原因：（1）氫在液態(tài)和固態(tài)鋁中的溶解度相差很大（近20倍），高溫下溶入的大量氣體，在焊后冷卻凝固過程中由于溶解度的變化要析出大量氣體。（2）鋁和鋁合金的導熱能力強，焊后冷卻速度快，不利于氣體的析出；（3）鋁和鋁合金的密度小，氣泡上浮速度慢。

第14頁/共92頁第十四頁，共93頁。氫的來源：（1）弧柱氣氛中的水分、焊材及母材所吸附的水分；氫在鋁中的溶解度（pH2=101kPa)第15頁/共92頁第十五頁，共93頁。

鋁合金焊接中的“皮下氣孔”（LF6，TIG）

冷卻速度很大時，在凝固點以上溶解度差形成的氣孔雖然不多，但來不及逸出，形成粗大孤立的皮下氣孔。

第16頁/共92頁第十六頁，共93頁。

冷卻速度較小，在凝固點溶解度發(fā)生突變，沿結晶的層狀線形成均布形式的“結晶層氣孔”。鋁合金焊縫中均布形式的“結晶層氣孔”（Al-Zn-Mg,TIG）第17頁/共92頁第十七頁，共93頁。

不同合金系對弧柱氣氛中水分的影響不同：純鋁對氣氛中的水分最敏感。Al-Mg合金Mg含量增高，氫的溶解度和引起氣孔的臨界氫分壓pH2隨之增大，因而對吸收氣氛中水分不太敏感。同樣焊接條件下，純鋁焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向要大些。

不同的焊接方法對弧柱氣氛中水分的敏感性也不同：MIG焊時，焊絲以細小熔滴形式通過弧柱落入熔池，由于弧柱溫度高，熔滴比表面積大，熔滴金屬易于吸收氫；TIG焊時，熔池金屬表面與氣體氫反應，因比表面積小和熔池溫度低于弧柱溫度，吸收氫的條件不如MIG焊時容易。同時，MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深，也不利于氣泡的浮出。所以，在同樣的氣氛條件下，MIG焊時焊縫氣孔傾向比TIG焊時大。第18頁/共92頁第十八頁，共93頁。（2）氧化膜中水分的影響

在正常的焊接條件下，對于氣氛中的水分已嚴格限制，這時，焊絲或工件氧化膜中所吸附的水分將是生成焊縫氣孔的主要原因。氧化膜不致密、吸水性強的鋁合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的純鋁具有更大的氣孔傾向。MIG焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜對焊縫氣孔的影響就小得多。

純鋁焊絲表面清理方法對焊縫含氫量的影響處理方法未處理不完全的機械刮削15%NaOH（2min）+15%HNO3（8min）+水洗干燥沸騰蒸餾水中加熱1h，室內存放1d氣體總量/mL?100g-12.81.61.08.7氫量

/mL?100g-12.11.30.76.9氫體積比率

(%)74.981.370.079.3第19頁/共92頁第十九頁，共93頁。

TIG焊時，在熔透不足的情況下，母材坡口根部未除凈的氧化膜所吸附的水分是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。這種氧化膜不僅提供了氫的來源，而且能使氣泡聚集附著。剛形成熔池時，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而殘存下來，則氧化膜中水分因受熱而分解出氫，并在氧化膜上萌生氣泡；由于氣泡是附著在殘留氧化膜上，不易脫離浮出，且因氣泡是在熔化早期形成的，有條件長大，所以常造成集中的大氣孔。這種氣孔在焊縫根部未熔合時就更嚴重。坡口端部氧化膜引起的氣孔，常沿著熔合區(qū)原坡口邊緣分布，內壁呈氧化色，這是其重要特征。由于Al-Mg合金比純鋁更易于形成疏松而吸水性強的厚氧化膜，所以Al-Mg合金比純鋁更容易產(chǎn)生這種集中的氧化膜氣孔。因此，焊接鋁鎂合金時，焊前須仔細清除坡口端部的氧化膜。第20頁/共92頁第二十頁，共93頁。鋁合金的焊接

焊縫氣孔的影響因素

1）焊接方法的影響

MIG焊時，焊絲以細小熔滴形式向熔池過渡，弧柱溫度高，熔滴比表面積大，熔滴易于吸氫；

TIG焊時，主要是熔池金屬表面與氫反應，比表面積小，熔池溫度小于弧柱，吸氫條件不如MIG有利；另外，MIG焊熔池深度大于TIG焊，不利于氫氣泡的逸出。第21頁/共92頁第二十一頁，共93頁。鋁合金的焊接

2）極性的影響

TIG焊時，直流反接，具有陰極霧化作用，可以避免氫的產(chǎn)生，但鎢極易燒損，形成缺陷；正接時無陰極霧化作用，熔深大，對氣泡逸出不利，所以采用交流。

MIG焊時，采用直流反接，無陰極霧化作用，也沒有鎢極燒損。第22頁/共92頁第二十二頁，共93頁。鋁合金的焊接

3）焊接工藝參數(shù)

焊接規(guī)范主要影響熔池在高溫的停留時間，從而對氫的溶入時間和析出時間產(chǎn)生影響。

TIG焊時，采用小線能量，采用較大的規(guī)范，高的焊速，減少熔池存在時間，減小氫的溶入；

MIG焊時，焊絲氧化膜的影響更為顯著，不能通過減少熔池時間來防止氫向熔池的溶入，所以通過降低焊速和提高焊接線能量來增大溶池存在時間，有利于減少焊縫中的氣孔。第23頁/共92頁第二十三頁，共93頁。鋁合金的焊接

4）保護氣體中的水分和氧化性影響

采用高純Ar或采用Ar+He改變（即提高）熱容量，改變溶池形狀，使尖“V”型變?yōu)閳A底型，延長溶池停留時間，有利于氣孔逸出；或者采用Ar+0.5~1%O2，Ar+2~5%CO2，增強保護氣氛的氧化性，減少氫。第24頁/共92頁第二十四頁，共93頁。鋁合金的焊接

5）表面狀態(tài)的影響

不同的焊材、母材，其氧化膜性質不同，對氣孔的影響有差別。

MgO疏松，易吸水，產(chǎn)生氣孔傾向大；

MnO致密，不易吸水，氣孔傾向小。第25頁/共92頁第二十五頁，共93頁。鋁合金的焊接

母材氧化膜引起的氣孔（LF6，TIG)第26頁/共92頁第二十六頁，共93頁。鋁合金的焊接

6）環(huán)境因素的影響環(huán)境因素主要是指溫度和濕度。

0C以下，濕度不影響氣孔的產(chǎn)生；

0C以上，溫度越高，濕度越大，越易對氣孔敏感。另外，表面油污也可以導致氣孔。第27頁/共92頁第二十七頁，共93頁。防止產(chǎn)生氣孔的途徑：（1）減少氫的來源：烘干焊接材料；焊前清理氧化膜等；（2）控制焊接參數(shù)：即通過焊接參數(shù)的調整影響熔池高溫存在時間，從而影響氫溶入時間和析出時間來控制氣孔產(chǎn)生。TIG焊：小熱輸入---減少熔池存在時間---減少氫的溶入同時為保證根部熔透，需用大電流，所以應：I大，V大；MIG焊：水分主要來自氧化膜---增大熔池存在時間---氣泡析出，所以應：

I大，V小，必要時預熱。（3）改變弧柱氣氛性質。如氬弧焊中，Ar中加入少量CO2或O2，是氫發(fā)生氧化從而減小氫的分壓。第28頁/共92頁第二十八頁，共93頁。

鏟根對焊縫氣孔的影響（Al-4Mg-1Mn，MIG）1—未鏟根2—鏟根第29頁/共92頁第二十九頁，共93頁。TIG焊焊接參數(shù)對焊縫中擴散氫[H]的影響[母材為5A06（LF6）]第30頁/共92頁第三十頁，共93頁。MIG焊焊接參數(shù)對焊縫氣孔的影響第31頁/共92頁第三十一頁，共93頁。4、焊接熱裂紋傾向大純鋁和非熱處理強化鋁合金（如Al-Mn、Al-Mg合金等），一般是不容易產(chǎn)生裂紋的。而硬鋁及大部分熱處理強化鋁合金，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。對含有銅的硬鋁（Al-Cu-Mg）和超硬鋁（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很難用熔焊方法獲得沒有裂紋的焊接接頭，所以一般不能選用熔焊方法制造硬鋁和超硬鋁焊接結構。

鋁及鋁合金常見的熱裂紋主要是焊縫凝固裂紋和近縫區(qū)液化裂紋。第32頁/共92頁第三十二頁，共93頁。鋁合金的焊接

鋁合金接頭中的結晶裂紋第33頁/共92頁第三十三頁，共93頁。鋁合金的焊接

鋁合金接頭熱影響區(qū)中的液化裂紋第34頁/共92頁第三十四頁，共93頁。鋁合金的焊接

液化裂紋產(chǎn)生原因

在母材的熱影響區(qū)中，成分為XC的鋁合金在平衡狀態(tài)下，t1溫度下組織為+，t2時中的組元開始向固溶體溶解，t3時全部轉化為固溶體。

第35頁/共92頁第三十五頁，共93頁。鋁合金的焊接

在焊接快速加熱條件下，在t2來不及溶解，達不到平衡，到t3時仍可能為+兩相狀態(tài)，t4時已超過共晶溫度，中的組元還未完全溶入固溶體，則在和兩相界面出現(xiàn)共晶液相，這種局部液化在焊接應力下沿晶界液膜形成“液化裂紋”。第36頁/共92頁第三十六頁，共93頁。鋁合金的焊接

（2）熱裂紋的形成原因

1）拘束度的影響；

2）液固相距離寬，生成柱狀晶，柱狀晶之間產(chǎn)生成分偏析，導致容易產(chǎn)生裂紋；

3）材料因素的影響：

a）鋁合金為共晶合金，裂紋傾向與合金結晶溫度區(qū)間大小有關系；

第37頁/共92頁第三十七頁，共93頁。鋁合金的焊接

幾種鋁合金熱裂傾向最大時的合金組元濃度(xm)：

Al-Mg：xm=2%Mg；

Al-Zn：xm=10~12%Zn；

Al-Si：xm=0.72%Si；

Al-Cu：xm=2%Cu。

如果存在其他元素或雜質時，可能出現(xiàn)三元共晶，其熔點比二元更低，結晶溫度區(qū)間更大，更容易產(chǎn)生熱裂紋。第38頁/共92頁第三十八頁，共93頁。鋁合金的焊接

b)線膨脹系數(shù)大，是鋼的1倍，在拘束條件下焊接，容易產(chǎn)生較大的焊接應力，增大裂紋傾向；

c)鋁合金焊接過程中無相變，柱狀晶粗大，容易偏析。第39頁/共92頁第三十九頁，共93頁。鋁合金的焊接

（3）熱裂紋的影響因素

1）焊縫合金系統(tǒng)的影響控制適量的易熔共晶，縮小結晶溫度區(qū)間。少量的易熔共晶增大熱裂傾向，增大主要合金元素xm，對熱裂紋產(chǎn)生愈合作用。焊接Al-Mg合金時采用Mg含量超過3.5~5%的焊絲；

LF21（Al-Mn）采用Mg含量超過8%的焊絲；對熱裂傾向大的LY合金采用含5%Si的Al-Si焊絲解決抗裂問題。第40頁/共92頁第四十頁，共93頁。Al-Mg合金焊縫凝固裂紋與含Mg量的關系（T形角接接頭）1—連續(xù)焊道2—斷續(xù)焊道第41頁/共92頁第四十一頁，共93頁。從抗裂角度考慮，焊縫合金系在于控制適量的易熔共晶并縮小結晶溫度區(qū)間。由于鋁合金為共晶型合金，少量易熔共晶會增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過xm，以便能產(chǎn)生“愈合”作用。000020242219(a)Al-Cu焊絲40434343(b)Al-Si545450525083焊絲5356、5183(c)Al-Mg60636061(d)Al-Mg2Si焊縫合金元素/%裂紋敏感性/%鋁合金的裂紋敏感性第42頁/共92頁第四十二頁，共93頁。不同焊絲成分對母材焊縫裂紋傾向的影響

1-Al-Mn合金（3A21）2-Al-Mg2.53-Al-Mg3.54-Al-Mg5.2第43頁/共92頁第四十三頁，共93頁。2）焊絲成分的影響不同的母材配合不同的焊絲，在剛性T形接頭試樣上進行TIG焊，具有不同的裂紋傾向。采用成分與母材相同的焊絲時，具有較大的裂紋傾向。采用Al-5%Si焊絲（國外牌號4043）和Al-5%Mg焊絲（5A05或5556）的抗裂效果是較好。

Al-Zn-Mg合金專用焊絲X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）也具有相當高的抗裂性能。第44頁/共92頁第四十四頁，共93頁。

母材與焊絲組合的抗熱裂性試驗(剛性T形接頭；TIG)（括號中數(shù)字為母材代號，無括號的數(shù)字為焊絲代號）第45頁/共92頁第四十五頁，共93頁。鋁合金的焊接

3）變質劑的影響

Ti、Zr、V、B微量元素作為變質劑，在焊接過程中生成細小難熔質點，作為結晶時的非自發(fā)形核核心，細化晶粒，改善塑性，還能顯著改善抗裂性能。第46頁/共92頁第四十六頁，共93頁。鋁合金的焊接

4）焊接規(guī)范的影響

采用熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接，防止形成方向性強的粗大柱狀晶，改善抗裂性。采用小電流施焊，減小熔池過熱；增大焊速和提高電流都不利于抗裂。因為提高焊速，促使焊接接頭的應變速率，增大熱裂傾向。第47頁/共92頁第四十七頁，共93頁。5.鋁合金焊接中接頭的等強性問題

（1）不可熱處理合金（Al-Mg）

不可熱處理鋁合金的主要問題是晶粒粗化（焊接熱影響區(qū)溫度超過再結晶溫度，一般為200~300C，引起晶粒長大）而降低塑性，表現(xiàn)為接頭強度低于母材。第48頁/共92頁第四十八頁，共93頁。鋁合金的焊接

冷作硬化鋁Al-4Mg-1Mn接頭軟化與焊接峰值溫度的關系第49頁/共92頁第四十九頁，共93頁。鋁合金的焊接

不可熱處理鋁合金焊接前后強度變化第50頁/共92頁第五十頁，共93頁。鋁合金的焊接

影響因素

1）熱影響區(qū)溫度峰值越高，軟化越明顯；

2）焊前冷作強化程度越高，焊后失強越明顯，而且這種軟化無法消除；

3）冷卻速度對軟化影響不大。第51頁/共92頁第五十一頁，共93頁。鋁合金的焊接

2）熱處理強化合金

熱處理鋁合金的軟化問題主要是“過時效”軟化。嚴重程度取決于第二相的性質，也和熱循環(huán)特性有一定關系。第52頁/共92頁第五十二頁，共93頁。鋁合金的焊接

時效強化：

固溶度變化大的合金，加熱至高溫后急冷，都可形成過飽和固溶體SS，即固溶處理。然后常溫或稍高溫度加熱，即可產(chǎn)生所謂的“時效”過程而強化。第53頁/共92頁第五十三頁，共93頁。鋁合金的焊接

時效過程：時效初期，SS中發(fā)生溶質原子偏聚形成局部富集GP區(qū)，隨溫度或時間延長，發(fā)展為一種共格過渡相，，其成分與平衡非共格相相同，但點陣不同而且未脫溶，隨溫度或時間延長，，轉化為而脫溶析出。“過時效”：一般在GP區(qū)合金發(fā)生強化，微細共格相，開始出現(xiàn)時強度進一步提高，一旦發(fā)生，向轉化，強化作用降低，轉變結束時強化作用消失，成為“過時效”。第54頁/共92頁第五十四頁，共93頁。鋁合金的焊接

焊接過程中，焊接溫度超過過時效溫度，產(chǎn)生過時效和脫溶，所以導致強度損失。

無論退火態(tài)還是時效態(tài)下焊接，焊后不經(jīng)熱處理，接頭強度均低于母材，特別是在時效態(tài)下焊接超硬鋁，焊后即使進行人工時效，接頭強度系數(shù)（接頭

/母材）也沒有超過60%。第55頁/共92頁第五十五頁，共93頁。

熱處理強化鋁合金焊接接頭組織示意圖第56頁/共92頁第五十六頁，共93頁。鋁合金的焊接

上海交通大學焊接工程研究所WeldingEngineeringInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity

第57頁/共92頁第五十七頁，共93頁。鋁合金的焊接

Al-Cu-Mg硬鋁的時效過程是很快的，而Al-Zn-Mg合金的時效過程是很慢的，說明前者比后者的第二相易于脫溶，所以在焊后強度損失大。另外Al-Cu-Mg在焊后5~60天自然時效對強度改善不明顯，而Al-Zn-Mg則在焊后4天自然時效，軟化開始顯著消失，30天后基本消失。

Al-Zn-Mg合金的這種自然時效消除焊接軟化問題值得注意。

小件采用人工時效，大件采用自然時效。第58頁/共92頁第五十八頁，共93頁。Al-Cu-Mg（2A12）合金焊接熱影響區(qū)的硬度變化（手工TIG）Al-4.5Zn-1.2Mg合金焊接熱影響區(qū)的硬度變化（焊前自然時效，MIG）Tm—峰值溫度1、2、3、4—表示不同的焊后自然時效時間1—3h2—4d3—30d4—90d第59頁/共92頁第五十九頁，共93頁。6、焊接接頭耐蝕性下降純鋁和防銹鋁多用于要求耐腐蝕的場合，但生產(chǎn)實踐證明：即使采用可靠的焊接方法（如氬弧焊），配以純度較高的焊絲，嚴格按照操作規(guī)程焊接，焊接接頭的耐蝕性一般仍低于母材。原因：（1）接頭的組織不均勻

由于焊接熱過程的影響，使得焊縫和熱影響區(qū)組織不均勻，并且還存在著偏析，會使接頭各部位產(chǎn)生電極電位差，在腐蝕介質中形成微電池，產(chǎn)生電化學腐蝕，從而破壞了氧化膜的完整性和致密性，使腐蝕過程加速。

（2）焊接接頭存在有焊接缺陷

在焊接接頭中總是或多或少地存在有焊接缺陷，如咬邊、氣孔、夾雜物、未焊透等。這些缺陷破壞了接頭表面氧化膜的連續(xù)性。第60頁/共92頁第六十頁，共93頁。（3）焊縫金屬鑄造組織的影響焊縫組織較母材粗大疏松，表面也不如母材光滑，表面氧化膜的連續(xù)性和致密性差。另外，焊縫為鑄造組織，具有明顯的枝狀晶特點。由于存在著枝晶偏析，具有很大的組織和成分不均勻性，以及焊縫金屬枝狀晶的結晶方向，對其耐蝕性均有一定的影響。（4）焊接應力的影響焊接應力的存在，容易產(chǎn)生應力腐蝕。預防措施：A、選用純度高于母材的焊絲，以減少焊縫金屬中的雜質含量；B、選擇合適的焊接方法及焊接參數(shù)，以減小HAZ，防止接頭過熱；C、焊后碾壓或錘擊焊縫表面，使焊縫鑄造組織趨于致密，消除局部拉應力；D、調節(jié)工藝條件，改善焊縫柱狀晶成長方向。第61頁/共92頁第六十一頁，共93頁。7、塌陷

鋁及鋁合金的熔點低，高溫強度低，而且熔化時沒有顯著的顏色變化，因此焊接時常因溫度過高無法察覺而導致塌陷。為了防止塌陷，可在焊件坡口下面放置墊板，并控制好焊接工藝參數(shù)。

加熱表面由光亮銀白色變成暗淡的銀白色，表面氧化膜起皺，加熱處金屬有波動第62頁/共92頁第六十二頁，共93頁。三、鋁和鋁合金的焊接工藝1、焊前準備：包括焊前清理、設置墊板和預熱；

A、焊前清理：去除坡口表面的油污和氧化膜等污物。氧化膜的清理有機械清理和化學清理兩種方法。在清除氧化膜之前，應先用有機溶劑（丙酮或酒精）將坡口及其兩側（各約30mm內）的油污、臟物清洗干凈。（1）機械清理：坡口兩側30～40mm范圍內的氧化膜去除，直到露出金屬光澤為止。（2）化學清理：用酸或堿溶液來溶解金屬表面的氧化膜，最常用的方法是，用（5～10）%體積的NaOH溶液（約70℃），浸泡坡口兩側各100mm范圍，30～60s后先用清水沖洗，然后在約15%的HNO3水溶液（常溫）中浸泡2min，用溫水沖洗后再用清水洗干凈，最后進行干燥處理。

氧化膜清除后，通常應在2h之內焊接，否則會有新的氧化膜生成。第63頁/共92頁第六十三頁，共93頁。B、設置墊板

墊板由銅或不銹鋼板制成，用以控制焊縫根部形狀和余高量。墊板表面開有圓弧形或方形槽。C、預熱

薄、小鋁件可不預熱；厚度超過5～8mm的鋁件焊前應預熱至150～300℃；多層焊時，注意控制層間溫度不低于預熱溫度。2、焊接方法選擇需要采用熱量集中的熱源。否則，將會造成未焊透或者因加熱不集中而變形嚴重。就熔焊而言，國內最常見的方法是氣焊、氬弧焊，焊條電弧焊應用較少。第64頁/共92頁第六十四頁，共93頁。（1）氣焊：功率低，熱量分散，HAZ及工件變形大，生產(chǎn)率低，焊后接頭晶粒粗大，容易產(chǎn)生夾渣、裂紋等缺陷，用于厚度0.5～10mm的不重要結構，鑄鋁件焊補；（2）焊條電弧焊：電弧穩(wěn)定性較大，飛濺大，接頭質量較差，僅用于板厚大于4mm且要求不高的工件焊補及修復。（3）TIG焊：電弧熱量集中，燃燒穩(wěn)定，焊縫成形美觀，接頭質量較好，廣泛用于厚度6mm以下薄板件的焊接。（4）MIG焊：電弧功率大，熱源集中，焊件變形及HAZ小，生產(chǎn)效率高，用于焊接50mm以下中厚板。（5）電子束焊：功率密度大，焊縫深寬比大，HAZ及焊件變形極小，生產(chǎn)效率高，接頭質量好，用于厚度3～75mm的板材焊接。（6）電阻焊：利用工件內部電阻產(chǎn)生熱量，焊縫在外壓下凝固結晶，不需要焊接材料，生產(chǎn)率高，用于焊接4mm以下的鋁薄板。第65頁/共92頁第六十五頁，共93頁。3、焊接材料選擇鋁及鋁合金的焊接材料包括鋁焊絲、鋁氣焊熔劑和焊條等；鋁焊絲通常分為：（1）專用焊絲是專用于焊接與其成分相同或相近的母材，可根據(jù)母材成分選用。若無現(xiàn)成焊絲，也可從母材上切下窄條作為填充金屬。（2）通用焊絲其中HS311（鋁硅焊絲）是一種通用焊絲，主要成分為Al+Si5％。用這種焊絲焊接時，焊縫金屬流動性好，抗裂性能好，并能保證一定的接頭性能。但用它焊接鋁鎂合金時，焊縫中會出現(xiàn)脆性相，降低接頭的塑性和耐腐蝕性，因此用來焊接除鋁鎂合金以外的其他各種鋁合金。（3）特種焊絲是為焊接各種硬鋁、超硬鋁而專門冶煉的焊絲，這類焊絲的成分與母材相近，一般是在母材的基礎上加入變質劑（如Ti、Zr、V、B等)），并適當調整合金元素(如Cu、Mg、Zn)的含量，以達到細化晶粒、縮小結晶溫度區(qū)間或增加共晶數(shù)量的目的。與專用焊絲相比，焊縫金屬既有良好的抗裂性，又有較高強度和塑性。第66頁/共92頁第六十六頁，共93頁。鋁合金的焊接

常用的鋁合金焊絲

4043（Al-Si）：用于Al-Si和Al-Mg-Si系（6061、6082等）以及鑄鋁和鍛鋁合金之間的MIG和TIG焊。

5356（Al-Mg-Si）：用于Al-Mg系（Mg<5%）合金的MIG和TIG焊。第67頁/共92頁第六十七頁，共93頁。牌號化學成分

(質量分數(shù))(%)SiFeCuMnMgCrZnV、ZrTi其他Al每種合計1070—≤0.20≤0.25≤0.04≤0.03≤0.03—≤0.04—≤0.03≤0.03—≤99.701100HS301Si+Fe≤1.00.05~0.2≤0.05——≤0.10——≤0.05≤0.15≥99.001200—Si+Fe≤1.0≤0.05≤0.05——≤0.10—≤0.05≤0.05≤0.15≥99.002319—≤0.20≤0.305.8~6.80.2~0.4≤0.02—≤0.10V0.05~0.15Zr0.10~0.250.10~0.20≤0.05≤0.15余量4043HS3114.5~6.0≤0.8≤0.30≤0.05≤0.05—≤0.10—≤0.20≤0.05≤0.15余量4047HL40011.0~13.0≤0.8≤0.30≤0.15≤0.10—≤0.20——≤0.05≤0.15余量4145HL4029.3~10.7≤0.83.3~4.7≤0.15≤0.15≤0.15≤0.20——≤0.05≤0.15余量5554—≤0.25≤0.40≤0.100.50~1.02.4~3.00.05~0.20≤0.25—0.05~0.20≤0.05≤0.15余量5654—Si+Fe≤0.45≤0.05≤0.013.1~3.90.15~0.35≤0.20—0.05~0.15≤0.05≤0.15余量5356—≤0.25≤0.40≤0.100.05~0.24.5~5.50.05~0.20≤0.10—0.06~0.20≤0.05≤0.15余量5556HS331≤0.25≤0.40≤0.100.50~1.04.7~5.50.05~0.20≤0.25—0.05~0.20≤0.05≤0.15余量5183—≤0.40≤0.40≤0.100.50~1.04.3~5.20.05~0.25≤0.25—≤0.15≤0.05≤0.15余量鋁及鋁合金焊絲的化學成分

第68頁/共92頁第六十八頁，共93頁。

焊接鋁及鋁合金的惰性氣體有氬氣和氦氣。氬氣要求:wAr＞99.9%，wO＜0.005%，wH＜0.005%，w水分＜0.02mg/L，wN＜0.015%。氧、氮增多，均惡化陰極霧化作用。wO＞0.3%使鎢極燒損加劇，超過0.1%使焊縫表面無光澤或發(fā)黑。

TIG焊時，交流加高頻焊接選用純氬氣，適用大厚板；直流正極性焊接選用氬氣+氦氣或純氦。

MIG焊:當板厚＜25mm時，采用純氬氣；板厚為25-50mm時，用體積分數(shù)為10%-35%氦氣的Ar+He混合氣體；板厚為50-75mm時，采用添加體積分數(shù)為35%-50%氦氣的Ar+He混合氣體；板厚＞75mm時，用添加50%-75%氦氣的Ar+He混合氣體。第69頁/共92頁第六十九頁，共93頁。氣焊熔劑：去除焊接時的氧化膜及其他雜質，改善熔池金屬的流動性。氣焊熔劑一般是由含有K、Na、Li、Ba等元素的氯化物和氟化物組成，如KCl、BaCl2、LiCl及Na3AlF6（鋁冰晶石）等。這些鹽類與氧化鋁反應后可生成易于揮發(fā)的A1Cl3或A1F3。如：6LiCl+A12O3=A1Cl3+3Li2O焊條：其藥皮組成與氣焊熔劑相似，一般由氯化物和氟化物組成。

第70頁/共92頁第七十頁，共93頁。4、焊接工藝要點（1）電源極性MIG一律采用直流反接。TIG一般采用交流焊。在電流方向變化時，有一個半周相當于直流反接（工件為陰極），具有陰極破碎作用。而另一個半周相當于直流正接（鎢極為陰極），鎢極發(fā)熱量小，防止鎢極熔化，造成夾鎢。（2）焊接操作A、TIG焊前應檢查陰極破碎作用，即引燃電弧后，電弧在工件上面垂直不動，熔化點周圍呈乳白色，即有陰極破碎作用。B、為防止金屬過熱及接頭晶粒粗大，氣焊焊接操作時采用左向焊法，同時應注意焊接層數(shù)不宜過多。

C、焊接時鎢不要觸及熔池以免鎢極熔化造成夾鎢。焊接結束時，注意填滿弧坑，防止弧坑裂紋。第71頁/共92頁第七十一頁，共93頁。板厚/mm鎢極直徑/mm焊接電流/A焊絲直徑/mm氬氣流量//Lmin-1噴嘴孔徑/mm焊接層數(shù)正面/背面預熱溫度/℃?zhèn)渥?240~601.67~98正1—卷邊焊22~390~1202~2.58~128~12對接焊44180~200310~1510~121~2/1—65240~280416~2014~161~2/1—10280~3404~53~4/1~2100~150145~6340~3805~620~2416~20180~20016~206340~38025~3016~222~3/2~3200~26022~256~7360~40030~3520~223~4/3~4純鋁、鋁鎂合金手工TIG焊的工藝參數(shù)

第72頁/共92頁第七十二頁，共93頁。焊件厚度/mm焊件層數(shù)鎢極直徑/mm焊絲直徑/mm噴嘴直徑/mm氬氣流量/Lmin-1焊接電流/A送絲速度/mh-1111.5~21.68~105~6120~160—231.6~212~14180~22065~7041~252~310~1414~18240~28070~756~82~35~6314~1818~2475~808~1263~4300~34080~85自動TIG焊的工藝參數(shù)

第73頁/共92頁第七十三頁，共93頁。鋁及鋁合金TIG焊的常見缺陷及防止措施

缺陷產(chǎn)生原因防止措施氣孔氬氣純度低，焊絲或母材坡口附近有污物；焊接電流和焊速選擇過大或過小；熔池保護欠佳，電弧不穩(wěn)，電弧過長，鎢極伸出過長保證氬氣純度，選擇合適氣體流量；調整好鎢極伸出長度；焊前認真清理，清理后及時焊接；正確選擇焊接參數(shù)裂紋焊絲成分選擇不當；熔化溫度偏高；結構設計不合理；高溫停留時間長；弧坑沒填滿選擇成分與母材匹配的焊絲；加入引弧板或采用電流衰減裝置填滿弧坑；正確設計焊接結構；減小焊接電流或適當增加焊接速度未焊透焊接速度過快，弧長過大，焊件間隙、坡口角度、焊接電流均過小，鈍邊過大；工件坡口邊緣的毛刺、底邊的污垢焊前沒有除凈；焊炬與焊絲傾角不正確正確選擇間隙、鈍邊、坡口角度和焊接參數(shù)；加強氧化膜、熔劑、焊渣和油污的清理；提高操作技能等焊縫夾鎢接觸引弧所致；鎢極末端形狀與焊接電流選擇的不合理，使尖端脫落；填絲觸及到熱鎢極尖端和錯用了氧化性氣體采用高頻高壓脈沖引弧；根據(jù)選用的電流，采用合理的鎢極尖端形狀；減小焊接電流，增加鎢極直徑，縮短鎢極伸出長度；更換惰性氣體咬邊焊接電流太大，電弧電壓太高，焊炬擺幅不均勻，填絲太少，焊接速度太快降低焊接電流與電弧長度；保持擺幅均勻；適當增加送絲速度或降低焊接速度第74頁/共92頁第七十四頁，共93頁。D、填充焊絲與工件間應保持一定的角度，焊絲傾角越小越好，一般約為10°～25°，傾角太大容易擾亂電弧及氣流的穩(wěn)定性。室外焊接時，應注意在焊接區(qū)周圍采取防風措施。第75頁/共92頁第七十五頁，共93頁。5、焊后清理鋁及鋁合金焊后殘留在焊縫及鄰近區(qū)域的熔劑和焊渣，在空氣、水分的參與下會腐蝕焊件，因此必須及時清理干凈。

清理方法：將焊件放在10％的硝酸溶液中浸洗。處理溫度為15～20℃，時間為15～20min；或處理溫度為60～65℃，時間為5～15min。浸洗后用冷水沖洗一次然后用熱空氣吹干或在100℃的干燥箱內烘干。第76頁/共92頁第七十六頁，共93頁。§6

銅和銅合金的焊接1、銅的性能特點:一、概述第77頁/共92頁第七十七頁，共93頁。3、銅合金的分類黃銅:Cu–Zn白銅:

Cu–Ni

青銅:

除黃銅和白銅外的所有銅合金。法蘭閥閘閥工業(yè)純銅T1～T4第78頁/共92頁第七十八頁，共93頁。(1)純銅純銅中銅的質量分數(shù)不小于99.95%，具有很高的導電性、導熱性，良好的耐蝕性和塑性。在退火狀態(tài)（軟態(tài)）下塑性較高，但強度不高；通過冷加工變形后（硬態(tài)），強度和硬度均有提高，但塑性明顯下降。冷加工后經(jīng)550～600℃退火，塑性可完全恢復。焊接結構一般采用軟態(tài)純銅。第79頁/共92頁第七十九頁，共93頁。(2)黃銅黃銅是指以鋅為主要合金元素的銅合金，表面呈淡黃色，因此稱黃銅。黃銅的耐蝕性高，冷熱加工性能好，導電性比純銅差，力學性能優(yōu)于純銅，應用較廣泛。黃銅的牌號為H××，其中“H”是漢語拼音“黃”的第一個字母，后面“××”兩位數(shù)字表示銅的質量分數(shù)，其余為鋅，例如H96表示銅的質量分數(shù)為96%的黃銅。在黃銅中加入錫、鉛、錳、硅、鐵等元素就成為特殊黃銅，例如HPb59-1就表示銅的質量分數(shù)為59%、鉛的質量分數(shù)為1%、其余為鋅的特殊黃銅。第80頁/共92頁第八十頁，共93頁。(3)青銅不以鋅和鎳為主要合金元素的銅合金統(tǒng)稱為青銅。青銅具有良好的耐磨性、耐蝕性、鑄造性能和力學性能。常用的青銅有錫青銅（QSn4-3）、鋁青銅（QAl9-2）和硅青銅（QSi3-1）等。第81頁/共92頁第八十一頁，共93頁。(4)白銅白銅為鎳的質量分數(shù)低于50%的銅鎳合金。如在白銅中加入錳、鐵、鋅等元素可形成錳白銅、鐵白銅和鋅白銅。白銅可分為結構用白銅和電工用白銅。在焊接結構中使用的白銅不多。第82頁/共92頁第八十二頁，共93頁。二、銅及銅合金的焊接性1、焊縫難熔，成形能力差銅的熔點比鋼低；但純銅的導熱性特別高，在常溫下的熱導率比鐵大7倍，在1000℃時大11倍。焊接時大量的熱將散失于工件內部，坡口邊緣難以熔化，造成填充金屬與母材不能很好地熔合，容易形成未焊透。銅在熔化溫度時的表面張力比鐵小三分之一，流動性比鋼大1-1.5倍，表面成形能力差，尤其是在大功率的埋弧焊或MIG焊時，熔化金屬容易流失。

預防：（1）采用較大功率的熱源，同時焊接純銅時應充分預熱。（2）單面焊時反面必須附加墊扳成形裝置

第83頁/共92頁第八十三頁，共93頁。2、容易產(chǎn)生焊接熱裂紋純銅在恒溫下凝固沒有固液共存的溫度區(qū)間，但焊縫及熱影響區(qū)仍有較大的熱裂傾向。原因：（1）純銅焊接時一般都需要高溫預熱和采用大線能量，不僅使焊接應力增大，還容易使接頭生成粗大柱狀晶；（2）銅中的雜質（主要為鉛、鉍等低熔點元素及氧）在晶界偏聚，很容易在凝固后期形成液態(tài)薄膜，促使熱裂紋敏感性加大。（3）銅和銅合金的線膨脹系數(shù)和收縮率較大，焊接接頭的應力較