1、铝合金的焊接 铝及其合金的焊接铝及其合金的焊接 铝合金的焊接 1. 铝合金的分类铝合金的分类2. 铝合金的物理、化学性能铝合金的物理、化学性能3. 铝合金焊接时的气孔铝合金焊接时的气孔4. 铝合金焊接时的裂纹铝合金焊接时的裂纹5. 铝合金焊接时的等强性铝合金焊接时的等强性铝合金的焊接 1. 1. 铝合金的分类铝合金的分类铝合金的焊接 可热处理合金可热处理合金 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，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通常的固溶强化元素有Mg和和Mn，主要在，主要在1xxx、3xxx、5xxx系系列的合金中。列的合金中。不可热处理
2、合金不可热处理合金 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合金元素主要存在于2xxx、6xxx、7xxx和和8xxx系列合金中。系列合金中。铝合金的焊接 铸铝和锻铝铸铝和锻铝 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。件的质量，但是对其加工性能则不利。铝合金的焊接 常用的铝合金焊丝常用的铝合金焊丝 4043（Al-Si）
3、：用于）：用于Al-Si 和和Al-Mg-Si系（系（6061、6082等）以及铸铝和锻铝合金之间的等）以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和和TIG焊。焊。 5356（ Al-Mg-Si ）：用于）：用于Al-Mg系（系（Mg5%）合金的）合金的MIG和和TIG焊。焊。铝合金的焊接 2. Al合金的物理化学性能合金的物理化学性能铝合金的焊接 线膨胀系数大，是钢的线膨胀系数大，是钢的1倍；倍；比热大，是钢的比热大，是钢的2倍；倍；密度小；密度小；晶型是面心立方，没有同素异构转变，塑性好，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。无低温脆性转变，但强度比较低。铝合金的焊接
4、 3. 铝合金焊接过程中形成的气孔铝合金焊接过程中形成的气孔 铝是活性元素，本身能脱氧，不象钢焊接过铝是活性元素，本身能脱氧，不象钢焊接过程中会形成程中会形成CO或或CO2气孔，所以主要是氢气孔。气孔，所以主要是氢气孔。铝合金的焊接 （1）氢的主要来源）氢的主要来源 1）保护气体中的水分；）保护气体中的水分； 2）焊材和母材表面吸附的水分；）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。）工件坡口处的氧化膜、油污等。铝合金的焊接 （2）产生气孔的原因）产生气孔的原因 主要是由铝本身的物理性能造成的。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）产生气孔的临界氢分
5、压最低 氢在铝中的固溶度（氢在铝中的固溶度（S）与氢分压）与氢分压PH2有关：有关：S = K PH2 产生气孔时几种金属临界氢分压的比较：产生气孔时几种金属临界氢分压的比较： Al Cu Ni Fe铝合金的焊接 即在焊接铝、铜、镍和铁时，铝产生即在焊接铝、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。气氛中的水分最为敏感。铝合金的焊接 2）与氢在铝中的溶解度变化有关）与氢在铝中的溶解度变化有关氢在铝中的溶解度氢在铝中的溶解度氢在铝合金的凝固点时氢在铝合金的凝固点
6、时从从0.69突降到突降到0.036ml/100g，相差约，相差约20倍，这是产生气孔的重倍，这是产生气孔的重要原因。要原因。铝合金的焊接 3）铝的导热系数很大，在相同的工）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艺条件下，铝熔合区的冷却速度是高强钢的钢的47倍，不利于气泡的逸出。倍，不利于气泡的逸出。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。然不多，但来不及逸出，形成粗大孤立的皮下气孔。 铝合金焊接中的铝合金焊接中的“皮下皮下气孔气孔”（LF6，TIG）铝合
7、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线形成均布形式的“结晶层气孔结晶层气孔”。铝合金焊缝中均布形式的铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔结晶层气孔”（Al-Zn-Mg,TIG）铝合金的焊接 （3）焊缝气孔的影响因素）焊缝气孔的影响因素 1）焊接方法的影响）焊接方法的影响 MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡，焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡， 弧柱弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸氢；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，比表面积焊时，主要是熔池金属表面与
8、氢反应，比表面积小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如MIG有利；有利； 另外，另外，MIG焊熔池深度大于焊熔池深度大于TIG焊，不利于氢气泡的焊，不利于氢气泡的逸出。逸出。铝合金的焊接 2）极性的影响）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，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。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，也没有钨焊时，采用直流反接，无阴
9、极雾化作用，也没有钨极烧损。极烧损。铝合金的焊接 3）焊接工艺参数）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。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；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时间来防止氢向熔池的溶入，所以通过降低焊速
10、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。量来增大溶池存在时间，有利于减少焊缝中的气孔。铝合金的焊接 4）保护气体中的水分和氧化性影响）保护气体中的水分和氧化性影响 采用高纯采用高纯Ar或采用或采用Ar+He改变（即提高）热容量，改改变（即提高）热容量，改变溶池形状，使尖变溶池形状，使尖“V”型变为圆底型，延长溶池停留时间，型变为圆底型，延长溶池停留时间，有利于气孔逸出；有利于气孔逸出； 或者采用或者采用Ar+0.51%O2，Ar+25%CO2，增强保护气氛增强保护气氛的氧化性，减少氢。的氧化性，减少氢。铝合金的焊接 5）表面状态的影响）表面状态的影响 不同的焊材、母材，其氧
11、化膜性质不同，对气不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差别。孔的影响有差别。 MgO疏松，易吸水，产生气孔倾向大；疏松，易吸水，产生气孔倾向大； MnO致密，不易吸水，气孔倾向小。致密，不易吸水，气孔倾向小。铝合金的焊接 母材氧化膜引起的气孔（母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG)铝合金的焊接 6）环境因素的影响）环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。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；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。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。另外，表面油
12、污也可以导致气孔。铝合金的焊接 3. 铝合金焊接过程中形成的裂纹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，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。形成焊缝中心结晶裂纹。铝合金的焊接 铝合金接头中的结晶裂纹铝合金接头中的结晶裂
13、纹铝合金的焊接 铝合金接头热影响区中的液化裂纹铝合金接头热影响区中的液化裂纹铝合金的焊接 液化裂纹的说明液化裂纹的说明 在母材的热影响区中，成在母材的热影响区中，成分为分为XC的铝合金在平衡状态下，的铝合金在平衡状态下，t1温度下组织为温度下组织为 + ，t2时时 中中的组元开始向的组元开始向 固溶体溶解，固溶体溶解，t3时全部转化为时全部转化为 固溶体。固溶体。 铝合金的焊接 液化裂纹的说明液化裂纹的说明 在焊接快速加热条件下，在焊接快速加热条件下，在在t2 来不及溶解，达不到平衡，来不及溶解，达不到平衡，到到t3时仍可能为时仍可能为 + 两相状态，两相状态，t4时已超过共晶温度，时已超过共
14、晶温度， 中的组中的组元还未完全溶入元还未完全溶入 固溶体，则在固溶体，则在 和和 两相界面出现共晶液相，两相界面出现共晶液相，这种局部液化在焊接应力下沿这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜形成晶界液膜形成“液化裂纹液化裂纹”。铝合金的焊接 （2）热裂纹的形成原因）热裂纹的形成原因 1）拘束度的影响；）拘束度的影响； 2）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状）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；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：）材料因素的影响： a）铝合金为共晶合金，裂纹倾向与）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；合金结晶
15、温度区间大小有关系； 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。易产生热裂纹。铝合金的焊接 b) 线膨胀系数大，是钢的线膨胀系数大，是钢的1倍，在拘束条倍，在拘束条件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂件下
16、焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂纹倾向；纹倾向； c) 铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，容易偏析。容易偏析。铝合金的焊接 （3）热裂纹的影响因素）热裂纹的影响因素 1）焊缝合金系统的影响）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。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。对热裂纹产生愈合作用。 焊接焊接Al-Mg合金时采用合金时采用Mg含量超过含量超过3.55%的焊丝；的焊丝； LF21 （Al-Mn）采用）采用Mg含量
17、超过含量超过8%的焊丝；的焊丝； 对热裂倾向大的对热裂倾向大的LY合金采用含合金采用含5%Si的的Al-Si焊丝解决抗裂焊丝解决抗裂问题。问题。铝合金的焊接 2）变质剂的影响）变质剂的影响 Ti、Zr、V、B微量元素作为变质剂，在焊接过程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，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。细化晶粒，改善塑性，还能显著改善抗裂性能。铝合金的焊接 3）焊接规范的影响）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，防止形采用热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接，防止形成
18、方向性强的粗大柱状晶，改善抗裂性。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；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。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。因为提高焊速，促使焊接接头的应变速率，增大热裂倾向。铝合金的焊接 5. 铝合金焊接中接头的等强性问题铝合金焊接中接头的等强性问题 （1）不可热处理合金（）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，一般为焊接热影响区温度超过再结晶温度，一般为2003
19、00 C，引起晶粒长大引起晶粒长大）而降低塑性，表）而降低塑性，表现为接头强度低于母材。现为接头强度低于母材。铝合金的焊接 冷作硬化铝冷作硬化铝Al-4Mg-1Mn接头软化与焊接接头软化与焊接峰值温度的关系峰值温度的关系铝合金的焊接 不可热处理铝合金焊接前后强度变化不可热处理铝合金焊接前后强度变化铝合金的焊接 影响因素影响因素 1）热影响区温度峰值越高，软化越明显；）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）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；明显，而且这种软化无法消除； 3）冷却速度对软化影响不大。）冷却速度对软化影响不大。铝合金的焊接
20、 2）热处理强化合金（）热处理强化合金（LD、LY、LC） 热处理铝合金的软化问题主要是热处理铝合金的软化问题主要是“过时过时效效”软化。软化。 严重程度取决于第二相的性质，也和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。热循环特性有一定关系。铝合金的焊接 时效强化：时效强化： 固溶度变化大的合金，加热至高温后急冷，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都可形成过饱和固溶体SS，即固溶处理。然后，即固溶处理。然后常温或稍高温度加热，即可产生所谓的常温或稍高温度加热，即可产生所谓的“时效时效”过程而强化。过程而强化。铝合金的焊接 时效过程：时效过程：时效初期，时效初
21、期，SS中发生溶质原子偏聚形成局部富集中发生溶质原子偏聚形成局部富集GP区，区，随温度或时间延长，发展为一种共格过渡相随温度或时间延长，发展为一种共格过渡相 ，其成，其成分与平衡非共格相分与平衡非共格相 相同，但点阵不同而且未脱溶，随相同，但点阵不同而且未脱溶，随温度或时间延长，温度或时间延长， ，转化为转化为 而脱溶析出。而脱溶析出。 “过时效过时效” ：一般在一般在GP区合金发生强化，区合金发生强化， 微细共格相微细共格相 ，开始出现开始出现时强度进一步提高，一旦发生时强度进一步提高，一旦发生 ，向向 转化，强化作用降转化，强化作用降低，转变结束时强化作用消失，成为低，转变结束时强化作用消
22、失，成为“过时效过时效”。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。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（进行人工时效，接头强度系数（ 接头接头 / 母材母材）也没有超过）也没有超过60%。铝合金的焊接 上海交通大学焊接工程研究所上海交通大学焊接工程研究所Welding Engineerin
23、g Institute of Shanghai Jiao Tong University 铝合金的焊接 Al-Cu-Mg硬铝的时效过程是很快的，而硬铝的时效过程是很快的，而Al-Zn-Mg合金的时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。后强度损失大。 另外另外Al-Cu-Mg在焊后在焊后560天自然时效对强度改善不明显，而天自然时效对强度改善不明显，而Al-Zn-Mg则在焊后则在焊后4天自然时效，软化开始显著消失，天自然时效，软化开始显著消失，30天后基天后基本消失。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。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。小件采用人工时效，大件采用自然时效。铝合金的焊接 铝合金接头的导电性、耐蚀性下降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。原因是铸造组织的形成和合金元素的污染。
