1、 目 录 1 绪 论 . 1 2 铝及铝合金 . 3 2.1 铝合金的特性 . 3 2.2 铝及铝合金的性能分析 . 3 2.3 铝及铝合金的分类 . 4 2.4 铝合金的牌号的编制方法 . 5 3 铝及铝合金的焊接 . 8 3.1 铝合金的焊接性特点 . 8 3.2 铝及铝合金焊接方法的选择 . 9 3.3 铝及铝 合金焊接材料的选择 . 10 3.4 焊前准备及焊后清理 . 11 3.5 铝及铝合金焊接缺陷产生原因及防止措施 . 12 4 铝及铝合金焊 接工艺 . 14 4.1 钨极氩弧焊 . 14 4.2 熔化极氩弧焊 . 15 4.3 气焊 . 15 5 实例分析 . 17 5.1 焊
2、接材料分析 . 17 5.2 焊接方法的选择 . 17 5.3 焊接设备的选择 . 18 5.4 焊接材料的选择 . 18 5.5 确定焊接工艺参数 . 19 5.6 坡口的 准备 . 20 5.7 焊前准备 . 20 5.8 定位焊 . 20 5.9 焊接操作 . 20 5.10 焊后检查 . 21 6 结 论 . 22 致 谢 . 23 参考文献 . 24 河南机电高等专科学校毕业论文 1 1 绪 论 铝是工业上应用最广泛的重要有色金属之一。铝及铝合金具有密度小、重量轻、热容量大、熔化潜热高、强度高及良好的耐蚀性、导电性、导热性，以及在低温下能保持良好的力学性能等优点。铝及铝合金在航空航天
3、、国防、汽车、电工、化工、交通运输等行业中被广泛应用，这也极大地推动了铝合金焊接技术的发展，因此，提高铝合金焊接的生产率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际生产的迫切要求。 铝合金其主要成分是铝， 而铝的密度较低，熔点低、热传导性能好、热膨胀系数大，同时其具有很强的化学活泼性，易氧化，且氧化物的熔点很高。在与其他组元形成合金后依然保持这些特性，因此铝合金在焊接过程中存在着一系列的问题，如：氧化、裂纹、气孔、接头力学性能下降、热影响区变宽等。为了提高铝合金焊接接头的质量，近年来涌现出了许多新的铝合金焊接方法，如：钨极氩弧焊（ TIG）、激光焊（ LBW）、电子束焊（ EBW）、搅
4、拌摩擦焊（ FSW）等。 1.钨极氩弧焊（ TIG） 钨极氩弧焊是目前广泛采用的焊接铝合金的方法。它是一种以钨棒为一个电极，以焊 件为另一个电极，用惰性气体保护两电极之间的电弧、熔池及母材热影响区而实现电弧焊接作业的一种方法，根据电流性质分为直流氩弧焊和交流氩弧焊。其优点是焊缝成型良好、钨极电弧稳定、设备简单、价格便宜等。但存在如单道熔深较浅、生产效率低；氩气和氦气价格较高，不利于降低生产成本等一些问题。 2.电子束焊接（ EBW） 电子束焊接是指在真空环境中，使用会聚的高速电子流轰击焊件连接部位，使需焊接部位产生热能，从而使被焊金属融合的一种焊接方法。其突出特点是功率密度高、穿透力强、精确、
5、快速、可控、保护效果好。对于铝合金使 用电子束焊接方法，可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷的产生。 3.激光焊接（ LBW） 铝及铝合金激光焊接技术 (LaserWelding)是近年来发展起来的一项新技术。它是以高能量密度的激光作为加热热源，对金属需焊接部位进行加热使其熔化形成焊接接头。其优点是：能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝；冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好；焊接速度快、功能多、适应性强、可靠性高，且不需要真空装置。虽然用河南机电高等专科学校毕业论文 2 激光焊接铝合金具有很多优点，但是由于 这种工艺还不成熟，
6、焊接时存在着一些问题：铝合金对激光能的吸收很低；合金元素烧损严重；易产生气孔；热裂纹敏感性大。可以从增大激光功率密度和提高铝合金对激光能的吸收率这两个方面采取措施解决这些问题。 4.搅拌摩擦焊（ FSW） 搅拌摩擦焊技术（ FSW）是自激光焊接技术以后的又一项革命性的连接技术。与传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊拥有无需填丝、无弧光、无飞溅、无需焊前热处理、无需气体保护等优点，因而应用前景广泛。迄今为止，搅拌摩擦焊可以实现所有牌号的铝合金焊接，甚至以前所谓的不可焊铝合金材料都能焊接，如应用于航 空、航天领域的 2000 系列 (A1-Cu)、 5000 系列 (A1-Mg)、 6000 系列 (A1-
7、Mg-Si)、7000 系列 (A1-Zn)、 8000 系列 (A1-Li)高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。因此搅拌摩擦焊有着广泛的工业应用前景。 搅拌摩擦焊已经在铝合金上实现了规模化工业应用，国内外许多学者针对不同铝合金进行了一系列的搅拌摩擦焊工艺研究、接头微观组织、接头耐蚀性能及力学性能研究。采用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金，焊核区的组织与母材相比，晶粒得到了细化，接头强度可达到母材的 78%，抗弯强度 达到母材的 76%，显示出了良好的机械性能。 作为革命性的绿色焊接技术，搅拌摩擦焊技术的出现对铝合金连接技术的发展产生了巨大的冲击和推动。该技术可以取代传统的电阻电
8、焊和铆焊，在国际上已经成功应用于航空航天、船舶、高速列车制造等领域。随着焊接设备和搅拌头的发展，可应用 FSW 连接的材料会更加广泛，同时可优化接头性能，降低生产成本，而且可以很容易地实现自动化生产。 河南机电高等专科学校毕业论文 3 2 铝及铝合金 2.1 铝合金的特性 铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗 蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属 Al-Cu-Mg 系，一般含有少量的 Mn。可热处理强化，其特点是：硬度大，但塑性铰差。超硬铝属 Al-Cu
9、-Mg-Zn 系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金，但耐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是 Al-Zn-Mn-Si 系合金，虽然加入元素种类多，但是含量少，因而具有优良的热塑性，适宜锻造，故又称锻造铝合金。 2.2 铝及铝合金的性能分析 1.铝在空气和氧化性水溶液介质中，其表面较易产生致 密的氧化铝钝化膜，它在一些氧化性介质中具有良好的耐蚀性。在高温浓硝酸中，纯铝的耐蚀性优于不锈钢。铝材常作为耐蚀容器材料。对一些腐蚀性不太强，但要求防铁污染的介质，如化纤生产等，铝有较好的耐蚀性，而且没有铁污染物料，因此，铝材常作为防铁污染的容器材料。其他有色金属容器也能防铁污染，但铝材的经济性较好。 2
10、.铝是面心立方晶格，没有同素异构体，低温下不存在像铁素体钢那样的脆性转变，铝容器的最低设计温度可达 -269 。铝材常作为制作低温容器的材料。铝镁合金中的镁含量较高时，会以金属间化合物 Mg2Al3 和 Mg5Al8 在晶间析出，使铝镁合金在某些介质中产生应力腐蚀敏感性，只有在 65 以下使用才不会产生应力腐蚀，因此含镁量超过了 3的铝镁合金，规定其设计温度不超过 65 。析出相过多也会降低冲击韧性，因此含镁量超过 3的铝镁合金及其焊接接头应检验冲击韧性。其他铝和铝容器，包括低温铝容器均不要求进行冲击韧性检验。 3.由于铝镁硅合金固溶时效状态强度高，塑性也较好，焊接性好，焊接接头在焊后状态仍能
11、保持较高的强度，因而常用作容器用高强度铝合金。铝，特别是纯铝的规定非比例伸长应力很低，在小的载荷下即会产生塑性变形。铝容器在使用与运输时，应注意防止碰撞剧烈振动发生塑性变形。 4.为了得到好的塑性，纯铝、铝锰合金和铝镁合金的变形铝材都只在退火状态或热作状态使用，不采用冷作状态。热作状态铝的焊接接头，焊接热对热影响区有退火作用，因而其许用应力也只取退火状态铝材的许用应力。只有铝镁硅合河南机电高等专科学校毕业论文 4 金和铝铜合金的铝材才采用固溶时效状态，以保证其高强度。 2.压力容器设计规范中规定 制造容器的材料要具有良好的成形性能和焊接性， JB/T4734-2002铝制焊接容器中采用的铝及铝
12、合金有： 工业纯铝 1A85、 1050A、 1060 和 1200。Al-Cu 合金 2014。 Al-Mn 合金 3003 和 3004。 Al-Mg 合金 5A02、 5A03、 5A05、5052、 5052、 5058 和 5086。 Al-Mg-Si合金 6A02、 6061 和 6063。 由于该储罐是在常温常压下工作，不受动载荷作用，即归属于固定式压力容器，故对其强度要求并不高。又因为它是用来装浓硝酸的，其耐腐蚀性要求很高。从强度方面考虑，工业纯铝的几个牌号均可满足使用（ 1A85、 1050A、 1060 和 1200），但 1060 的耐腐蚀性是优于其它几个牌号的。同时它的
13、焊接性也很好，是储罐类产品的常用材料 ，故本产品全部零部件均采用 1060（ L2）工业纯铝。 2.3 铝及铝合金的分类 铝及铝合金的分类方法，可以按实际使用的不同需要，有多种分类方法。 2.3.1 按材料的基本加工方法分 可以分为 “铸造铝合金 ”和 “变形铝合金 ”二大类。这是最常见的，也是最基本的分类方法。 2.3.2 按材料的性能特性分 在实际使用中，加工及使用人员往往关心的不是材料的合金体系 (组别 )，而是材料的用途和基本特性。 变形铝合金按用途可划分为：纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、特殊铝，这就是过去铝和铝合金的牌号表示方法所采用的分 类方法；变形铝合金还可以按材料的热处理特性分为
14、：非热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。 铝没有同素异构体，纯铝、铝锰合金、铝镁合金等不可能通过热处理相变来提高强度。但是，铝铜和铝镁硅等合金可通过固溶时效析出强化相提高强度，称为可热处理强化铝合金。不能通过固溶时效析出强化相提高强度的称为不可热处理强化铝合金。 2.3.3 按材料的合金系（组别）划分 铝合金按合金系列又分为 Al-Mn 合金、 Al-Cu 合金、 Al-Si 合金和 Al-Mg 合金等 .这是材料学科上常用的分类方法，也是新的铝和铝合金标准所采用的分类方法。现 行的铝和铝合金的牌号的表示方法就是根据材料的合金体系来划分的 (见表2-1、表 2-2)。它也是国际上通行的分类方
15、法。 要注意铸造铝合金和变形铝合金的合金系分类是不一样， 表 2-1 是铸造铝及铝合金，表 2-2 是变形铝及铝合金。在表 2-1、表 2-2 中把按材料的合金体系 (组别 )分类的材料牌号、材料代号放在同一个表格中，以便于对照、比较。 河南机电高等专科学校毕业论文 5 2.3.4 其它分类方法 除了上面三种基本分类方法外，还有一些其它的分类方法，例如：按材料的品种分，按材料的状态分 可以用在一些特定的场合。 表 2-1 铝及铝合金的牌号 类别 合金系（组别） 新牌号 合金代号 备注 铸造铝及铝合金 纯铝 ZAIXXX ZLXXX 详见 GB/T8063-1994,铸造铝合金代号相当于过去的老
16、牌号 Al-Si ZAISi ZL1XX Al-Cu ZAICu ZL2XX Al-Mg ZAIMg ZL3XX Al-Zn ZAIZn ZL4XX 注：摘自 GB T8063 1994 标准 表 2-2 铝及铝合金的牌号 类别 合金系（组别） 新牌号 旧牌号 备注 变形铝及铝合金 纯铝 1AXX LX（工业纯铝） 详 见 GB/T16474-1996,变形铝合金没有合金代号。 AL-Cu 2AXX;2BXX LYXX（硬铝） LDXX（锻铝） AL-Mn 3XXX;3XX LFXX（防锈铝） AL-Si 4AXX;40XX LTXX（特殊铝） AL-Mg 5AXX LFXX（防锈铝） AL-
17、Mg-Si 6AXX;6BXX LDXX（锻铝） AL-Zn(Mg-Cu) 7AXX LCXX 超硬铝） 其他 8AXX - 备用 9AXX - 注： 摘自 GB T16474 1996标准 2.4 铝合金的牌号的编制方法 铝合金按化学成分和制造工艺可以分为 “铸造铝合金 ”和 “变形铝合金 ”二大类。铸造铝合金和变形铝合金分别有着各自独立的材料牌号表示方法标准，比较系统、完整。 2.4.1 铸造铝合金的牌号 河南机电高等专科学校毕业论文 6 铸造铝合金按自己独立的牌号表示方法标准，即 GB T 8063 1994 铸造有色金属及其合金牌号表示方法，进行牌号命名，它突破了 GB T340197
18、6规定的框框，是和国际标准相接轨的国家标准。 1.铸造铝合金的牌号表示方法 根据 GB T 8063 1994 的规定，铸造铝合金的牌号是用字母 “z”和元素符号“AI” 的组合 “ZAI”当头 (见表 2-1)， “ZAI”示汉字 “铸铝 ”。纯铝是在 ZAI 后面跟表示材料铝含量的三位数字 (即纯度 )；铝合金是在 ZAI 后面再跟主要合金元素符号加代表该元素百分含量的数字 (园整后的平均值 )，来组成材料牌号。这种牌号表示方法和合金钢的牌号表示方法有点相象。牌号末尾如果带字母 “A”，是表示优质、改型合金。 铸造铝及铝合金共有五个材料组别，它们分别是：纯铝、 AISi、 AICu、AIM
19、g、 AIZn 系，其牌号的一般式如表 2-1 所示 。 2.铸造铝合金的代号 从表 2 中可以看到，铸造铝合金的牌号一般比较长，存在不便于使用和记忆的缺点。而老的铸铝牌号便于使用和记忆，但又不和国际标准接轨。因此，在新GB T 11731995 中，把老的牌号统一改称为合金 “代号 ”，使用在一些非正式的场合下，还是很方便的。 铸造铝合金的代号是用字母 “ZL”加三位数字组成。其中字母 “zL”表示汉字 “铸铝 ”；三位数字中的第一位数字代表合金的合金系，第二、三位是顺序号，末尾带字 “A”时也是表示优质合金。 3.压铸铝合金的牌号和代号 压铸铝合金的 牌号是用字母 “YZ” 当头， “YZ
20、”表示汉字 “压铸 ”。其后面跟合金牌号，即 GB T 8063 1994 所规定的铸造铝合金牌号，它由 AI 和主要化学元素符号加代表该元素的百分含量 (园整后的平均值 )组成。 压铸铝合金的代号是用字母 “YL”当头，后面加三位数字组成。 “YL”表示汉字“压铝 ” ，后面的三位数字和铸造铝合金代号中的三位数字一样。 2.4.2 变形铝合金的牌号 和铸造铝合金一样，变形铝合金有自己独立的牌号表示方法标准，即 GB T 164741996变形铝合金牌号表示方法，这也是和国际 标准相接轨的国家标准。国际标准采用的是四位数字体系牌号 (没有字母、符号 )，而我国现在采用的是四位字符体系牌号，二者
21、之间略有差别。 1.变形铝合金牌号表示方法 变形铝合金采用的是四位字符体系牌号，其牌号的一般格式为： XAXX。 河南机电高等专科学校毕业论文 7 四位字符体系牌号中的第一、三、四位为数字，第二位为英文大写字母 （ 见表 2-2） ，它们的含义分别是： 第一位数字代表材料的合金系 (合金的组别 )； 第二位大写字母表示是原始材料 (字母用 A)，或改型材料 (字母用 B Y)，注意，第二位大写字母 A 不是代表 “铝 ” ； 第三、 四位数字是材料的 标识 (对纯铝是材料的纯度 )，为了便于使用，在新牌号命名时，一般都把第三、四位数字和原来旧的铝合金牌号的数字尽量一致，或保持一定的继承关系。如
22、 5A06 对应于旧牌号 LF6， 2A12 对应于旧牌号 LY12。 变形铝及铝合金共有九个材料组别，它们分别是： 纯铝、 AL-Cu、 AL-Mn、AL-Si、 AL-Mg、 AL-Mg-Si、 AL-Zn 系、其它、备用组别，其牌号分别用数字 19 当头，材料牌号的一般式见表 2-2 所示。 2.使用新的变形铝合金牌号标准时要注意的几个问题 （ 1)新的变形铝合金牌号表示方法中，只有材料的牌号， 没有其它标准中有的：材料 “代号 ” 、材料 “名称 ”等。但是， 它有材料的状态 “代号 ”。我们不要把变形铝合金的老牌号当成材料的 “代号 ” (只有铸铝材料是把材料的老牌号规定为材料的 “
23、代号 ”). （ 2)新的变形铝合金牌号表示方法是采用的按材料合金体系来分类的，而老的变形铝合金牌号表示方法是按材料的基本特性来分类的，它和材料的合金系 (组别 )之间有一定的关系，二者在大的类别上的关系是： 防铝锈 (LFXX)：包括现在的 AL-Mn、 AL-Mg 二个系列的合金； 硬铝 (LYXX)：包括现在的 AL-Cu 系列合金的一部分； 锻铝 (LDXX)：包括现在的 AL-Mg-Si系列合金和 AL-Cu 系列合金的一部分； 超硬铝 (LCXX)：包括现在的 AL-Zn(Mg-Cu)系列合金。 河南机电高等专科学校毕业论文 8 3 铝及铝合金的焊接 铝及铝合金的焊接要比低碳钢困难
24、，其焊接特点与钢也不同，这主要与其本的物理和化学性能有关（表 3-1）。具体表现在以下几方面： 表 3-1 铝合金的物理性能 铝合金牌号 密度/g.cm-3 比热容（ 100 ）/J.kg-1. -1 导率（ 25 ）/W.m-1. -1 线膨胀系数（ 20100 ）10-6/ -1 电阻率1 0-6/.cm 新 旧 3A21 LF21 2.73 1009 180.0 23.2 3.45 5A03 LF3 2.67 880 146.5 23.5 4.96 2A12 LY12 2.78 921 117.2 22.7 5.79 2A16 LY16 2.84 880 138.2 22.6 6.10
25、6A02 LD2 2.70 795 175.8 23.5 3.70 7A04 LC4 2.85 159.1 23.1 4.20 3.1 铝合金的焊接性特点 1.铝在空气 中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（ Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过 “阴极清理 ”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热
26、量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直 流正接情况下，可不需要 “阴极清理 ”。 2.铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。 3.铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收河南机电高等专科学校毕业论
27、文 9 缩率较大，焊件的变形和应 力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅 0.5时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅 5 6时可不产生热裂，因而采用 SAlSi (硅含量 4.5 6 )焊丝会有更好的抗裂性。 4.铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时， 没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支
28、撑熔池困难，容易焊穿。 5.铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。 6.合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 7.母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。 8.铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却 过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。 3.2 铝及铝合金焊接方法的选择 铝及铝合金的导热性强，比热容和线膨胀系数大，所以在焊接时消耗的热功
29、率大，并需要采用热量集中的热源。否则，将会造成未焊透或者因加热不集中而变形严重。 目前，铝及铝合金焊接应用最多的方法是氩弧焊及电阻焊，其次还有钎焊。 1.气焊 气焊是一种较古老的焊接方法，虽然它有火焰能量低、热量分散、焊接效率低 等缺点，但它设备简单、经济方便，特别适用于一些薄件的焊接。所以目前在小批生产及维修焊接中应用礽较为广泛。气焊一般用于 薄板的焊接。因其焊接接头晶粒粗大，容易产生夹渣、裂纹等缺陷，故只能用于焊接质量要求不太高的焊接结构件。 2.焊条电弧焊 焊条电弧焊热量比较集中，焊接速度较快，但用于铝及铝合金焊接时飞溅严重，电弧不稳定，焊接质量也很差。因此在实际生产中应用较少，仅用于板厚大
