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铝及其合金的焊接性

2023-11-02 来源:爱go旅游网
山东华宇职业技术学院毕业生毕业设计

目录

目录 ············································································································································1 摘要 ············································································································································2 关键字 ········································································································································2 1铝及铝合金的类型及性能特点 ································································································3

1.1铝及其合金的分类 ········································································································3 1.2铝及其合金的力学性能 ·································································································5 1.3铝及其合金的材料化学成分 ·························································································6 2铝合金的焊接性 ······················································································································7

2.1容易被氧化 ····················································································································7 2.2热导率高 ·······················································································································8 2.3变形和应力较大 ············································································································8 2.4容易焊穿 ·······················································································································8 2.5易形成气孔 ····················································································································9 2.6接头性能下降 ················································································································9 3焊接工艺 ································································································································ 10

3.1焊接方法 ····················································································································· 10 3.2焊材选择 ····················································································································· 11 3.3焊前清理 ····················································································································· 11 3.4垫板 ····························································································································· 12 3.5焊前预热 ····················································································································· 13 3.6焊后处理 ····················································································································· 13 4参考文献 ································································································································ 15

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摘要

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展,对铝合金焊接结构件的需求日益增多,使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展,同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域,因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

关键字

铝合金 焊接性 存在问题 解决问题

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1铝及铝合金的类型及性能特点

1.1铝及其合金的分类

1系:特点:含铝99.00%以上,导电性有好,耐腐蚀性能好,焊接性能好,强度低,不可热处理强化. 应用范围:高纯铝(含铝量99.9%以上)主要用于科学试验,化学工业及特殊用途.

2系:特点::以铜为主要合元素的含铝合金.也会添加锰、镁、铅和铋为了切削性。如:2011合金,在熔练过程中要注意安全防护(会产生有害气体)。2014合金用天航空工业,强度高。2017合金比2014合金强度低一点,但比较容易加工。2014可热处理强化。缺点:晶间腐蚀倾向严重。应用范围:航空工业(2014合金),螺丝(2011合金)和使用温度较高的行业(2017合金)。

3系:特点:以锰为主要合金元素的铝合金,不可热处理强化,耐腐蚀性能好,焊接性能好。塑性好。(接近超铝合金)。缺点:强度低,但可以通过冷加工硬化来加强强度。退火时容易产生粗大晶粒。应用范围:飞机上使用的导油无缝管(3003合金),易拉罐(3004合金)。

4系:以硅为主,不常用。部分4系可热处理强化,但也有部分4系合金不可热处理化。hr

5系:特点:以镁为主。耐耐性能好,焊接性能好,疲劳强度好,不可热处理强化,只能冷加工提高强度。应用范围:割草机的手柄、

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飞机油箱导管、防弹衣。

6系:特点:以镁和硅为主。Mg2Si为主要强化相,目前应用最广泛的合金。 6063、6061用的最多、其它6082、6160、6125、6262、6060、6005、6463。 6063、6060、6463在6系中强度比较低。 6262、6005、6082、6061在6系中强度比较高。特性:中等强度,耐腐蚀性能好,焊接性能好,工艺性能好(易挤压出成形)氧化着色性能好。应用范围:交能工具(如:汽车行李架、门、窗、车身、散热片、间箱外壳)

7系:特点:以锌为主,但有时也要少量添加了镁、铜。其中超硬铝合金就是含有锌、铅、镁和铜合金接近钢材的硬度。挤压速度较6系合金慢,焊接性能好。7005和7075是7系中最高的档次,可热处理强化。应用范围:航空方面(飞机的承力构件、起落架)、火箭、螺旋桨、航空飞船。

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1.2铝及其合金的力学性能

铝合金的典型机械性能(Typical Mechanical Properties) 铝合金牌号及状态 5052-H112 5083-H112 6061-T651 7050-T7451 7075-T651 2024-T351 拉伸强度(25°C MPa) 175 180 310 屈服强度(25°C MPa) 195 211 276 硬度500kg力10mm球 60 65 95 延伸率1.6mm(1/16in)厚度 12 14 12 510 455 135 10 572 503 150 11 470 325 120 20 铝合金的典型物理性能(Typical Physical Properties) 热膨胀系数 (20-100℃) μm/m·k 熔点范围 (℃) 500-635 607-650 570-640 580-650 490-630 475-635 电导率20℃(68℉) (%IACS) 电阻率20℃(68℉) Ωmm2/m 铝合金牌号及状态 密度(20℃)(g/cm3) 2024-T351 23.2 30 0.058 2.82 5052-H112 23.8 35 0.050 2.72 5083-H112 23.4 29 0.059 2.72 6061-T651 23.6 43 0.040 2.73 7050-T7451 23.5 41 0.0415 2.82 7075-T651 23.6 33 0.0515 2.82

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1.3铝及其合金的材料化学成分

铝合金的化学成份(Chemical Composition Limit Of Aluminum ) 其它 合金牌号 硅Si 铁Fe 铜Cu 锰Mn 镁Mg 铬Cr 锌Zn 钛Ti 每个 合计 铝 最小值 2024 23.2 0.5 3.8-4.9 0.3-0.9 1.2-1.8 0.1 0.25 0.15 0.05 0.15 余量 5052 25 0.4 0.1 0.1 2.2-2.8 0.15-0.35 0.1 -- 0.05 0.15 余量 5083 23.8 0.4 0.1 0.3-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.25 0.15 0.05 0.15 余量 6061 23.6 0.7 0.15-0.4 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15 0.05 0.15 余量 7050 23.5 0.15 20.-2.6 0.1 1.9-2.6 0.04 5.7-6.7 0.06 0.05 0.15 余量 7075 23.6 0.5 1.2-2.0 0.3 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 0.2 0.05 0.15 余量

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2铝合金的焊接性

铝及铝合金的焊接性比低碳钢差,其焊接特点也与钢不同,这主要与其本身的物理化学性能有关。铝及铝合金的组成不同其焊接性也有一定差异。概括起来铝及铝合金易出现的问题有氧化、裂纹、气孔、接头力学性能下降和耐蚀性下降等。

2.1容易被氧化

铝和氧的化学结合力很强,常温下表面就能被氧化而生成一层厚度为0.1~0.2μm的Al2O3薄膜,Al2O3的熔点高达2050℃,远远超过铝及铝合金的熔点(660℃),而且体积质量大,约为铝的1.4倍。焊接过程中,Al2O3薄膜会阻碍熔化金属之间良好结合,形成夹渣,并且还会吸附水分,在焊缝中产生气孔。

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”。

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2.2热导率高

铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍,焊接过程中大量热量被迅速传导到基体金属内部,因此消耗更多的热量。

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。

2.3变形和应力较大

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条(硅含量4.5%~6%)焊丝会有更好的抗裂性。

2.4容易焊穿

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,支撑熔池困难,容易焊穿。

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2.5易形成气孔

不溶于液态铝,铝也不含碳。因此,焊接铝及铝合金时在焊缝中不会产生N气孔和CO气孔,只可能产生氢气孔。

氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g,而在660℃凝固温度时,氢的溶解度突然降至0.04mL/100g,使原来溶于液态铝中的氢大量析出,形成气泡。同时,铝和铝合金的的密度小,气泡在熔池中的上升速度较慢,加上铝的导热性强,熔池冷凝快,因此,上升的气泡往往来不及退出而留在焊缝中成为气孔。

2.6接头性能下降

铝及铝合金的热影响区由于受焊接热循环作用而发生软化,强度降低,使接头与母材金属无法达到等强度。工业纯铝及非热处理强化铝合金的强度约为母材金属的75%~100%;热处理强化铝合金的接头强度较小,只有母材金属的40%~50%。

由干铝及铝合金质轻、化学性质活泼、导热系数大、线膨胀系数大,在焊接时容易产生气孔、热裂纹、氧化、焊接接头强度降低和耐腐蚀性降低等一系列问题.因此.焊接时,正确地制定焊接工艺就显得十分重要。

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3焊接工艺

3.1焊接方法

几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金,但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同,各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法,设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊(TIG或MIG)方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛(氩气或氩/氦混合气)一般短焊缝常用交流TIG(钨极氩弧焊)就可以,铝合金焊后打磨就没有焊缝痕迹了,长焊缝MIG(熔化极氩弧焊)效率高,焊丝选用需根据母材型号来选择,一般常用的有纯铝、铝硅。铝镁三种焊丝。

如果对成形和焊缝质量要求高的话建议选用交流TIG。设备便宜、成形美观、质量好

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3.2焊材选择

焊接材料焊接铝及铝合金最重要的焊接材料是焊丝,不锈钢反应釜它在很大程度上能决定焊缝的成分、抗裂性、抗腐蚀性以及力学性能。在选择焊丝时应综合考虑各方面的要求。目前应用的焊丝可以分为三类:

(1)同质焊丝指与母材成分相同或相近的标准牌号的焊丝,也可从母材上直接切取板条。纯铝、3A21(LF21)、5AO3(LF3)、5A06(LF5)和2A16(LY16)合金均可采用这种焊丝。

(2)通用焊丝这种焊丝是为适应抗裂性的要求而设计的压力容器。其成分与母材有较大差异,已列入铝焊丝标准,通常适干多种铝合金焊接。例如,SAISi5焊丝除不适干Mg量较高的合金外,可用干多数铝合金焊接,如硬铝和锻铝等;SAIMg5焊丝可焊接AI一Mg合金,例如5AO3(LF3)、5A06(LFfi)、7A04(LC4)等,但不适干硬铝焊接。

(3)特种焊丝指的是专门为某种铝合金研制的焊丝,均为非标淮焊丝。例如,为提高Al一cu一Mg系硬铝合金接头的扰热裂性研制的B61焊丝;为焊接Al一2n一Mg合金设计的X5180焊丝等。

3.3焊前清理

铝及铝合金焊接时,焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污,清除质量直接影响焊接工艺与接头质量,如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。

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1)化学清洗 化学清洗效率高,质量稳定,适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油,用40℃~70℃的5%~10%NaOH溶液碱洗3 min~7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min),流动清水冲洗,接着用室温至60℃的30%HNO3溶液酸洗1 min~3 min,流动清水冲洗,风干或低温干燥。

2)机械清理 在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时,常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油,随后直接用直径为0.15 mm~0.2 mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷,刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨,以免砂粒留在金属表面,焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。

工件和焊丝经过清洗和清理后,在存放过程中会重新产生氧化膜,特别是在潮湿环境下,在被酸、碱等蒸气污染的环境中,氧化膜成长得更快。因此,工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短,在气候潮湿的情况下,一般应在清理后4 h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24 h)应当重新处理。

3.4垫板

铝及铝合金在高温时强度很低,液态铝的流动性能好,在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷,焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳

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素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽,以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型,但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。

3.5焊前预热

薄、小铝件一般不用预热,厚度10 mm~15 mm时可进行焊前预热,根据不同类型的铝合金预热温度可为100℃~200℃,可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。氧化膜及表面油污的处理是在预热前进行的,对处理好的板材进行组队,工装压恰,调整好焊缝坡口间隙等,焊机调试完成后进行试焊,如果焊机状态良好开始正式焊接,在正式焊接前先对母材进行预热要达到的温度,指的是焊缝两侧200mm距离内温度平衡后后,温度为材料允许的预热温度(每种铝合金材料的预热温度是不同的),立即进行施焊,即焊接温度应该为预热温度,偏差不会太大。

3.6焊后处理

(1)焊后清理 焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝表面的钝化膜,有时还会腐蚀铝件,应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件,在热水中用硬毛刷刷洗后,再在60℃~80℃左右、浓度为2%~3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5 min~10

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min,并用硬毛刷洗刷,然后在热水中冲刷洗涤,用烘箱烘干,或用热空气吹干,也可自然干燥。

(2)焊后热处理 铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性,需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力,来使容器上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下,这时应由容器设计文件提出特别要求,才进行焊后消除应力热处理。如需焊后退火热处理,对于纯铝、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等,推荐温度为345℃;对于2014、2024、3003、3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等,推荐温度为415℃;对于2017、2A11、6A02等,推荐温度为360℃,根据工件大小与要求,退火温度可正向或负向各调20℃~30℃,保温时间可在0.5 h~2 h之间。

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4参考文献

[1]周振丰,张文钺,焊接冶金及金属焊接性[M],第二版,北京,机械工业出版社,1994,289-298,408-420

[2] 邹增大等编,焊接材料,工艺及设备手册 北京, 化学工业出版社 2001 [3] 曾乐编著, 现代焊接技术手册 上海, 上海科学技术出版社 1993 [4] 日本:水野政夫, 铝及其合金的焊接性 北京, 冶金工业出版社 1985 [5]中国焊接协会编。焊接标准汇编(2001).第二版 北京;中国标准出版社,2001

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