工艺装备关于铝合金和奥氏体不锈钢的焊接

工艺与装备大作业

班级： 铁车一班 姓名： 贾四千 学号： 20137550

第一部分 铝合金的焊接

摘要:铝合金材料密度低、强度高、热电导率高、耐腐蚀能力强，具有良好的物理特性和力学性能，因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。根据铝合金的性能特点，本文阐述了铝合金焊接的工艺特点和焊接方法;同时指出了铝合金的焊接工艺和焊接后的处理。

关键词:铝合金;焊接方法;性能特点;加工工艺

1、铝合金的性能特点

铝合金具有独特的物理化学性能。它的的外观呈银灰色，密度小、电阻率小、线胀系数大。铝合金还具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度(强度密度)，对热和光都有良好的反射率。磨削时无火花和无磁性。铝合金很容易加工成形，它可用铸造、轧制、冲压、拔丝、施压、拉形和滚轧等各种办法制成各式各样的制品。铝合金的另一特点是，随着温度的升高，其抗拉强度降低;温度降低，则抗拉强度增高，延伸率随之增加。铝合金暴露在空气中时，会很快形成一种黏着力强且耐热的氧化薄膜。在焊接前，必须仔细清除这层氧化膜，焊接时，基体和填充金属才能熔合良好;在钎焊时，钎料有很好的流动性。氧化膜可用溶剂去除，也可在惰性气氛下，由焊接电弧的作用去除，或者用机械的或化学的方法去除。 2、铝合金焊接的工艺特点

铝合金材料密度低、强度高、热电导率高、耐腐蚀能力强，具有良好的物理特性和力学性能，因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来，由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当，造成铝合金零件焊接后因应力过于集中产生严重变形，或因为焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺陷，导致焊缝金属裂纹或材质疏松，严重影响了产品质量及性能。

大多数的铝金材料是可以用气体金属电弧焊或钨极气体电弧焊来进行焊接，不同的焊接材料选用，根据焊接工件材料牌号，选用相同焊丝材料牌号进行焊接，可以获得优良的焊接质量。

铝合金焊接时易产生气孔，其主要原因是氢，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及逸出，容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免，氢的来源很多，有电弧焊气氛中的氢，铝板、焊丝表而吸附空气中的水分等。实践证明，即使氢气按GB汀4842标准要求，纯度达到99.99%以上，但当水分含量达到20pp。时，也会出现大量的致密气孔，当空气相对湿度超过80%时，焊缝就会明显出现气孔。

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。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，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。

铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。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。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、焊接材料及母材表而氧化膜吸附的水分，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{卜气孔的形成。合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 3、铝合金的焊接方法

焊接铝合金的方法很多，但是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。 3.1铝合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊F SW的工作原理，是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钦合金以及异种材料、复合材料焊接等。铝合金搅拌 摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，无熔焊的树枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加热温度低，焊接热影响区显微组织变化小，如亚稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比，它可不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表而进行去除氧化膜，并在48h内进行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。 3.2铝合金的激光焊接

铝合金激光焊接与传统焊接工艺相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。激光焊接铝合金有以下优点:能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大;冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好;与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本;不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X射线;可对密闭透 明物体内部金属材料进行焊接;激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。铝合金表而对YAG激光束的吸收率相对COz激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等。在焊接大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。 3.3铝合金激光一电弧复合焊

复合焊接对激光功率要求降低，同时功率因数对工艺影响很大，激光功率越大，熔深越大，而且这种影响力远大于激光单独焊接时对熔深的影响，增加电弧电源功率，熔化区宽度增加，热影响区增大，若采用脉冲YAG激光器，可调节脉冲频率和宽度以能提高工艺稳定性，减少气孔的形成;焊接速度参数:随焊接速度

的增加，焊接热输入降低，焊缝熔深降低，而且不同的焊接速度影响匙孔的作用有所不同，从而影响焊接的稳定性;激光与电弧中心的距离:在一定范围内，激光与电弧中心距DLAll越小则熔深越大，此时增加电弧电流不仅增加熔宽，而且增加熔深。激光与电弧配合方式:国际上对复合焊的研究一般采用激光垂直入射，电弧与激光束成一定角度，沿焊接方向激光或在电弧前或在电弧后，不同的设计安排影响复合焊接的工艺稳定性和焊接气孔、裂纹的形成;填充材料的影响:通过填充焊丝、粉末来补充合金元素的烧损，增加焊缝强度，改善工艺性能，防{卜热裂纹;改善保护气体成分及流速。当焊接高强度厚板铝合金时，可采用多道焊工艺达到完全熔透焊接，但厚板铝合金焊接易产生气孔、热裂纹及焊缝软化等问题，且其过程比较复杂。厚板铝合金焊接变形严重，所以必须采用一些防变形的工艺。

3.4铝合金的电子束焊接

电子束焊是指在真空环境下，利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接，由于能量密度高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。由于能量密度高，穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。同传统电弧焊接铝合金相比，电子束焊能量密度高3}4个数量级，与另外一种高能量密度焊接工艺—激光焊接相当。因此焊接接头的热影响区非常小，接头强度较传统焊接方法提高很多。电子束的穿透性能好，可对大厚度的铝合金进行施焊，焊后接头力学性能良好。铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加。所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比氢弧焊焊缝高出1} 1.5倍。铝合金电子束焊焊后残余应力小、变形小，对薄板焊后几乎可做到不变形。电子束焊要求在真空条件下完成，真空是最好的保护手段，在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属，避免了空气或保护气体的污染。 4、铝合金的焊接工艺

MIG熔化极氢弧焊铝合金焊接工艺如下:熔化极氢气焊以焊丝作电板，焊接电流可大大提高，得到熔深大的焊缝，焊丝熔数速度快，生产效率相当高，如大厚度铝板制造结构，采用MIG熔化极焊接进行双而焊对接焊，可全厚度焊透，易得到高质量的焊缝。

焊前工件清洁，焊接部位处必须打磨干净，以去除氧化膜，可用砂轮机安装铜丝轮或不锈钢丝轮打磨焊接处边缘部位，为10}15m。范围，至光洁金属为{卜。 焊接送丝软管采用聚四氟乙稀尼龙软管，使送丝滑动顺畅，且有一定硬度耐磨。送丝机采用双主动轮送丝，且必须安导丝管(前主动轮与焊枪接头处)管中心与送丝轮槽对中，且对准送丝轮上切点，安装精确。采用U型槽送丝轮，稍压紧即可。专机自动焊接，应使用直枪，减少焊枪R角送丝阻力。由于铝丝导电性良好，使用焊丝1.2m。时应使用1.6m m导电嘴。保护气体采用隋性气体氢气，为使保护效果良好，应采用纯氢99.99%气体，也可采用混合气体保护。氢气十(1}3)%二氧化碳，可简化焊丝及焊件表而清理，获得无气孔、强度和塑性好的焊缝，焊缝外观光顺平滑。氢气十2%氧气，特别有利于清除气孔。

采用直流反极性接法，即工件接“一”极，焊枪接“十”极，阴极破碎区大。可选择较低的电弧电压，采用“亚射流过渡”焊接，焊接过程中发出轻微的“啪啪”声，此时焊接过程稳定，焊缝熔深大，焊缝成形美观。焊丝直径1.2m m;焊

接电流160}180A; < 190}200A /19}20V;电弧电压18}20V (130}140A八8}19V);焊接工件较厚也可以采用“射流过渡”焊接焊丝直径1.2m m;焊接电流250}280A;电弧电压22}24V;气体流量25}28L血五0不同工件厚度选用焊丝直径不同，气流也不同，即板越厚，焊丝直径越大，焊接效率越高，气体流量也越大。当板厚lOm。以上时应考虑用砂轮机磨出V型槽，槽深3}4m。即可进行焊接。 5、铝合金焊接后的处理

焊件焊完后，如果是使用气焊或药皮焊条焊，在对焊缝进行外观检查和无损检测之前，需要对焊缝及两侧的残存熔剂和焊渣及时进行清除，以防{卜焊渣和残存焊剂腐蚀焊缝及其表而，避免造成不良后果。常见焊后的清理方法如下:在6080℃的热水中刷洗;放入重铬酸钾(KzCrzOz)或质量分数为2%}3%的铬配< C rOz)，再在6080℃的热水中洗涤;放入干燥箱中烘干或风干。为了检验残存熔剂去除的效果，可以在焊件的焊缝中滴上蒸馏水，然后再将蒸馏水收集起来，并滴入装有5%的硝酸溶液的小试管中，如有白色沉淀，则表示残存熔剂尚未清除彻底。

通过适当的焊接工艺和正确的操作技术，焊接后的铝合金焊缝表面，具有均匀的波纹光滑的外貌。阳极化处理，特别是抛光及染色技术配合使用时，可获得高质量的装饰表而。减小焊接热影响区，可使用阳极化处理导致不良的颜色变化减至最小。使用快速焊接工艺，可最大限度地减少焊接热影响区。因此闪光对焊的焊缝，阳极化处理质量良好。

特别是对退火状态下不能热处理强化的合金的焊接件，阳极化处理后，金属基本和焊接热影响区之间的颜色反差最小。炉中和浸渍钎焊不是局部加热的，所以金属颜色的外观是非常均匀的。可热处理强化的合金，常常用作建筑结构零件，它们在焊接以后，常常进行阳极化处理。在这类合金中，焊接加热会形成合金元素的析出，阳极化处理以后，热影响区和焊缝之间会出现差异。这些在焊接区附近的晕圈，使用快速焊接可使其减至最小，或者使用冷却垫块和压板也可使晕圈减到很小，这些晕圈在焊接后，阳极化处理前，进行固落处理可以消除。在化学处理的焊接件中，有时会遇到焊缝金属和基全金属的颜色差别较大，这就必须仔细地选择填充金属的成分，特别是合金成分中含有硅时，就会对颜色的配比有影响。

如有必要可以对焊进行机械抛光。常用的机械抛光有抛光、磨光、磨料喷击、喷丸等。机械抛光即通过研磨、去毛刺、滚光，抛光或砂光等物理方法改善铝工件的表面。它的目的是通过尽可能少的工序获得所需要的表面质量。然而，铝合金属软金属，摩擦系数比较高，而且在研磨过程中如果发生过热，有可能使焊件变形，基至从晶界断裂的现象。这要求在抛光过程中有充分的润滑，对金属表面的压力应降低到最低。

随着工业企业对铝材使用量的日益增加，轻金属焊接技术也越来越显出其重要性。尤其是在汽车制造、零部件加工、轨道车辆制造和航空业上，人们越来越接受铝焊接件。同时在造船、金属加工和容器生产领域，铝焊接的技术越来越广泛。