铝及铝合金焊接工艺研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)

铝及铝合金焊接工艺研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

对铝合金焊接的难点，近些年来提出了几种新工艺 （等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊、搅拌摩擦焊 、激光焊 等） ，在交通、航天、航空等行业得到了一定应用，几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点，焊后接头性能良好，并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。 铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表。 应根据铝及铝合 金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。 表 铝合金常用焊接方法的特点及适用范围 焊接方法 特点 适用范围 手工电弧焊 接头质量差 用于铸铝件补焊及一般修理 钨极氩弧焊 焊缝金属致密，接头强度高、塑性好，可获得优质接头 应用广泛，可焊接板厚 1～ 20㎜ 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 钨极脉冲氩弧焊 焊接过程稳定，热输入精确可调，焊件变形量小，接头质量高 用于薄板、全位置焊接、装配焊接及对热敏感性强的锻铝、硬铝等高强度铝合金 熔化极氩弧焊 电弧功率大，焊接速度快 用于厚件的焊接，可焊厚度为 50㎜以下 熔化极脉 冲氩弧焊 焊接变形小，抗气孔和抗裂性好，工艺参数调节广泛 用于薄板或全位置焊，常用于厚度2～ 12㎜ 的工件 等离子弧焊 热量集中，焊接速度快，焊接变形和应力小，工艺较复杂 用于对接焊要求比氩弧焊更高的场合 真空电子束焊 熔深大热影响区小，焊接变形量小接头力学性能好 用于焊接尺寸较小的焊件 激光焊 焊接变形小，生产率高 用于需进行精密焊接的焊件 搅拌摩擦焊 固态连接，可焊接难容涵的金属 用于尺寸较大的焊件 (TIG) 这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密， 焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。 钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。 (MIG) 由于铝合金很容易氧化，所以不能够使用二氧化碳做保护气体， 而使用惰性气体氩气做保护气体。 我们目前的铝合金焊接多采用自动和半自动熔化极氩弧焊。 自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高 2～ 3 倍。 可以焊接厚度在 50 ㎜以下的纯铝及铝合金板。 例如，焊接厚度 30 ㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层 就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。 半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。 （ 1）钨极脉冲氩弧焊 用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 数来控制电弧功率和焊缝成形。 焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。 （ 2）熔化极脉冲氩弧焊 可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响 区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在 2～ 10 ㎜铝合金薄板的全位置焊接。 、缝焊 可用来焊接厚度在 4 ㎜以下的铝合金薄板。 对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。 焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。 搅拌摩擦焊 FSW（ Friction Stir Welding） 是由英国焊接研究所 TWI （ The Welding Institute） 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺。 其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、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。 目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。 已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括 2020 系列（ Al Cu） 、 5000 系列（ Al Mg） 、 6000 系列（ Al Mg Si） 、 7000 系列（ Al Zn） 、 8000 系列（ Al Li） 等。 国外已经。 进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为 20 m 的结构件，美国洛克希德 马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。 激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，焊接铝合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷，强度系数提高很大。 但是由于这种工艺还不成熟 ，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 [6]。 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。 Huntington 和 Eager 发现激光功率达到一定值时，铝合金对激光的吸收率会洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 明显增大， Huntington 和 Eagar 采用测热法，研究了 CO2 激光焊接纯铝和 5456 铝合金时，对激光的吸收情况，发现阳极氧化和喷砂处理可以明显提高铝对激光能量的 吸收 [7]。 铝用焊接材料 选择 铝合金焊丝 采用气焊、钨极氩弧焊等焊接铝合金时，需要加填充焊丝。 铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。 为了得到良 好的焊接接头，应从焊接构件使用要求考虑，选择适合于母材的焊丝作为填充材料。 如表。 表 铝及铝合金焊丝的型号（牌号）、成分 与用途 国标牌号 主要成份 (%) 特性和用途 相当 AWS S 301 Al≥ 塑性好、耐蚀。 纯铝气焊、氩弧焊用 ER1100 S 311 Si5 Al Rem. 抗裂性好，通用性大。 铝合金气焊、氩弧焊用。 不宜用高镁合金 ER4043 S 321 Al Rem. 良好的耐蚀性、可焊性及塑性。 铝合金气焊、氩弧焊用 ER3003 S 331 Mg5 Al Rem. 耐蚀，强度高。 铝合金氩弧焊用 ER5356 5183 Mg5 Al Rem. 耐蚀、强度高，通用性大。 铝合金氩弧焊用 ER5183 Al 109 TAl 纯铝，耐蚀性好，但强度不高，纯铝焊接用 E1100 Al 209 TAlSi 铝硅，抗裂性好，通用性大。 铝合金焊接用，不宜焊接铝镁合金 E4043 Al 309 TAMn 铝锰，强度高，耐蚀。 铝合金焊接用 E3003 铝合金 焊条 铝合金焊条型号、规格与用途见表。 表 铝及铝合金焊条的型号（牌号）、规格 与用途 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 型号 牌号 药皮类型 焊芯材质 焊条规格 /㎜ 用途 E1100 L109 盐基型 纯铝 3.2， 345～355 焊接纯铝板、纯铝容器 E4043 L209 盐基型 铝硅合金 3.2， 345～355 焊接铝板、铝硅铸件、一般铝合金、锻铝、硬铝（铝镁合金除外） E3003 L309 盐基型 铝锰合金 3.2， 345～355 焊接铝锰合金、纯铝及其他铝合金 焊丝的选择应注意的问题 选用铝合金焊丝应注意的问题如下。 （ 1）焊接接头的裂纹敏感性 影响裂纹敏感性的直 接因素是母材与焊丝的匹配。 选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减小焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。 例如，焊接硅含量 %的 6061 合金时，选用同一合金作焊缝，裂纹敏感性很大，但用硅含量 5%的 ER4043 焊丝，由于其熔化温度比 6061 合金低，在冷却过程中有较高的塑性，所以抗裂性能良好。 此外，焊缝金属避免镁与铜的组合，因为 Al－ Mg－ Cu 有很高的裂纹敏感性。 （ 2）焊接接头的力学性能 工业纯铝的强度最低， 4000 系列铝合金居中，5000 系列铝合金强度最高。 铝硅焊丝虽然有较高的抗裂性能，但含硅焊丝的塑性较差， 所以对焊后需要塑性变形加工的接头来说，应避免选用含硅焊丝。 （ 3）焊接接头的使用性能 填充金属的选择除取决于母材成分外，还与接头的几何形状、运行中的抗腐蚀性要求以及对焊接件的外观要求有关。 例如，为了使容器具有良好的抗腐蚀能力或防止所储存产品对其的污染，储存过氧化氢的焊接容器要求高纯度的铝合金。 在这种情况下，填充金属的纯度至少要相当于母材。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 铝合金的钨极氩弧焊（ TIG） 也称为钨极惰性气体保护电弧焊，是利用钨极与工件之间形成电弧产生的大量热量熔化待焊处，外加填充焊丝获 得牢固的焊接接头。 氩弧焊焊铝是利用其“阴极雾化”的特点，自行去除氧化膜。 钨极及缝区域由喷嘴中喷出的惰性气体屏蔽保护，防止焊缝区和周围空气的反应。 钨极氩弧焊具有以下优点： （ 1） 氩气能有效地隔绝周围空气，本身又不溶于金属，不和金属反应，施焊过程中电弧还有自动清除熔池表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、化学活泼性强的强的有色金属、不锈钢和各种合金。 （ 2） 钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流 (10A)下仍可稳定地燃烧，特别适合于薄板、超薄板材料的焊接。 （ 3） 热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容 易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。 （ 4） 由于填充焊丝熔滴不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。 钨极氩弧焊的不足之处： （ 1） 焊缝熔深浅，熔敷速度小，产生率较低。 （ 2） 钨 极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有 能进入熔池，造成污染 (夹钨 )。 （ 3） 惰性气体 (氩气、氮气 )较贵，和其他电弧焊手法 (如交流手工弧焊、埋弧焊、 CO2 气体保护焊等 )比较，生产成本较高。 TIG 焊工艺最适于焊接厚度小于 3 ㎜的薄板，工件变形明显小于气焊和手弧焊。 交流 TIG 焊阴极具有去除氧化膜的清理作用，可以不用熔剂，避免了焊后残留熔剂、熔渣对接头的腐蚀。 接头形式可以不受限制，焊缝成形良好、表面光亮。 氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织和性能，适于全位置焊接。 由于不用熔剂，焊前清理的要求比其他焊接方法严格。 焊接铝合金较适宜的工艺方法是交流 TIG 焊和交流脉冲 TIG 焊，其次是直流反接 TIG 焊。 通常，用交流焊接铝合金时可在载流能力、电弧可控性以及电弧清理作用等方面实现最佳配合，故大多数铝合金的 TIG 焊都采用交流电源。 采用直流正接（电极接负极）时，热量产生于工件表面 ，形成深熔透，对一定尺寸的电洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 极可采用更大的焊接电流。 即使是厚截面也不需预热，且母材几乎不发生变形。 虽然很少采用直流反接（电极接正极） TIG 焊方法来焊接铝，但这种方法在连续焊或补焊薄壁热交换器、管道厚在 ㎜以下的类似组件时有熔深浅、电弧容易控制、电弧有良好的净化作用等优点。 手工钨极氩弧焊焊接铝及铝合金 钨极电弧焊有自动和手动之分，主要区别是“操作者”的不同。 手工电弧焊操作这是工人，自动焊操作者是人操控下的焊机。 在 使用自动方法焊接 复杂形状处需使用手操作焊接。 手操作是使用于需要短的焊道的不规则的形状物件上焊 接，或需要在难以达到的（不易接近的）区域的焊接，手操作也适合全姿势焊接。 1. 焊前准备。 （ 1） 焊前清理。 焊前清理是保证铝及铝合 金焊接质量的重要工艺措施。 在焊前应严格 清除焊件坡口及焊丝表面的氧化膜和油污， 清理的方法可采用化学清洗或机械清理。 化 学清洗用 10%左右氢氧化钠水溶液，使氢氧 化钠与氧化铝作用生成易溶的氢氧化铝 Al （ OH） 3。 机械清理先用有机溶剂（丙酮、松香水 或汽油）擦拭表面以除油，随后用细铜丝刷 或不锈钢丝刷刷去氧化膜。 （ 2） 预热。 由于铝的比热比钢大一 倍、导热 性比钢大两倍，所以为了防止焊缝区热量的 大量流失，焊前可对焊件进行预热。 薄、小铝 件一般可不预热；厚度超过 5～ 8mm 的铝件 可预热 100～ 300℃。 （ 1） 引弧。 手工 钨极氩弧焊通常采用引弧器进行引弧。 钨极 不与焊件接触，可使钨极端头保持完整，引 弧处不会产生夹钨缺陷。 （ 2） 收弧。 应采取衰 减电流的方法，即电流自动由大到小地逐渐 下降，以填满弧坑，勿突然拉断电弧。 当熄弧 后，氩气会自动延迟几秒钟停气，以防止金 属在高温下产生氧化。 （ 3） 选择工艺参数。 根 据板厚选择钨极直径、焊丝直径；根据板厚 和焊接位置选择焊接电流、氩气流量等。 （ 1） 电弧引燃后，要保持喷嘴 到焊接处一定距离并稍作停留，使母材上形 成熔池后，再给送焊丝，焊接方向采用左焊 法。 （ 2） 焊丝的送进。 填充焊丝时，焊丝的端头 切勿与钨极接触，否则焊丝会洛阳理工学院毕业设计（论文）。