铝合金的焊机论文.doc
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1、目 录1 绪 论12 铝及铝合金32.1铝合金的特性32.2铝及铝合金的性能分析32.3铝及铝合金的分类42.4铝合金的牌号的编制方法53 铝及铝合金的焊接83.1铝合金的焊接性特点83.2铝及铝合金焊接方法的选择93.3铝及铝合金焊接材料的选择103.4 焊前准备及焊后清理113.5铝及铝合金焊接缺陷产生原因及防止措施124 铝及铝合金焊接工艺144.1钨极氩弧焊144.2熔化极氩弧焊154.3气焊155 实例分析175.1焊接材料分析175.2焊接方法的选择175.3焊接设备的选择185.4焊接材料的选择185.5确定焊接工艺参数195.6坡口的准备205.7焊前准备205.8定位焊205
2、.9焊接操作205.10焊后检查216 结 论22致 谢23参考文献241 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、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
3、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
4、、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、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,
5、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,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
6、,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-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
7、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。 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。
8、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-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
9、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.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
10、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/T47
11、34-2002铝制焊接容器中采用的铝及铝合金有: 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。同时它的焊接性也很好,是储罐类产品
12、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: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
13、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
14、-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。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ZAIXXXZLXXX详见GB/T8063-1994,铸造铝合金代号相当于过去的老牌号Al-SiZAISiZL1XXAl-CuZAICuZL2XXAl-MgZAIMgZL3XXAl-ZnZAIZnZL4XX注:摘自GBT80631994标准表2-2 铝及
15、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1AXXLX(工业纯铝)详见GB/T16474-1996,变形铝合金没有合金代号。AL-Cu2AXX;2BXXLYXX(硬铝)LDXX(锻铝)AL-Mn3XXX;3XXLFXX(防锈铝)AL-Si4AXX;40XXLTXX(特殊铝)AL-Mg5AXXLFXX(防锈铝)AL-Mg-Si6AXX;6BXXLDXX(锻铝)AL-Zn(Mg-Cu)7AXXLCXX超硬铝)其他8AXX-备用9AXX-注: 摘自GBT164741996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。
16、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 铸造铝合金按自己独立的牌号表示方法标准,即GBT 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GBT3401976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GBT 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(
17、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、AIMg、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GBT 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
18、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”表示汉字“压铸”。其后面跟合金牌号,即GBT 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GBT 164741996变形铝合金牌号表示方法
19、,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。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BY),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
20、合金牌号的数字尽量一致,或保持一定的继承关系。如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“代号”).(
21、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。 3 铝及铝合金的焊接铝及铝合金的焊接要比低碳钢困难,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
22、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10-6/.cm新旧3A21LF212.731009180.023.23.455A03LF32.67880146.523.54.962A12LY122.78921117.222.75.792A16LY162.84880138.222.66.106A02LD22.70795175.823.53.707A04LC42.85159.123.14.203.1 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)
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