2A12铝合金焊接工艺设计(0617160511).pdf
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1、. . 目录 第一章2A12 铝合金概述 . 2 第二章2A12 铝合金材料成分和力学性能 . 2 2.1 2A12 铝合金材料成分 2 2.2 2A12 铝合金力学性能 3 第三章2A12 铝合金材料焊接性分析 . 3 3.1 焊缝中的气孔. 3 3.1.1 熔焊时形成气孔的原因 3 3.1.2 防止焊缝气孔的途径 4 3.2 焊接热裂纹 . 6 3.2.1 铝合金焊接热裂纹的特点及形成原因 6 3.2.2 防止焊接热裂纹的途径 7 3.3 焊接接头的“等强性”. 9 3.4 焊接接头的耐蚀性. 10 3.5 其他焊接缺陷. 11 第四章2A12 铝合金平板对接焊接工艺 . 11 4.1 焊
2、前准备和预热. 11 4.1.1 化学清理 12 4.1.2 机械清理 12 4.1.3 焊前预热 12 4.1.4 垫板 12 4.2 焊接方法 . 13 4.3 坡口设计 . 14 4.4 焊接材料 . 15 4.5 焊接参数 . 15 4.6 焊接变形及控制. 16 4.焊后处理 16 4.7.1 清理残渣 16 4.7.2 焊件的表面处理 17 4.7.3 焊后热处理 20 4.8 焊缝的整形和焊缝缺陷的返修. 20 第五章2A12 铝合金平板对接焊缝质量及探伤要求 20 5.1 表面质量 . 21 5.2 无损检测( RT). 21 第六章2A12 铝合金焊接工艺卡 . 22 参考文
3、献 . 23 . . 第一章2A12铝合金概述 2A12(LY12)硬铝合金是一种共晶型高强度硬铝合金,属于Al-Cu-Mg 系合 金,2A12 是一种极易被氧化的材料, 在空气中容易与氧结合生成紧密结实的A12O3 氧化薄膜 (厚度约 01 m)。这些薄膜的熔点高达 2050 ,密度 3950kgm 410kgm ,约为铝的 14倍,它会吸附水分,在焊接过程中形成气孔、夹渣 等缺陷,从而降低了焊接接头的力学性能。可进行热处理强化, 在退火和刚淬火 状态下塑性中等, 电焊焊接良好, 用气焊和氩弧焊时有形成晶间裂纹的倾向,在 淬火和冷作硬化后的可切削性尚好,退火后可切削性低; 抗蚀性不高, 常采
4、用阳 极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。由于密度小、 强度 高、耐蚀性好、无磁性、成形性好以及低温性能好等特点而广泛应用于工业领域。 具有优良的综合力学性能,有利于结构件的轻量化,在航空、航天、舰船制造等 领域。用于制造各种承受高载荷的零件和结构件,如飞机的骨架、蒙皮、翼肋、 翼梁、隔框零件铆钉等在150以下工作的零件。在制作高载荷零件时有被LC4 取代的趋势。 第二章2A12铝合金材料成分和力学性能 2A12铝合金为变形铝合金,属于热处理强化、Al-Cu-Mg 系合金。 2.1 2A12 铝合金材料成分 经查标准 GB/T3190 1996,2A12铝合金的化学成分具体数
5、值见表1: 2A12 (LY12 )硬铝合金是一种共晶型高强度硬铝合金,属于Al-Cu-Mg 系合 金。 . . 2.2 2A12 铝合金力学性能 经查标准 GB/T3190 1996,2A12铝合金的化学成分具体数值见表2: 表 2 2A12 铝合金的力学性能 材料状态抗拉强度 s/MPa 屈服强度 b/MPa 伸长率 (%) 断面收缩率 (%) 硬度 HBW 淬火 +自然时效 退火 包铝的,淬火+自然时效 包铝的,退火 470 210 430 180 330 110 300 100 17 18 18 18 30 55 105 42 105 42 第三章2A12铝合金材料焊接性分析 2A12
6、(LY12)是典型的硬铝合金,合金系统是:Al CuMg ,它的焊接性较 差。 3.1 焊缝中的气孔 2A12铝合金熔焊时最常见的焊接缺陷就是焊缝气孔。 3.1.1 熔焊时形成气孔的原因 氢是铝及铝合金熔焊时产生 气孔的主要原因,氢的来源是弧 柱气氛中的水分、焊接材料以及 母材表面氧化膜所吸附的水分 对焊缝气孔的产生有重要的影 响。由于液态铝合金溶解氢的能 力很强,在凝固过程中氢来不及 析出而聚集在焊缝中形成气孔。 (1)弧柱气氛中水分的影 响。弧柱气氛中的氢之所以能使 焊缝形成气孔, 与它在铝中的溶 解度有很大的关系。由图3-1 可见,平衡条件下氢的溶解度沿图中的实线变化, 图 3-1 氢在
7、铝中的溶解度 (PH2=101kPa) . . 凝固点时可从 0.69mL/100g 突降到 0.036mL/100g,相差约 20 倍(在钢中只相差 不到 2 倍),这是氢易使铝焊缝产生气孔的重要原因之一。 弧柱空间或多或少存在一定量的水分,尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行 焊接时,由弧柱气氛中水分分解而来的氢,溶入过热的熔融金属中, 凝固时来不 及析出成为焊缝气孔。这是形成的气孔具有白亮内壁的特征。MIG焊时,焊丝以 细小熔滴形式通过弧柱落入熔池,由于弧柱温度高, 熔滴比表面积大, 熔滴金属 易于吸收氢。而且在焊接2A12铝合金时保护气体中的含水量也是非常重要的, 一般需要小于 0.08%
8、才能使焊接时过渡到焊缝中的氢含量更少。 (2)氧化膜中水分的影响。在正常的焊接条件下,对于气氛中的水分已严 格控制, 这时, 焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。 氧化膜不致密、吸水性强的铝合金(如Al-Mg 合金),比氧化膜致密的纯铝具有 更大的气孔倾向。因为Al-Mg 合金的氧化膜由 A12O3和 MgO 构成,而 MgO 越多, 形成的氧化膜越不致密,更易于吸附水分;纯铝的氧化膜只由A12O3构成,比较 致密,相对来说吸水性要小。MIG焊时,由于熔深大,坡口端部的氧化膜能迅速 熔化,有利于氧化膜中水分的排除,氧化膜对焊缝气孔的影响就小很多。 (3) 焊接方法的影响。
9、 MIG焊时,焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡,弧柱温 度高,熔滴比表面积大,熔滴易于吸氢;TIG焊时,主要是熔池金属表面与氢反 应,比表面积小,熔池温度小于弧柱,吸氢条件不如MIG有利;另外, MIG焊熔 池深度大于 TIG 焊,不利于氢气泡的逸出。 (4)极性的影响。 TIG 焊时,直流反接,具有阴极雾化作用,可以避免氢 的产生,但钨极易烧损,形成缺陷;正接时无阴极雾化作用,熔深大,对气泡逸 出不利,所以采用交流。 MIG 焊时,采用直流反接,无阴极雾化作用,也没有 钨极烧损。 (5)焊接工艺参数。焊接规范主要影响熔池在高温的停留时间,从而对氢 的溶入时间和析出时间产生影响。 TIG焊时,采用
10、小线能量, 采用较大的规范, 高的焊速, 减少熔池存在时间, 减小氢的溶入; MIG焊时,焊丝氧化膜的影响更为显著,不能通过减少熔池时间 来防止氢向熔池的溶入, 所以通过降低焊速和提高焊接线能量来增大溶池存在时 间,有利于减少焊缝中的气孔。 3.1.2 防止焊缝气孔的途径 防止焊缝中的气孔可从两方面着手:一是限制氢溶入熔融金属, 或者是减少 氢的来源,或者减少氢与熔融金属作用的时间(如减少熔池熙吸氢时间);二是 尽量促使氢自熔池逸出, 即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出,这就要改 . . 善冷却条件以增加氢的逸出时间(如增大熔池析氢时间)。 (1)减少氢的来源。使用的焊接材料(包括保护气体
11、、焊丝、焊条等)要 严格限制含水量,使用前需干燥处理。一般认为,氩气中的含水量小于0.08 时不易形成气孔。氩气的管路也要保持干燥。 焊前处理十分重要。 焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除,采用化学方法或 机械方法均可,若两者并用效果更好。 (2)控制焊接参数。 焊接参数的影响可归结为对熔池高温存在时间的影响, 也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响。熔池高温存在时间增长, 有利于氢的 逸出,但也有利于氢的溶入;繁殖,熔池高温存在时间减少,可减少氢的溶入, 但也不利于氢的逸出。 焊接参数不当时,如造成氢的融入量多而又不利于逸出时, 气孔倾向势必增大。 在 MIG焊条件下, 焊丝氧化膜的影响更明显,
12、 减少熔池存在 时间,难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入。因此希望增大熔池 时间以利气泡逸出。 TIG焊:小热输入 - 减少熔池存在时间 - 减少氢的溶入同时为保证根部熔 透,需用大电流,所以应:大电流,大的焊接速度。如图5-2 所示为 TIG 焊时焊 接参数对焊缝中扩散氢 H 的影响。 MIG焊:水分主要来自氧化膜- 增大熔池存在时间 - 气泡析出,所以应: 大电流,小的焊接速度,必要时进行预热。如图5-3 所示为 MIG焊焊接参数对 焊缝气孔的影响。 图 3-2 TIG 焊焊接参数对焊缝中扩散氢H 的影响图 3-3 MIG 焊焊接参数对焊缝气孔的影响 . . 3.2 焊接热裂纹
13、 纯铝和非热处理强化铝合金 (如 Al-Mn、Al-Mg 合金等) ,一般是不容易产生 裂纹的。而硬铝及大部分热处理强化铝合金,产生裂纹的倾向较大。 对含有铜的硬铝( Al-Cu-Mg)和超硬铝( Al-Zn-Cu-Mg)合金,目前很难用 熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头, 所以一般不能选用熔焊方法制造硬铝和超硬 铝焊接结构。 2A12 铝合金属于硬铝,在焊接时,常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹(图 3-4)和近焊缝液化裂纹(图3-5) 。并且 2A12 铝合金的热裂纹倾向很大,在焊 接过程中最重要的就是防止热裂纹的产生。 3.2.1 铝合金焊接热裂纹的特点及形成原因 2A12 铝合金属于共晶型合
14、金。从理论上分析,最大裂纹倾向与合金的“最 大凝固温度区间” 相对应。但是,由平衡状态图得出的结论与实际情况有较大的 出入。 在焊接过程中生成的二次相-Al + S 及-Al + 共晶组织和杂质,会 促使铝合金具有较大的裂纹倾向。若合金存在其他元素或杂质时, 还可能形成三 元共晶,其熔点比二元共晶更低一些,凝固温度区间也更大一些。 易熔共晶的存 在, 是铝合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一。铝的线膨胀系数比钢约大一倍, 而凝固时的收缩率又比铁大两倍,当成分中的杂质超过规定范围时,在熔池中将 形成较多的低熔点共晶。 两者共同作用的结果, 在焊缝中就容易产生热裂纹。在 铝的线膨胀系数比钢约大一倍时
15、,并且拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应 力,也是促使铝合金具有较大裂纹倾向的原因之一。 关于易熔共晶的作用,不仅要看其熔点高低,更要看它对界面能量的影响。 易熔共晶成薄膜状展开于境界上时, 促使晶体易于分离,而增大合金的热裂倾向; 图 3-4 铝合金接头中的结晶裂纹图 3-5 铝合金接头热影响区中的液化裂纹 . . 若成球状聚集在晶粒间时,合金的热烈倾向小。近缝区“液化裂纹”同焊缝凝固 裂纹一样,也与晶间易熔共晶有联系,但 这种易熔共晶夹层并非晶间原已存在的, 而是在不平衡的焊接加热条件下因偏析而 形成的,所以称为晶间“液化裂纹”。 (1)液化裂纹产生原因。如图 3-6所 示,在母材的热影响
16、区中,成分为XC的铝 合金在平衡状态下, t1温度下组织为+ , t2时 中的组元开始向固溶体溶解, t3时 全部转化为固溶体。在焊接快速加热条 件下,在 t2来不及溶解,达不到平衡, 到t3时仍可能为+ 两相状态, t4时已超过 共晶温度, 中的组元还未完全溶入固溶 体,则在和 两相界面出现共晶液相,这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜 形成“液化裂纹”。 (2)热裂纹的形成原因。 1)拘束度的影响; 2)液固相距离宽,生成柱状晶,柱状晶之间产生成分偏析,导致容易产 生裂纹; 3)材料因素的影响: a)铝合金为共晶合金,裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系; 2A12铝合金热裂倾向最大时的合金
17、组元浓度(xm) : Al-Cu: xm=2%Cu b) 线膨胀系数大, 是钢的 1倍,在拘束条件下焊接, 容易产生较大的 焊接应力,增大裂纹倾向; c) 铝合金焊接过程中无相变,柱状晶粗大,容易偏析。 3.2.2 防止焊接热裂纹的途径 母材的合金系对焊接热裂纹有重要的影响。在焊接中获得无裂纹的铝合金接 头并同时保证各项使用性能要求是很困难的。例如,硬铝和超硬铝就属于郑重情 况。即使对于纯铝、铝镁合金等,有时也会遇到裂纹问题。 对于焊缝金属的凝固裂纹, 主要是通过合理确定焊缝的合金成分,并配合适 当的焊接工艺来进行控制。 (1)合金系的影响。在铝中加入Cu 、Mn 、Si、Mg 、Zn等合金元
18、素可获得不 图 3-6 铝合金组织转变图 . . 同性能的合金, 但是对于裂纹倾向大的硬铝之类高强铝合金,在原合金系中进行 成分调整以改善抗裂性,往往成效不大。生产中不得不采用 Si=5% 的 Al-Si 合 金焊丝( 4A01 )来解决抗裂纹问题。因为可以形成较多的易熔共晶,流动性好, 具有很好的“愈合”作用,有很高的抗裂性能,但强度和塑性不理想,不能达到 母材的水平。 (2)焊丝成分的影响。不同的母材配合不同的焊丝。如果采用成分与母材 相同的焊丝时, 具有较大的裂纹倾向, 不如改用其他合金组成的焊丝。例如采用 Al-5%Si 焊丝(国外牌号4043)和 Al-5%Mg焊丝( 5A05或 5
19、556)的抗裂效果是 较好。 Al-Zn-Mg合金专用焊丝 X5180 (Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr )也具有相当高 的抗裂性能。 所以本次 2A12铝合金采用 Al-5%Si 焊丝(国外牌号 4043)进行 MIG焊对此 次工艺来说是十分合理的。 (3)焊接参数的影响。焊接参数影响凝固过程的不平衡性和凝固后的组织 状态,也影响凝固过程中的应力变化,因而影响裂纹的产生。 热能集中的焊接方 法,可防止形成方向性强的粗大柱状晶,因而可以改善抗裂性。 采用小焊接电流, 可减少熔池过热, 也有利于改善抗裂性。 焊接速度的提高, 促使增大焊接接头的 应力,增大热裂的倾向。 因此,增大焊接速
20、度和焊接电流, 都促使增大裂纹倾向。 大部分铝合金的裂纹倾向都较大, 所以,即使是采用合理的焊丝, 在融合比大时, 裂纹倾向也必然大。因此,增大焊接电流是不利的,而且应避免断续焊接。 (4)变质剂的影响。 Ti 、Zr、V、B微量元素作为变质剂,在焊接过程中生 成细小难熔质点,作为结晶时的非自发形核核心,细化晶粒,改善塑性,还能显 图 3-7 母材与焊丝组合的抗热裂性试验 (括号中数字为母材代号,无括号的数字为焊丝代号) . . 著改善抗裂性能。 3.3 焊接接头的“等强性” 时效强化:固溶度变化大的合金, 加热至高温后急冷, 都可形成过饱和固溶 体 SS ,即固溶处理。然后常温或稍高温度加热
21、,即可产生所谓的“时效”过程 而强化。 时效过程:时效初期, SS中发生溶质原子偏聚形成局部富集GP区,随温度 或时间延长,发展为一种共格过渡相 , ,其成分与平衡非共格相相同, 但点阵不同而且未脱溶,随温度或时 间延长, ,转化为 而脱溶析出。 “过时效” :一般在 GP区合金 发生强化,微细共格相 ,开始出现 时强度进一步提高,一旦发生 ,向 转化,强化作用降低,转变结束时强 化作用消失,成为“过时效” 。 热处理强化铝合金焊接接头组织 如图 3-8 所示,焊接过程中,焊接温度超过过时效温度,产生过时效和脱溶,所 以导致强度损失。 在退火状态下焊接时, 接头与母材是等强的; 在冷作硬化状态
22、下焊接时, 接 头强度低于母材。表明在冷作状态下焊接时接头有软化现象。是想强化铝合金, 无论是退火状态下还是时效状态下焊接, 焊后不经热处理,接头轻度均低于母材。 特别是在时效状态下焊接的硬铝,即使焊后经人工时效处理, 接头强度系数 (即 接头强度与母材强度之比的百分数)也未超过60% 。 (1) 非时效强化铝合金 HAZ的软化主要发生在焊前经冷作硬化的合金上。 经冷作硬化的铝合金, 热影响区峰值温度超过再结晶温度(200300)的区域 时就产生明显的软化现象。 洁柔的软化主要取决于加热的峰值温度,而冷却速度 的影响不很明显。 由于软化后的硬度实际已低到退火状态的硬度水平,因此,焊 前冷作硬化
23、程度越高,焊后软化的程度越大。板件越薄,这种影响也显著。冷作 硬化薄板铝合金的强化效果,焊后可能全部丧失。 (2)时效强化铝合金HAZ的软化主要是焊接热影响区“过时效”软化, 这是熔焊条件下很难避免的。 软化程度决定于合金第二相的性质,也是焊接热循 环有一定关系。第二相易于脱溶析出并易于聚集长大时,就越容易发生“过时效” 图 3-8 热处理强化铝合金焊接接头组织示意图 . . 软化。 Al-Cu-Mg 硬铝的时效过程是很快的, 而 Al-Zn-Mg 合金的时效过程是很慢的, 说 明前者比后者的第二相易于脱溶,所以在 焊后强度损失大。另外Al-Cu-Mg 在焊后 560 天自然时效对强度改善不明
24、显,而 Al-Zn-Mg 则在焊后 4 天自然时效, 软化开 始显著消失, 30 天后基本消失。 此次焊接为退火状态下得2A12硬铝铝合 金,热影响区的强度变化如图3-9 所示, 由于时效过程很快等原因,使焊接接头的 强度和母材的强度相差很大,基本上最高 也只能达到母材强度的50% 60% 。 3.4 焊接接头的耐蚀性 铝合金焊接接头的耐蚀性一般低于母材,热处理强化铝合金 (如硬铝) 接头 的耐蚀性降低尤其明显。 接头组织越不均匀, 越易降低耐蚀性。 焊缝金属的纯度 和致密性也是影响接头耐蚀性的因素。 杂质较多、晶粒粗大以及脆性相(如 FeAl3) 析出等,耐蚀性会明显下降,不仅产生局部表面腐
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