2A12铝合金焊接工艺设计(0616233414).pdf

. . 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(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%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。 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、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， 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 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，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 5556）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，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蚀，而且会出现晶间腐蚀。焊 接应力更是影响铝合金耐蚀性的敏感因素。 对于铝合金焊接接头的耐蚀性下降的主要原因有 （1）接头的组织不均匀由于焊接热过程的影响，使得焊缝和热影响区组 织不均匀， 并且还存在着偏析， 会使接头各部位产生电极电位差，在腐蚀介质中 形成微电池， 产生电化学腐蚀， 从而破坏了氧化膜的完整性和致密性，使腐蚀过 程加速。 （2）焊接接头存在有焊接缺陷在焊接接头中总是或多或少地存在有焊接 缺陷，如咬边、气孔、夹杂物、未焊透等。这些缺陷破坏了接头表面氧化膜的连 续性。 （3）焊缝金属铸造组织的影响焊缝组织较母材粗大疏松，表面也不如母 材光滑，表面氧化膜的连续性和致密性差。另外，焊缝为铸造组织，具有明显的 枝状晶特点。 由于存在着枝晶偏析， 具有很大的组织和成分不均匀性，以及焊缝 金属枝状晶的结晶方向，对其耐蚀性均有一定的影响。 （4）焊接应力的影响焊接应力的存在，容易产生应力腐蚀。 对于铝合金焊接接头，主要在下列几方面采取措施来改善接头的耐蚀性。 （1）改善接头组织成分的不均匀性主要是通过焊接材料使焊缝合金化， 图 3-9 Al-Cu-Mg （2A12 ）合金焊接 热影响区的强度变化 . . 细化晶粒并防止缺陷；同时通过限制焊接热输入以减少热影响区，并防止过热。 （2）消除焊接应力表面拉应力可采用局部锤击办法来消除；焊后热处理 有良好效果。 （3）调节工艺条件改善焊缝柱状晶成长方向。 （4）采取保护措施例如，采取阳极氧化处理或涂层等。 3.5 其他焊接缺陷 (1) 易氧化铝和氧的亲和力很大，生成的氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良 好组合，焊接时易造成熔合不良与夹渣，焊接过程中合金元素易被氧化和蒸发。 (2) 易烧穿铝合金由固态转变为液态时，没有显著的颜色变化，所以不易 判断母材温度。 另外温度升高时， 铝合金的强度降低， 因此焊接时常因温度过高 无法察觉而导致烧穿。 (3) 易塌陷铝及铝合金的熔点低，高温强度低，而且熔化时没有显著的颜 色变化，因此焊接时常因温度过高无法察觉而导致塌陷。为了防止塌陷， 可在焊 件坡口下面放置垫板，并控制好焊接工艺参数。 综上分析，2A12铝合金的焊接性较差， 焊接时需要采取一定的工艺措施，才 能获得优质的焊接接头。 第四章2A12铝合金平板对接焊接工艺 由于 2A12铝合金的焊接性比较差，因此各个细节部分都应当有所注意。 4.1 焊前准备和预热 焊前清理是保证铝及铝合金焊接质量的一个重要的工艺措施。总所周知，由 于铝及铝合金极易氧化， 表面生成一层致密而坚硬的氧化物薄膜，该薄膜很容易 吸收水分， 它不仅妨碍焊缝的良好熔合，而且是生成气孔和夹渣的根源之一。此 外，如工件表面被油污、锈、垢污染后，也会引起气孔等缺陷。为了保证铝及铝 合金的焊接质量， 焊前要采取严格的清理措施， 彻底清除焊丝和焊接接头上的氧 化膜和油污。 清理的程度直接关系到焊接接头的焊接质量。清理主要有脱脂去油 清理、化学清理和机械清理三种。 . . 4.1.1 化学清理 （1）将焊件与焊丝用浓度为8% 10% 、溶液温度为 4060的 NaOH 溶液 浸蚀 1015 分钟； （2）用水冷冲洗约 2 分钟； （3）在体积分数30% 的稀硝酸溶液中进行中和处理，焊件表面不允许有黄 斑、黑斑； （4）用 5060热水冲洗 23 分钟，并用硬毛刷刷干净； （5）放在 100150干燥箱中烘干约30分钟。 4.1.2 机械清理 先用汽油、酒精、丙酮等有机溶剂擦拭表面以除油，然后用不锈钢丝刷或刮 刀把坡口及两侧50mm 范围内的氧化膜刷除或刮除干净，露出金属光泽。不可采 用砂纸或砂轮打磨，因为铝及铝合金材质较软， 在打磨中砂粒可能被压入母材内， 在焊接时会产生焊接缺陷。 4.1.3 焊前预热 为了减少吸附水分所产生的焊缝气孔缺陷，化学处理后最好将焊丝放置在温 度为 200480的惰性气体中预热3080分钟，焊丝在氩气中加热，可使吸 附的水分含量减少到不足五分之一。母材（2A12 铝合金）预热温度为100 150，可以减小冷却速度，保证焊接接头的氢有足够的时间往外扩散和强度不 至于降得很低。 4.1.4 垫板 铝和铝合金在高温时的强度很低，这样在焊接时容易使焊缝塌陷或烧穿。为 了保证焊透而又不致使焊缝塌陷， 在实际焊接中常常采用某些形式的垫板来拖住 金属。垫板可用石墨、不锈钢或铜制造。垫块加工时，应在表面正对焊缝开一个 圆弧型槽，以保证焊缝背面成形良好。 垫块应该设计成能提供对底部焊缝的 激冷作用，这样就减小了热影响区，对提 高焊接接头的性能很有好处。 此次 2A12铝 合金采用如图所示垫板。 . . 4.2 焊接方法 各种熔焊方法以氩弧焊的应用最为广泛。焊接薄板多应用TIG焊法，MIG焊 法主要应用于板厚在3mm 以上的焊接上。 铝合金氩弧焊时，氩气的纯度要控制在99.9%以上，其中限制杂质：氧在 0.005%以下，氢 0.005 以下，水分 0.02mg/L 以下，氮 0.015%以下。氧、氮增多， 均恶化阴极清理作用。氧超过0.3%则使钨极烧损加剧，超过0.1%氧则使焊缝表 面无光泽或发黑。氮超过0.05%。熔池的流动性变坏，焊缝表面成型不良。 钨极一般采用含钍钨极，焊接电流应有所限制。过大的电流会使钨极烧损， 并可造成焊缝夹钨。为了防止钨极烧，在直流反接（DCRP ）焊时，电流要限制的 很小，而采用直流正接时有无阴极清理作用。所以，TIG 焊接时一般都采用交流 电源。 但由于大厚度铝合金焊接的需要， 也在研究应用直流正接的TIG 焊接方法。 主要是利用其熔深大的特点， 同时焊缝截面成形好且气孔倾向相对较小，因此可 降低对阴极清理的要求。 MIG 焊接时，一般采用DCRP ，但所选用的焊接电流一般希望超过“临界电 流”值，以便获得稳定的喷射过度的电弧过程。MIG焊接时，为了获得喷射过渡， 由于临界电流的限制， 焊接板厚小于 3mm 时就必须采用很细的焊丝， 这在送丝上 造成很大的困难。 因此，板厚在 3mm 以下的构建一般不采用MIG焊焊接方法。 此 时熔化极脉冲氩弧焊在薄板焊接上则有其优越性。 在 TIG 对接焊接时，在一定的钨极直径下电流增大，焊接速度也相应提高， 在变动焊接速度时， 气体流量也要与之相匹配， 送丝速度也要相应的调整 （填充 汉斯送进速度可在0.162.0m/min 之间变动）。功率一定时，焊接速度海域焊件 厚度有关，手工焊时可在 0.0650.25m/min间变动， 自动焊时可在 0.250.50m/min 之间变动。 MIG 焊接时，焊接速度可以在很大的范围内变化，一般为0.151.50m/min。 而焊丝送进速度可以在更大的范围内变动，一般为1.110.0m/min。焊接电流必 须适当，关键是确定临界电流，铝合金焊丝（直径ds）一般使用电流（ I）及相 应的送丝速度 （vs）,大体如表 3 所示，临界电流（Ic）与合金种类及焊丝直径 （ds） 有关。 . . 表 3 铝合金焊丝的使用电流和送丝速度ds(mm) ds(mm) I(A) vs(m/min) 0.8 40170 4.520 1.2 100200 4.212 1.6 150290 3.510 2.4 220350 2.55.5 在一定电流下送丝速度应等于熔化速度，若焊丝送进速度过大， 焊丝未熔化 就送入熔池可发生 “ 粘丝” 现象。反之，送丝速度过小，电弧将拉长，可能导致喷 嘴的“回烧”现象。 在送丝速度一定时，当电弧电压降低（电弧缩短）时，为了维持给定的送丝 速度，焊接电流急剧减少；而在焊接电流一定的条件下。为适应电弧缩短，在给 定的送丝速度下，焊丝的熔化速度必然显著增大。 当电弧缩短到好像潜入熔池时， 就成为所谓 “ 下潜电弧 ” 大电流焊接法。 层间温度的控制有重要作用， 层间温度的增高， 不仅接头强度下降， 甚至降 低塑性，还可促使产生微裂纹的倾向增大。 由于此次工艺的 2A12 铝合金厚度为 8mm ，因此采用 MIG焊。采用直流反接 电源，焊接时有良好的阴极雾化作用。而且 MIG焊进行铝及铝合金焊接， 焊缝金 属熔敷效率很高，通常大于95% ，焊丝沿着焊缝移动时。基本没有飞溅和氧化现 象。而且焊出的焊缝质量优良，焊件变形小。MIG焊选用大的焊接电流，慢的焊 接速度，以提高熔池存在时间。 4.3 坡口设计 由于 2A12铝合金具有热容量大、线膨胀系数大等特点，拟定出一个合理的 坡口。焊接坡口设计如图所示 . . 4.4 焊接材料 焊材： 2A12铝合金。厚度为 8mm ，供货状态为退火状态的平板。 焊丝：4043。焊丝成分如表 4 所示，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。 表 4 4043焊丝成分 保护气体：纯 Ar。Ar 气作为保护气体，可以避免焊接缺陷，焊接成型和焊 接变形控制都比较理想。其中限制杂质：氧在0.005%以下，氢 0.005 以下，水 分 0.02mg/L 以下，氮 0.015%以下。氧、氮增多，均恶化阴极清理作用。 超过 0.1% 氧则使焊缝表面无光泽或发黑。氮超过0.05%。熔池的流动性变坏，焊缝表面成 型不良。 4.5 焊接参数 焊接参数的选择如表5 所示 表 5 MIG 焊焊接参数 焊接方法焊材牌号 焊材规格 (mm) 焊接电流 (A) 焊接电压 (V) 焊接速度 (mm/min) 气体流量 (L/min) 焊道数 MIG 4043 2.0220240 2123 2025 810 2 焊丝直径根据板厚选择合适的焊丝大小。 焊接电流根据焊丝直径选择。 焊接电压根据焊丝直径和焊接电流选择。 牌号 化学成分 (质量分数 ) (%) SiFeCuMnMgCrZnV、ZrTi 其他 Al 每种合计 4043HS3114.56.00.80.300.05 0.050.100.200.050.15余量 . . 焊接速度根据焊接电流选择。 气体流量根据既能保护熔池，又能节约的最合适流量选择。 4.6 焊接变形及控制 由于 2A12铝合金比许多其他的焊接材料有较大的热膨胀系数，所以在焊接 过程中，随着快速加热和快速冷却而带来的膨胀和收缩发生时，必然出现不同形 式的变形。 2A12铝合金在焊后热处理时期也会发生变形。 当在金属局部区域加热的时候， 未加热区域抑制了加热区域的膨胀而产生了 形变。冷却时，由于周围金属的抑制，可能导致变形或翘曲。由于2A12铝合金 散热迅速， 焊接金属的收缩一般是焊接变形的主要原因。熔融铝的收缩， 约为容 积钢收缩的 3 倍之多。 焊接变形造成焊接结构尺寸形状超差，焊接结构组装配合困难， 焊接变形过 大或矫正无效，有可能是产品报废，造成经济损失。为了使变形减至最小，零件 设计时，应该将焊缝减至最少并且合理布置焊缝位置。如果是在刚性的区域局部 焊接，如在边棱或拐角处焊接， 将会是变形很小。 焊缝应该远离强烈的冷作硬化 区。 对于一个焊道，一旦开始焊接后，就不要间断，一直焊完。采用工装夹具对 焊件进行刚性固定之后在实施焊接，这也是防止变形的有效措施， 且不必过分考 虑焊接顺序。在实际焊接生产中，控制变形的方法还有很多，而且在运用时，往 往都是联合采用，而非单独采用。 由于此次工艺为 2A12 铝合金的平板对接工艺，直接采用两块压板将对接铝 合金固定住即可。 4.焊后处理 焊后处理是 2A12铝合金必须要进行的过程，为保证焊缝质量而对残渣的清 理、焊件的表面处理等等。 4.7.1 清理残渣 焊件焊完后， 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 残存焊渣即使进行清除， 以防止焊渣腐蚀焊缝级表面， 避免造成不良的后果。 常 用的焊后清理方法如下： （1）在 6080的热水中刷洗； . . （2）放入重铬酸钾（ K2Cr2O7）或质量分数为 2% 3% 的铬酐（ Cr2O3）溶液中 冲洗； （3）再在 6080的热水中洗涤； （4）放入干燥箱中烘干或风干。 4.7.2 焊件的表面处理 阳极化处理，可以改善抗腐蚀和抗磨性能。使用快速焊接工艺，如采用MIG 焊时，可最大限度地减少焊接热影响区。阳极化处理质量好。 由于 2A12焊接时为退火状态，阳极化处理后，金属基体和焊接热影响区之 间的颜色反差最小。所以金属颜色的外观是非常均匀的。 由于焊前进行了酸洗， 所以焊后的钝化处理是什么有必要的，采用氧化膜的 封闭处理方法，具体操作方法如下： 氧化膜的封闭实际上就是封闭氧化膜的微孔，孔处理。 铝及铝合金阳极 氧化膜的封闭方法很多，如下：降低其表面活性，主要可分为以下几种方法，分 述如下： (1) 水合封闭法水合封闭的基本原理是氧化膜和孔壁的A1203 在较高温 度的热水或水蒸气中发生水合反应，生成水合氧化铝 (A1203·H20)，使氧化膜体 积膨胀，其体积将增大约33以上。由于膜的体积膨胀而使孔径变小，从而封 闭膜孔。其反应式： Al2O3十 H2O 2AlO(OH)Al2O3·H2O 水合封闭法又分高压蒸汽封闭法和沸水封闭法两种。高压蒸汽封闭的效果比 沸水封闭好，主要反映为封闭速度快，不受pH值影响，封闭后的氧化膜耐蚀性 好，而且封闭质量稳定， 特别是在封闭染色氧化膜时不会出现流色现象，因此尤 其适合于染色氧化膜的封闭处理。 高压蒸汽封闭的主要缺点是所需高压蒸汽设备 投资较大， 生产成本较高， 大型工件封闭处理时不能连续生产，厚氧化膜封闭时 易破裂，因此只在特殊情况下使用。 而沸水封闭则恰好相反， 因其生产成本相对 较低，操作方便，是一种普遍采用的封闭方法。 1)封闭工艺规范 高压蒸汽封闭法工艺规范如下所示。 蒸汽压力 1 3x105Pa 蒸汽温度 100 110 时间 20 30min 操作注意事项：蒸汽温度不可过高，否则易使氧化膜的硬度和耐磨性降低。 沸水封闭法工艺规范如下所示。 . . 封闭用水去离子水或蒸馏水 PH值 5.56.5 温度9598 时间每 1um厚的氧化膜约需 23min 通常封闭的时间需要2030min 操作注意事项： 封闭用水应采用去离子水或蒸馏水，不用自来水， 因为普通 自来水易生水垢吸附于孔中，使膜的透明度下降。普通自来水中的C1 - 、SO 2- 4、 Cu 2+等均对封闭膜孔有不利影响。 2)影响沸水封闭质量的因素 水质。水中的杂质离子或不纯物会严重降低封闭后氧化膜的耐蚀性，对其 外观也有一定程度的危害，因此一定要严格控制用水的质量，保证其电阻率 5x10 5·cm 。 在生产过程中应尽量避免前道工序残留在制品表面的酸或清洗水将有害离 子带入封闭槽， 为此最好在进入沸水封闭槽前先经过一道去离子水洗，以减少封 闭槽的污染。为了保证封闭质量，应定期测定封闭水中的有害离子含量。 温度。水温越高封闭速度越快， 但长时间沸腾会加大水的消耗，因此温度 最好控制在 9598。 当温度低于 90时封闭速度将显著减缓， 特别是低于 80 时 ，水 合反 应 产 物将 不 是 一水 合氧化 铝(A12O3·H2O)，而 是 三水 合氧 化 铝 (A12O3·3H2O)，后者很不稳定 p 致使氧化膜的耐蚀性能很差。 时间。封闭所需时间与膜厚有关，通常每1um约需 23min，对于一般的 阳极氧化膜总的封闭时间大约为2030min。当水质条件好时可取下限。 PH值。 PH 值越高封闭速度越快，但过高的PH值会引起膜层粉化，使表 面出现粉霜。 PH值一般控制在 5.5 6.5 之间，最佳为 5.8 。可用醋酸或氨水调 节 PH值。 可在沸水封闭液中加入一些添加剂作为封闭助剂，如镍、钻等金属盐和重铬 酸钾、水玻璃及三乙醇胺等， 添加封闭助剂不仅可以提高封闭质量，而且还有抑 制粉霜的作用。 在使用封闭助剂时应特别小心，如果封闭助剂选择不当， 或加入 过量都会对封闭质量产生极不利影响。 (2)重铬酸盐封闭法重铬酸盐封闭的基本原理是，在重铬酸盐水溶液中， 氧化膜吸附了重铬酸盐后发生化学反应，生成碱性铬酸铝 Al(OH)CrO4 和重铬酸 铝Al(OH)Cr2O7 ，这些生成物填充进膜空隙，从而起到封孔作用。 重铬酸盐封闭法一般用于防护性阳极氧化膜，氧化膜经封闭后呈现黄色， 其 耐蚀性较高。但该法不适用于装饰性或染色的氧化膜。 重铬酸盐封闭溶液的配方及工艺规范如下： . . 重铬酸钾 (K2Cr207) 含量 15l00g/L( 用蒸馏水或去离子水配制)pH 值 6 7.5( 用碳酸钠或氢氧化钠调节 ) 温度 9098时间 530min 操作注意事项： 封闭液中重铬酸钾的含量越高，封闭后的氧化膜耐蚀性越好。 经阳极氧化的铝制品工件， 在封闭处理前必须仔细漂洗， 以免将残留在工 件表面的酸性液带入封闭槽，否则会对氧化膜的封闭质量和外观造成不利影响。 另外，还应防止工件与槽体接触，否则会损坏氧化膜。 对封闭液中杂质应进行限制，当封闭液中SO 2- 4超过 0.2g/L 时，会使氧化 膜的颜色变浅或发白，可加入适量的铬酸钙(CaCrO4)沉淀过滤排除；当SO 2- 4为 0.02g/L时 ， 会 使 氧 化 膜 的 颜 色 发 白 ， 耐 蚀 性 下 降 ， 可 添 加 硫 酸 铝 钾 K2Al2(SO4)4·24H2O0.1 0.5g/L进行调整。当CL - 1.5g/L时，会对工件氧化 膜产生腐蚀，封闭液需稀释或更换。 (3) 水解金属盐封闭法水解金属盐封闭的原理是，除了封闭过程中AL203 的水合反应外， 主要是利用金属盐被氧化膜吸附后发生水解反应，生成氢氧化物 沉淀析出，充填在膜子L 内，从而达到封闭氧化膜的目的。 水解金属盐封闭不影响氧化膜的色泽，而且由于金属离子与有机染料分子之 间会形成金属络合物， 从而增加了染料的稳定性和耐晒度。因此，水解金属盐封 闭法特别适用于染色或着色的防护、装饰性氧化膜。 (4) 双重封闭法所谓双重封闭是指先用金属盐溶液预封，然后再用热水或 重铬酸钾溶液封闭。 这种封闭方式可大大提高氧化膜的耐蚀性能。它不仅适用于 透明的阳极氧化膜，而且也适用于染色或着色的氧化膜。 (5) 低温封闭法低温封闭法又称为常温封闭或冷封闭，是近年来铝型材行 业使用最普遍的封闭方法。 低温封闭大多采用NiF溶液体系，其反应机理很复 杂， 但与水解金属盐封闭法也有某些类似之处，存在 AL2O3； 的水合反应和 Ni(OH)2 沉淀析出的双重作用，只是由于F - 的存在使封闭反应过程可在低温下实现。 操作注意