§5-1 铝及其合金的类型与特性
一、 工业纯铝的特性
含Al>99%，Fe、Si杂质（Al-Fe-Si三元合金，面心立方点阵结构） 熔点=660℃，耐蚀性良好，强度低，塑性好。
二、
铝合金的合金化及其特性
焊接结构中主要应用的是变形铝合金，应用最为广泛的是非时效强化铝合金（LF） 铸造Al只在结构缺陷焊补时遇到。 （只讨论变形铝合金）
一） 非时效强化铝合金
耐蚀性良好，主要为固溶强化。 1．Al-Mn系（LF21、3003） （含Mn量为1.0～1.6%）
2．Al-Mg系（LF2～6、5000系列）
Mg的固溶强化作用大于Mn
Mg↑，强度↑，脆性β相（Mg2Al3）↑，δ↓，耐蚀性↓。
二） 时效强化铝合金
最为典型的是LY系列和LC系列，LD系列 1．硬铝（LY系列，2000系列）
1）LY12（Al-Cu-Mg系）应用最早，2024（美） a．主要强化相：（CuAl2），S相（Al2CuMg）， 其次：T相（CuAl5Mg5），β相（Mg2Al3）。 b．元素的作用 c．缺点：
（1） 耐蚀性不良，采用包铝，但强度降低
（2） 固溶强化温度范围窄（495～503℃）易过烧与强化效果不佳。 （3） 焊接裂纹倾向大
2）LY16（Al-Cu-Mn系列，2219） 为改善材料焊接性而设计
Mg降低Al-Cu合金中的溶解度，提高脆性和凝固裂纹倾向， 用Mn代替（见上图）
2．超硬铝（LC，Al-Zn-Mg系列，7000系列）
1）特点：
Al-Zn-Mg-Cu系，强度最高，缺口敏感性高、耐蚀性低。 2）焊接性差，熔化焊接裂纹倾向大，接头强度远远低于母材。
焊接接头：σb=309Mpa，δ=3～4% 母 材：σb=536Mpa，δ=7% 3）耐蚀性降低：Zn、Mg含量增加 3．Al-Zn-Mg合金（7475，7005） 1）优点：
a．取消Cu，σb↓，但是，焊接性能优异！
b．焊接裂纹倾向性↓
c．良好的自然时效性能，接头σb可以恢复到母材水平 2）缺点：
应力腐蚀开裂敏感性大，
Zn+Mg↑，耐蚀性↓，总量应该低于7.5%。 Zn在4～5%；Mg=1～3.5%，较为理想，
常加入Cr、Mn、Ti、Zn细化晶粒。
三、 铝合金的耐蚀性
耐酸不耐碱；
一般，其总体上耐蚀性较好， 保护膜一旦被破坏（局部破坏），腐蚀加剧。尤其是冷作硬化态。
当Al及其合金存在杂质或者析出相时，由于相间电极电位差，促使产生电化学腐蚀。
注意：既要保证强度，又要提高耐蚀性。 四、
铝合金的物理性能
导热系数λ与线胀系数α都很大，其密度较小。
§5-2 铝及其合金的焊接性
铝及其合金焊接结构应用广泛，例如高速客车车体，储油罐等。 对其进行焊接时，存在以下问题： 1．焊缝中的气孔；
2．焊接热裂纹； 主要问题 3．接头的“等强性”；
4．变形；（材料线胀系数大，导热性强，传热快，HAZ较宽）
5．焊缝夹杂；（Al2O3熔点高，达2050℃，但密度与Al相近） 次要问题 6．焊接未熔合（表面难熔氧化物+材料传热快）
一、 焊缝中的气孔
形成气孔的特点 主要是H2气孔。
[H]来源于弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，
一）
特别是表面氧化膜中吸附的水分！
1．弧柱气氛中水分的影响（潮湿的空气、保护气氛） 该气孔具有白亮内壁的特征。 1) 原理
0.036ml/100g，相差约20倍， 而钢的相差约2倍。
溶解度变化的实际冷却线为abc
由图11-4，在平衡状态下，液态Al中溶解度为0.69ml/100g, 凝固点的溶解度为
a b：冷却速度大，气泡在液体凝固之前聚合上浮，被搁浅，形成粗大的“皮下气孔”； a b’：冷却速度小，气泡在液体凝固之前聚合浮出，不致产生气孔。
b c：冷却速度大，结晶条件下，凝固点的氢的溶解度发生突变，枝晶交互生长，聚合的
气孔生长受限，限制在枝晶前沿，沿枝晶层状线分布，难以浮出，即“结晶层孔”
b’ c’：冷却速度小，气孔少。
2）不同的合金系统，对水分的敏感性不同（见图11-5） 3）不同的焊接方法，敏感性不同
MIG>TIG （同样的气氛条件下）
A．MIG：细丝熔滴小，比表面积很大，弧柱温度高于熔池，利于吸氢； B．熔池深度大于TIG方法的深度，利于气孔浮出。
2． 氧化膜中水分的影响（已限制弧柱水分的影响）
焊丝或工件的氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。 MgO↑，形成的氧化膜不致密， 而纯Al的氧化膜非常致密，吸水性差。
MIG焊接方法：焊丝表面氧化膜的清理情况对[H]的影响较大，
对Al-Mg合金焊丝，其影响更显著，气孔倾向↑↑。
坡口氧化膜被迅速溶化掉，水分排除，影响小。
TIG焊接方法：在熔透不足时，母材坡口端部未除净的氧化膜所吸收的水分，是产生焊
缝气孔的主要原因。
焊前严格去除氧化膜。
而母材表面养化膜也会在近缝区引起“皮下气孔”（Al-Mg合金） 二） 防止焊缝气孔的途径
两方面着手：1）限制氢溶入熔融金属（减少氢的来源） 或减少熔池吸氢时间； 较为矛盾 2）尽量促使氢从熔池中逸出
因而尽量限制氢的来源具有较为现实的意义！ 1． 减少氢的来源
1）所有的焊接材料在使用之前必须干燥处理 2）焊前处理
化学法和机械法，清除焊丝和母材表面的氧化膜。 3）坡口下端（根部）倒V型小坡口
铲根极为有利于减少焊缝气孔的倾向。
2． 控制焊接工艺
1）原理
工艺参数的影响主要可以归结为对熔池高温时间的影响。 T增加，氢利于逸出，也利于氢的溶入
T减少，减少氢的溶入，但不利于其逸出。 矛盾，必须调整适当 2）对TIG焊接，一方面尽量采用小线能量，减少熔池存在时间
一方面，应该充分保证根部熔透，利于气泡浮出 大电流高焊接速度比较有利。
3) MIG焊（焊丝氧化膜的影响更为主要） 一般希望增大溶池存在时间以利气泡的逸出 图11—8 VH↓ E线↑ 有利于气孔↓ 图11—9 对薄板影响大
V冷对焊缝的气体含量有较明显的影响 必要时可采用预热办法↓VH，以利气体逸出 4）混合气体保护焊（P412）
二、焊接热裂纹
焊接金属和近缝区发现的热裂纹主要是凝固裂纹，也可在近缝区见到液化裂纹 一）
化合金焊接热裂纹的特点
1．易熔共晶体的存在，是焊缝产生凝固裂纹的重要原因
2．Al合金，线胀系数大，比钢大1倍，在拘束条件下焊接易产生大反应，促使裂纹
倾向原因（铝合金属于典型的共晶型合金）分析图11—10
易熔共晶成薄膜状展开于晶界上时，必促使晶体分离，↑合金的热裂倾向
易熔共晶成球状聚集在晶粒顶点间时，裂纹倾向↓。
3．近缝区“液化裂纹”，亦是晶间易熔共晶存在有联系（因偏折而形成）。
二)防止焊接热裂纹的途径
对于焊缝金属的凝固裂纹，主要是通过合理选定焊缝的合金成份，并配合适当的焊
接工艺来进行控制。 1． 焊缝合金系统的影响
1）调整成份的的着眼点：在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶T区间， 一般都是使主要合金元素含量超过Xm，以便能产生“愈合”作用。
有点类似于25—20半耐热钢中双相组织r+B1的B偏折与Fe Ni形成低熔共晶 a）LT1丝抗裂
对于一些裂纹倾向大的硬铝之类的高强的合金，在原合金系统中进行调整以改善抗裂，不见效。
不得不利用Si5％的AL—Si合金焊丝（LTI）,可形成较多的易熔共晶，流动性好（愈合作用↑）抗裂性↑，σb， δ↓。 b）不同母材匹配不同焊丝，具不同的裂纹倾向 （图11—12）分析匹配情况
（图11—13Cu与Mg含量对AL-Zn-Mg热裂的影响）。 σb↑（如6070 硬Al， LC系列，裂纹倾向↑）
2．变质剂的影响
Ti ， Zr， V， B 微量元素，细化晶粒，↑δ，ak.↑↑抗裂性。 与AlTi形成一系列包晶反应，生成难熔质点（非自发凝固形核）， Al3Ti.Al3Zr，AlB2非自发凝固形格
3、
焊接工艺参数的影响
影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，从而影响裂纹的产生。
·热量集中的焊接方法，利于快速焊接，防止粗大的柱状晶，抗裂性↑ ·IH↓减小熔池过热，抗裂性↑
· VH↑，接头的应变速率↑ 热裂倾向↑ （大部分Al合金的裂纹倾向都比较大）
·熔合比大时，裂纹倾向↑（↑IH也是不利的.IH↑.熔合比↑）
三．焊接接头的“等强性”
表11—15典型的化合金焊接接头母材的力学性能，可看出以下规律。
1．非时效强化的铝合金 LF3（Al-Mg）
退火态焊接：接头与母材等强
冷作硬化态焊接：接头强度低于母材，即有软化现象。 2．时效强化铝合金
① 除了Al-Zn-Mg合金，均σ接头<σ母材
而Al-Zn-Mg合金，焊接后自然时效时间越长，接头强度显著提高到接近母材水平。
② 所有时效强化的化合金，焊后不论处理否。δ接头<δ母材。 ③ 退火态母材+焊后处理，有些接头强度>母材强度 3．焊接时的不等强性，说明接头存在软化现象或有薄弱环节。
① 焊缝
·铸造组织 δ焊接<δ母材
·焊缝性能主要决定于所选用的焊材（异质焊缝）
·为保证焊缝σb与δ，固溶强化型合金系统要优于共晶型合金系统 ·E↑焊缝性能↓ ② 熔合区
非时效化合金主要问题：晶粒粗化，δ↓
时效化合金主要问题：晶粒粗化，可能晶界液化产生裂纹 恶化δ
③ HAZ区
主要表现为强化效果的损失（软化）
一）非时效强化铝合金的软化问题：
主要发生在冷作硬化合金上。
·当HAZ的T峰值>T再结晶（200—3000C），产生明显软化（图11—16） ·软化区↑，σ接头↓明显。（图11—17）
·接头的软化主要取决于加热的T峰值，V冷影响不大。 ·冷作硬化程度↑，软化↑。
二） 时效强化化合金的软化问题
1．问题主要是HAZ“过时效”软化问题。 2．影响因素：
其严重程度决定于合金第二相的性质，也与焊接热循环特性有一定关系， 第二相易于脱溶解出并易于聚集长大，越易发生“过时效”。 比较Al-Cu-Mg的自然时效 （图11—18，图11—19）
3． 采取措施
1）防止HAZ区软化，宜采用小的焊接线能量
2）如果焊接后可以完全热处理，则在固溶或退火态焊接较好。
五、
焊接接头的耐蚀性
1．规律：接头的耐蚀性一般都低于母材。
热处理强化的合金焊接接头的耐蚀性降低尤为明显，则采用可包铝提高耐蚀
性。
2．原因（影响因素）
1）主要与接头的组织不均匀有关（尤其有析出相），可使接头各部位的电极电位产生
不均匀性。
2）焊缝金属的纯度和致密性是影响接头耐蚀性因素之一。
杂质↑晶粒长大，脆性相析出，耐蚀性↓↓。 3）焊接应力更是影响耐蚀性的敏感因素。
3． 改善焊接接头的耐蚀性措施
1）改善接头组织的成分的不均匀性
（焊缝合金化、细化晶粒，焊后热处理，↓HAZ，防止过热） 2）消除焊接应力（局部表面拉应力，可以采用局部锤击消除）
3）采取保护措施（阳极氧化处理或涂层）
§5-3 Al及其合金的焊接工艺特点
一、焊接工艺的一般特点
1．从物理性能方面的特点考虑
·铝及其合金导热性好、热容量和线胀系数大、熔点低、高温强度低，焊接困难；
·焊接时无颜色变化，难以确定焊接的坡口是否熔化，焊接操作难； ·Mg、Zn、Mn易蒸发，影响接头性能。 1）焊接热源必须集中，以保证熔合良好；
2）要采用垫板和夹具，以保证装配质量，防止变形； 2．从化学性质上考虑
难熔氧化物易于形成夹杂物，而且还因为吸收水分造成焊缝气孔的产生。 1）焊接之前严格清理焊丝和母材表面的氧化膜；
2）加强保护，利用“阴极雾化”清理作用；（cleaning action）
3）气焊或其他熔化焊接方法，需用钎剂（氯化物等），具有腐蚀性，焊后应该立即彻
底清除残渣。
3．接头形式及坡口准备工作
1）手工焊接：厚度低于3～4mm内，自动焊接：6mm以内不开坡口； 2）厚度低于3mm的接头，可以卷边焊接。 主要考虑能够充分而有效的去除氧化膜。
二、焊接方法的选用
薄件仍可以采用气焊（需焊剂），大厚度铝件则采用电渣焊接有效。 氩弧焊接：薄板多用TIG焊接； 大于3mm多用MIG焊接。
1．TIG焊接方法 采用双层气体保护 一般采用交流电源；
研究用于大厚度铝合金焊接的直流正接TIG焊（熔深大、成型好，气孔倾向小）
2．MIG焊接法（DCRP）
·IH一般大于临界电流值，获得稳定的喷射过渡电弧过程；
·板厚小于3mm，必须采用很细的焊丝，送丝难，一般不用MIG焊接； ·熔化极脉冲氩弧焊焊接薄板，1.6～2.0mm构件 热作用小，适于焊接热处理强化铝合金。
·IH大于300～400A，焊缝表面易于产生“皱皮”（Purkering） 采用双层气体保护焊接可以解决。 3．焊接工艺参数的确定
主要根据接头的尺寸、形状和焊缝成型的要求，也必须考虑对气孔、裂纹和HAZ软化的影响。
IH与VH必须紧密的配合。 1）TIG焊接：φ
钨极
一定，IH↑，VH↑，气体流量与焊接速度应该相应的调整，
功率一定，焊接速度与焊接厚度有关。 2）MIG焊接：·VH可以大范围变动，0.15～1.5mm/min; ·V送丝可以更大范围变动，1.1～10mm/min; ·IH 必须适当，关键是确定临界电流； ·层间温度↑，σ接头↓，δ↓，微裂纹倾向↑
规律：
Ic=75ds+20 IH一定，V送丝=V熔化
V送丝↑↑，粘丝现象（sticking） V送丝↓↓，电弧拉长，烧喷嘴。
V送丝，UH～IH匹配关系：
三、焊丝的选用
一） 同质焊丝
有的从母材上切板条使用
母材为L系列、LF21、LF6、LY17、7000 系列。 二） 异质焊丝
主要是为了适应抗裂性的要求而研制的焊丝。
1．高Mg焊丝焊接低Mg的Al-Mg合金； 2．Al-5%Si焊丝焊接Al-Cu-Mg合金； 3．Al-Zn-Mg焊丝焊接Al-Zn-Mg； 4．LY16和2319丝焊接Al-Cu-Mn合金；
5．B61焊丝焊接Al-Cu-Mg硬铝而研制，Cu↑6～7%； 6．4145焊丝焊接硬铝，δ↓↓，但是，抗裂性能好。
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