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第五章 铝及其合金的焊接 §5-1 铝及其合金的类型与特性 工业纯铝的特性 含Al99%，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。 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） 非时效强化铝合金 耐蚀性良好，主要为固溶强化。 Al-Mn系（LF21、3003） （含Mn量为1.0～1.6%） 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↓。 时效强化铝合金 最为典型的是LY系列和LC系列，LD系列 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： 耐蚀性不良，采用包铝，但强度降低 固溶强化温度范围窄（495～503℃）易过烧与强化效果不佳。 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） 超硬铝（LC，Al-Zn-Mg系列，7000系列） 特点： Al-Zn-Mg-Cu系，强度最高，缺口敏感性高、耐蚀性低。 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% 耐蚀性降低：Zn、Mg含量增加 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。 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。 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： 焊缝中的气孔； 焊接热裂纹； 主要问题 接头的“等强性”； 变形；（材料线胀系数大，导热性强，传热快，HAZ较宽） 焊缝夹杂；（Al2O3熔点高，达2050℃，但密度与Al相近） 次要问题 焊接未熔合（表面难熔氧化物+材料传热快） 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， 特别是表面氧化膜中吸附的水分！ 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。 原理 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 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 MIGTIG （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。 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