鋁及鋁合金薄板的焊接工藝設(shè)計(jì)

綜合實(shí)驗(yàn)論文鋁及鋁合金薄板的焊接工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：鄭曙陽(yáng)姓名：馬延帥學(xué)號(hào)：080301111學(xué)院：材料與化工學(xué)院二零一一年^一月五日摘要鋁及鋁合金具有優(yōu)異的物理特性和力學(xué)性能，其密度小，比強(qiáng)度高，熱，電導(dǎo)率高，耐腐蝕能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)水箱的焊接結(jié)構(gòu)上。長(zhǎng)期以來(lái)，由于焊接方法及焊接工藝參數(shù)的選取不當(dāng)，嚴(yán)重影響了汽車(chē)水箱的焊接質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)焊接位置、焊縫坡口、工裝、機(jī)械加工工藝措施的分析比較，提出了一套符合汽車(chē)水箱焊接的工藝方案，較好地解決了存在的問(wèn)題?！P(guān)鍵詞：鎢極氬弧焊；焊縫質(zhì)量；目錄TOC\o"1-5"\h\z實(shí)驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法 11.1實(shí)驗(yàn)材料及焊接參數(shù)的選擇 1\o"CurrentDocument"1.2金相試樣的制備 2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果 32.1金相圖及其組織 32.2拉伸試驗(yàn) 5試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 63.1力學(xué)性能的分析 7\o"CurrentDocument"3.2金相組織的分析 8\o"CurrentDocument"3.3焊接缺陷的分析 8\o"CurrentDocument"試驗(yàn)結(jié)論及建議 9\o"CurrentDocument"4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)論 9\o"CurrentDocument"4.2建議 9\o"CurrentDocument"致謝 10\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 11引言鋁及鋁合金具有優(yōu)異的物理特性和力學(xué)性能，其密度小，比強(qiáng)度高，熱，電導(dǎo)率高，耐腐蝕能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)水箱的焊接結(jié)構(gòu)上。鋁銅合金也稱硬鋁合金，可熱處理時(shí)效強(qiáng)化，具有很高的室溫強(qiáng)度及良好的高溫和超低溫性能，因此鋁銅合金是工業(yè)中應(yīng)用廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。在鋁銅系列合金中，多數(shù)合金的焊接性能不良，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)僅為母材的60%，嚴(yán)重制約了鋁銅合金在工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用°LY12鋁合金是一種高強(qiáng)、耐熱、焊接性相對(duì)較好的鋁合金，由于國(guó)內(nèi)對(duì)其焊接性能研究較少，其主要作為優(yōu)良的貯箱結(jié)構(gòu)材料，因此，研究LY12鋁合金焊接接頭組織與性能，有利于進(jìn)一步擴(kuò)展LY12鋁合金的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法1.1試驗(yàn)材料及參數(shù)選擇母材名稱主要化學(xué)成分優(yōu)點(diǎn)LY12Cu3.8%-4.9%Mg1.2%-1.8%Mn0.3%-0.9%LY12屬于硬鋁合金，主要元素有Cu，Mg，Mn，Cu和Mg溶于鋁中有很好的固溶強(qiáng)化效果，Mn可以提高合金的耐腐蝕性和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)材料為板厚6mm的硬鋁LY12合金，選用鋁鎂5鈦焊絲，焊接設(shè)備選擇手工鎢極氬弧焊，焊接電流選擇150A，焊前將材料進(jìn)行機(jī)械打磨取出氧化膜，采用對(duì)焊焊縫，V型坡口，焊后將試樣打磨成拉伸試驗(yàn)試樣，做拉伸試驗(yàn)。再將試樣焊縫處取一塊下來(lái)進(jìn)行處理，做金相圖。（1） 焊接設(shè)備：本實(shí)驗(yàn)采用的焊接設(shè)備是手工鎢極氬弧焊，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，操作起來(lái)方便靈活，適用于焊接薄板，變形小，氣孔率低，質(zhì)量好，要求嚴(yán)格的產(chǎn)品。（2） 焊絲：本實(shí)驗(yàn)選用鋁鎂5鈦焊絲，其優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)槠?chē)水箱的工作環(huán)境惡劣，容易被腐蝕，所以要求水箱具有一定的抗腐蝕能力，而鋁鎂5鈦焊絲中含有Mn元素的Cr元素均可以提高焊縫的抗腐蝕能力，再加上其成分和母材相近，符合焊絲的選取原則。（3） 焊接電流：焊接電流選用交流，優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)半波時(shí)相當(dāng)于直流反接，焊接母材處發(fā)射電子，而金屬氧化物有比母材容易失去電子，所以可以起到去除氧化物的作用；而在正半波時(shí)相當(dāng)于直流正接，可以避免鎢極過(guò)熱引起的焊縫夾鎢。表1焊接工藝參數(shù)焊接電流焊接氣流量焊接坡口板厚鎢極直徑150A15L/minV型6mm2mm1.2金相試樣的制備金相試樣的制備包括取樣，磨光，拋光，清洗及侵蝕等。取樣：在做完拉伸試驗(yàn)后將焊縫及離焊縫5cm內(nèi)的部分用鋸弓據(jù)下來(lái)，作為金相試樣。磨光：將金相試樣用240號(hào),800號(hào)，1000號(hào)的砂紙進(jìn)行粗磨，細(xì)磨，精磨。砂紙的號(hào)數(shù)越大砂紙?jiān)郊?xì)，號(hào)又稱為目。號(hào)是指磨料的粗細(xì)及每平方英寸的磨料數(shù)量，號(hào)越高，磨料越細(xì)，數(shù)量越多。目數(shù)的含義是在1平方英寸的面積上篩網(wǎng)的孔數(shù)，也就是目數(shù)越高，篩孔越多，磨料就越細(xì)，目是一個(gè)單位，定義為：每平方英寸面積上有256個(gè)眼，每一個(gè)眼就叫一目。所以目數(shù)越大，眼就越小。拋光：將磨光過(guò)的金相試樣在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，直到試樣上看不到劃痕為止。侵蝕：用無(wú)水酒精清洗后吹干，再用4%的硝酸溶液進(jìn)行腐蝕3秒后拿出吹干。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果2.1金相圖及組織圖2-1焊縫區(qū) 圖2-2熱影響區(qū)圖2-3熱影響區(qū) 圖2-4母材（過(guò)時(shí)效）

表2.1試樣上各部分的組織圖號(hào)名稱焊接條件及狀態(tài)組織特征圖2-1焊縫組織板厚6mm，焊接電流150A，壓氣流量15L/min，鋁鎂5鈦焊絲，V型坡口，米用鎢極氬弓瓜焊焊縫組織基體是a(Al),有枝晶網(wǎng)絡(luò)和析出的e相(CuAl2)及S相(CuMgAl2)共晶組織圖2-2熱影響區(qū)組織板厚6mm，焊接電流150A，壓氣流量15L/min，鋁鎂5鈦焊絲，V型坡口，米用鎢極氬弓瓜焊靠近熔合區(qū)晶粒長(zhǎng)，在枝晶的交界處有強(qiáng)化相析出，淺灰色為e(CuAl2)，暗色為S相(CuMgAl2)圖2-3熱影響區(qū)組織(過(guò)時(shí)效區(qū))板厚6mm，焊接電流150A，壓氣流量15L/min，鋁鎂5鈦焊絲，V型坡口，米用鎢極氬弓瓜焊過(guò)時(shí)效區(qū)組織晶粒相對(duì)等軸細(xì)小均勻，在晶界與晶內(nèi)均有強(qiáng)化相析出，淺灰色為e相，暗色為S相圖2-4母材組織板厚6mm，焊接電流150A，壓氣流量15L/min，鋁鎂5鈦焊絲，V型坡口，米用鎢極氬弓瓜焊在a(Al)基體上分布e相機(jī)S相強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)做完拉伸試驗(yàn)對(duì)焊縫的斷口進(jìn)行分析，下圖為焊縫斷口的微觀和宏觀照片，從斷口上看，斷裂處沒(méi)有明顯的伸長(zhǎng)區(qū)，所以應(yīng)該屬于脆性斷裂。

圖5斷口微觀照片圖圖5斷口微觀照片圖6斷口宏觀照片2.2拉伸數(shù)據(jù)拉伸試驗(yàn)材料名稱：LY12鋁合金實(shí)驗(yàn)濕度：20%試驗(yàn)速度：15mm/Min試驗(yàn)溫度：20°C標(biāo)距：50mm表2.2焊縫力學(xué)性能試樣號(hào)面積最大載荷抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)屈服強(qiáng)度彈性模量1 909539.9583.7783.778.96143平均值909539.9583.7783.778.96143圖2.2拉伸試驗(yàn)加載過(guò)程圖試驗(yàn)分析3.1力學(xué)性能分析從力學(xué)性能分析，LY12鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為415-435Mpa,屈服強(qiáng)度為275-280Mpa，和表2.2比較可知焊縫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均低于母材，從圖6焊縫斷口宏觀照片上可以明顯的看到，斷口分為兩個(gè)區(qū)域，一部分為亮白的金屬光澤區(qū)，令一部分是暗色的未熔合區(qū)域，而未熔合區(qū)的存在減小了拉伸試樣的有效承載面積，從而導(dǎo)致焊縫的綜合力學(xué)性能均低于母材。未熔合區(qū)是指焊縫金屬與集體母材或相鄰焊道間及焊縫層間的局部殘留間隙。未熔合區(qū)的產(chǎn)生一般是由于焊前對(duì)接頭的清理不夠徹底，本次試驗(yàn)出現(xiàn)未熔合區(qū)主要是因?yàn)椴捎昧穗p面焊，而在焊完一面焊另一面時(shí)對(duì)焊縫未進(jìn)行清理。3.2金相組織分析從金相組織圖上分析，對(duì)于LY12鋁合金而言，其強(qiáng)化相主要是沉淀強(qiáng)化相0（CuAl2）相及S（CuMgAl2）相。在圖1，圖2，圖3，圖4可以看出從焊縫區(qū)到母材其組織中得S（CuMgAl2）相逐漸減少，意味著越靠近焊縫區(qū)S相及0相的沉淀強(qiáng)化效果越強(qiáng)，其強(qiáng)度就越高。3.3焊接缺陷分析（1） 氧化鋁與氧具有很強(qiáng)的親合力，在空氣中極易氧化，生成一層很薄的氧化鋁膜。由于氧化鋁的熔點(diǎn)高、比重大、導(dǎo)電性差，焊接時(shí)電弧燃燒不穩(wěn)定，不利于填充金屬與熔池的熔合，易產(chǎn)生夾雜等缺陷，影響焊縫質(zhì)量。另外，氧化膜具有很強(qiáng)的吸附水分的能力，在高溫下水分分解出的氫氣是造成焊縫氣孔的氣體主要來(lái)源。為此，工件與焊絲表面的氧化膜在焊前必須徹底清除，并要保證在焊接過(guò)程中不再或盡量少生成.也可在焊接過(guò)程中，借助焊劑清除。（2） 氣孔氣孔是鋁及鋁合金焊接時(shí)常見(jiàn)的缺陷之一，通常分為集中氣孔和分散氣孔兩種。不論哪種氣孔，都不同程度地降低焊縫的強(qiáng)度、塑性和抗蝕性等。氫是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。在焊接過(guò)程中，氫溶解于熔池金屬中，隨著溫度的升高，溶解度隨之增加.當(dāng)熔池冷卻時(shí)，溶解度隨之降低.在熔池結(jié)晶時(shí)，溶解度發(fā)生突變,幾乎降低了20倍。這時(shí)溶池中的氫處于過(guò)飽和狀態(tài)，隨著結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，過(guò)飽和的氫由熔池中析出，并在一些結(jié)屏缺陷處聚集形成氣泡。當(dāng)熔池結(jié)品速度較慢時(shí)，所生成的氣泡可以浮出，則不會(huì)形成氣孔，當(dāng)熔池結(jié)晶足夠快速，氣泡來(lái)不及形成時(shí)，同樣也不會(huì)生氣孔，只有當(dāng)氣泡形成后，又來(lái)不及浮出，被留在焊縫中，從而形成氣孔。本次試驗(yàn)中焊縫區(qū)金相組織圖片上有一些小坑，這些小坑是氫氣孔，氫氣孔的存在降低了焊縫的強(qiáng)度。氫氣孔的產(chǎn)生是焊接時(shí)空氣中的氫氣在高溫時(shí)溶于液態(tài)熔池，而在焊縫金屬冷卻過(guò)程中由于溶解度降低來(lái)不及析出形成。為了防止氣孔可以采取以下措施：消除氫氣來(lái)源：嚴(yán)格清除工件與焊絲表面的油污、氧化膜、焊劑要烘干;氬弧焊時(shí)要限制氬氣的含水量;清洗好的待焊件和焊絲不能放置超過(guò)1晝夜。選擇合理的焊接參數(shù)：應(yīng)該選用較大的焊接電流的較快的焊接速度，以減少熔池的高溫停留時(shí)間，這樣既可以減少氫氣的溶入，又可使溶入的氫氣來(lái)不及形成氣泡，從而減少了氣孔，此外，大電流可加強(qiáng)電弧吹力，增加熔深，這對(duì)防止未焊透和消除坡口表面的氣孔是有利的。（3）裂紋LY12鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，而這種鋁合金在焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。大多數(shù)鋁合金屬于共晶型，決定裂紋產(chǎn)生的主要因素有兩個(gè)：其一是焊縫金屬結(jié)晶時(shí)脆性溫度區(qū)間的大小及塑性大小，其二是焊縫金屬在脆性溫度區(qū)間內(nèi)所承受的焊接應(yīng)力（主要取決于焊接工藝參數(shù)，工件結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)等)，若是焊縫金屬在脆性溫度區(qū)間所承受的焊接應(yīng)力較大，造成了晶界裂紋而保持下來(lái)，就是熱裂紋。(4)其它缺陷鋁合金具有高導(dǎo)熱性，故要求使用能量集中色的熱源，否則易造成未焊透；鋁與氧具有很大的親合力，焊接時(shí)極易氧化，生成的氧化膜比重大，熔點(diǎn)高，易造成焊縫夾雜；鋁合金在高溫時(shí)強(qiáng)度很低，很難承受熔池自身的重量，這樣就容易造成焊縫的凹陷或穿孔，破壞了焊縫的成型，所以焊接時(shí)應(yīng)該使用墊板襯托。試驗(yàn)結(jié)論及建議4.1結(jié)論綜合上述分析，在保證焊縫處沒(méi)有缺陷的情況下，LY12的焊接接頭的焊縫區(qū)強(qiáng)度高于母材，其斷裂部位應(yīng)該在母材部分。4.2建議如果采用多層焊或者雙面焊時(shí)，在兩次焊接中間應(yīng)該將焊縫清理干凈，避免未熔合區(qū)的產(chǎn)生；由于鋁合金的熱導(dǎo)率高，焊接時(shí)為了保證熱量集中，應(yīng)將焊接電流盡量大些，弧長(zhǎng)盡量縮短。致謝試驗(yàn)及論文寫(xiě)作期間，得到了鄭曙旸老師的細(xì)心指導(dǎo)，文進(jìn)和史宏濤同學(xué)的熱心幫助，在此表示真誠(chéng)的感謝。參考文獻(xiàn)［1］ 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.［2］ 稻桓道夫、可田沼欣［日］.低溫材料標(biāo)準(zhǔn)及斷裂韌性試驗(yàn)［J］.國(guó)外技術(shù)，90-99［3］ 庫(kù)德良紹夫、斯莫連采夫［蘇聯(lián)］，高云震等譯.鋁合金斷裂韌性［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1980.116-118.［4］