《铝和铝合金的焊接》PPT课件.ppt

铝和铝合金的焊接,石油化工铝制料仓施工质量验收规范 SH/T 35132009,石油化工铝制料仓施工技术规程,SH/T 36052009,应用 1）大型空分装置冷箱中主塔（分馏塔）等塔类设备均为铝镁合金材质。2）铝料仓 3）煤化工装置中的工艺管道等。,2、焊接特性分析 1）强的氧化能力 铝和氧的亲和力很强,在空气极易生成致密的Al2O3薄膜,Al2O3的熔点高达2050,远远超过铝和铝合金的熔点(500600)。Al2O3的相对密度较大，在焊接过程中阻碍金属之间的良好的结合，引起氧化膜夹渣或未熔合。氧化膜还会吸附水份，焊接时会促使焊缝生成气孔。在横焊或仰焊的特定位置下，这些气孔在凝固过程中上升至焊缝上部熔合线附近，被上部固态金属阻挡而无法逸出，因而在焊缝上部形成链状气孔。,（2）较高的热导率和比热容大 铝和铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低合金钢的两倍多。在焊接过程中，由于高的热导率使热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时采用预热的措施。,（3）热裂倾向大 线膨胀系数大，约为碳素钢和低合金钢的两倍。体积收缩率较大，达6.5%左右,铁约为3.5%。这样由于过大的收缩内应力而导致焊接熔池凝固时容易产生缩孔、热裂纹。生产中可采取调整焊丝的成分与焊接工艺的措施防止热裂纹。（4）气孔敏感性高 铝和铝合金熔池很易吸收氢等气体，高温下溶入的大量气体在焊后泠却凝固过程中来不及析出，聚集在焊缝中会形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面的氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。采取的措施：焊前清理母材坡口及焊丝。,5）固态液化时无色泽变化 焊接时熔池金属由固态变成液态时，没有明显的色泽变化，给焊接者带来不便。（6）低的高温强度和塑性 由于高温下的强度和塑性较低，以致于不能支承住液体金属从而导致变形或塌陷。采取的措施：加垫板。,3 铝与铝合金牌号的分类L-纯铝（L1L6）LF 防锈铝(Al-Mn、Al-Mg)(LF1LF7、LF10、LF11、LF21)LT 特殊铝（Al-Si）（LT1）LD 锻铝（LD1、LD2、LD5LD10）LY 硬铝（LY1、LY2）LC 超硬铝（LC2、LC4）,4 焊接材料 焊接材料的选择 铝及铝合金的焊接材料包括电焊条、焊丝、焊剂、电极和保护气体。1）焊丝 按我国国标88及GB10858-2008，焊丝分为电焊条芯及焊丝两个类别。按美国国标ANSI/AWS A5.10-92，焊丝分为电极丝（代号E）及填充丝（代号R）和电极丝、填充丝两者兼用丝（ER）。,2）焊接材料选用原则焊接时生成焊接裂纹的倾向低；焊接时生成焊缝气孔的倾向低；焊缝及焊接接头的力学性能（强度、延性）好；焊缝及焊接接头在使用环境条件下的耐蚀性能好；焊缝金属表面颜色与母材表面颜色能相互匹配。焊丝的性能表现及其适用性需与其预定用途联系起来，以便针对不同的材料和主要的性能要求来选择焊丝。,表1：针对不同的材料和性能要求选择焊丝,铝和铝合金焊接,焊接纯铝时，可采用同型号纯铝焊丝；焊接铝-锰合金时，可采用同型号铝-锰合金焊丝或纯铝SAl-1焊丝；焊接铝-镁合金时，如果含镁量在3%以上，可采用同系型号焊丝；如果含镁量在3%以下，如5A01及5A02合金，由于其热裂倾向强，应采用高Mg含量的SAlMg5或ER5356焊丝；焊接铝-镁-硅合金时，由于生成焊接裂纹的倾向强，一般应采用SAlSi-1焊丝，如果焊缝与母材颜色不匹配，在结构拘束度不大的情况下，可改用SAlMg-5焊丝；焊接铝-铜-镁、铝-铜-镁-硅合金时，如硬铝合金2A12、2A14，由于焊接时热裂倾向强，一般应采用抗热裂性能好的SAlSi-1、ER4145或BJ-380A焊丝。,3）焊丝、焊件的清洗 在焊前必须将铝丝、铝板表面上的油污、氧化膜等污物清洗掉。清洗方法如下：a)去油污 在清除氧化膜之前，先将铝丝表面、铝板坡口及其两侧(各30mm内)的油污、脏物清洗干净。在生产上一般采用汽油或丙酮、醋酸乙酯、松香水、四氯化碳等溶剂。也可配制一种化学混合液进行脱脂处理，其步骤如下：在温度为(6070)的混合溶液(工业磷酸三钠(4050)g，碳酸钠(4050)g，水玻璃(2030)g，水1L)中加热(58)min；在50左右的热水中冲洗2min；冷水中冲洗2min。,铝和铝合金焊接,b)清除氧化膜 氧化膜的清理有机械清理及化学清理两种方法。机械清理 在去除油污后，可用不锈钢丝轮、铜丝轮或刮刀，将焊件坡口两侧表面刮净。这种方法较简便，但清理的质量较差，主要用于焊缝质量要求不高、焊件尺寸较大、不易用化学方法清理或化学清理后又被局部污染的焊件。这种方法难于清除焊丝表面的氧化膜。,铝和铝合金焊接,化学清理 铝及铝合金板材、管子及铝丝化学清理时，先把铝板、铝管及铝丝放入温度为4060、浓度810%的氢氧化钠溶液中侵蚀，保持1015min（对于铝合金只需5min）后取出，用冷水冲洗2min；再置于30%的硝酸溶液中进行光化处理，以中和余碱，避免碱液继续腐蚀铝板、铝管、铝丝；再用流动的冷水冲洗23min。清理工作完成后，铝丝应置于150200的烘箱内，随用随取。清理过的焊件、焊丝必须妥善保管，不准随意乱放。铝板坡口清理后宜立即进行装配、焊接，一般不得超过24h。,5、焊接方法 1）气焊 气焊的热功率比电弧焊低，热量分散，因而焊件变形大，生产效率低。且焊缝金属晶粒粗大，组织疏松，容器产生夹渣。实际上被氩焊所取代。2）焊条电弧焊 焊条电弧焊的接头质量较差，工业中应用较少，主要用于焊补。3）手工钨极氩弧焊 优点：热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性较高，接头质量较优，可焊接的板厚度为1mm20mm，是焊接铝和铝合金最普通的方法。缺点：此方法不宜在露天操作。,4）熔化极氩弧焊 优点：以焊丝为电极，电流比较大，电弧功率大，热量集中，焊接速度快，生产效率高。可焊接厚度为小于50mm。缺点：焊丝直径受送丝系统的限制，且焊缝的气孔敏感性较大。5）熔化极脉冲钨极氩弧焊 焊接电流小，参数调节范围广，焊件变形小，适用于薄板焊和全位置焊。常用于212mm。6）其它不常用的焊接方法 等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、电阻焊等。,6 焊接工艺1)手工钨极氩弧焊 手工钨极氩弧焊时，采用交流电源，利用“阴极破碎作用”清除焊接部位表面上的氧化膜。氩气的纯度必须大于99.99%，含氮量小于0.04%、含氧量小于0.03%、水分小于0.07%，当氮气超过标准值时，焊缝表面会产生淡黄色或草绿色的化合物（氮化物）及气孔，给焊工的操作带来困难；而且当氧气过量时，在熔池表面上还会出现密集的黑点，使电弧不稳定，飞溅较大，水分会导致熔池沸腾，并形成气孔。,铝和铝合金焊接,a)大于3mm厚的焊件需加工成V形坡口，厚度超过14mm的焊件宜开双V形坡口，厚度超过3mm的管子也应加工成V形坡口。b)组对方式通常有不留间隙、留间隙加垫板和较大间隙（对弧焊)。钨极端部通常烧结成球珠形以利于电弧稳定燃烧。c)板厚超过10mm的焊件焊接时或重要结构定位焊时，应采取预热措施。预热温度的选择主要取决于焊件大小及焊缝金属的冷却速度。板材愈厚，预热温度愈高。一般预热温度控制在200250。多层焊时，要保证层间温度不低于预热温度。,铝和铝合金焊接,2)熔化极氩弧焊(MIG焊)熔化极氩弧焊（分为自动及半自动）适用于中等厚度、大厚度铝及铝合金板材的焊接，焊接时采用直流反接。采用该方法焊接时焊接速度快，焊接接头热影响区和焊件的变形量小。焊前焊件不必预热，例如厚度达30mm的铝板仅需正、反面各焊接一层。自动熔化极氩弧焊时，气孔的敏感性较大，这与焊丝直径有显著关系，为此，常选用粗的焊丝及较大的焊接电流值，焊丝直径越粗，焊丝的比表面积就越小，反之，越大。用细焊丝焊接时，由铝丝表面带入熔池的氧化膜及表面吸附水等杂质的数量要高于粗丝焊，因此容易产生气孔缺欠。6mm的铝板对接焊时开I形坡口，间隙小于0.5mm，厚度大于8mm的铝板，需加工成V形坡口。,铝和铝合金焊接,7、铝及铝合金焊接时常见的缺欠 铝及铝合金焊缝中常见的缺欠有焊缝成形不良、基体金属的咬边、裂纹、气孔、未焊透、烧穿、夹渣等。1.焊缝成形不良 焊缝成形不良表现在熔宽尺寸不一，成形粗糙，且不光亮；接头太多；焊缝中心突起，两边平坦或凹陷；焊缝满溢等。这些缺欠的形成原因主要是与焊工的操作不够熟练，焊接工艺参数选择不当，焊炬角度不正确，氧乙炔火焰或电弧没有严格对准坡口，导电嘴孔径太大（对自动、半自动熔化极氩弧焊而言），焊丝表面、焊条涂料及氩气中含有水分等因素有关。,2.裂纹 铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的。纯铝、铝锰、铝镁合金的热裂纹形成倾向很小，但在结构刚性较大、杂质含量较多或工艺参数选择不当时，也会引起裂纹。铝镁合金的含镁量低于2%-3%时，有裂纹形成倾向。但若在铝镁合金焊丝中加入0.2%以下的钛作为变质剂时，可细化晶粒、提高焊缝金属的抗裂性和力学性能。硬铝的焊接性很差，对焊接热循环及焊接线能量十分敏感，焊接时的结晶裂纹(热裂纹)问题极为严重，特别当采用与基体金属相同成分的填充焊丝焊接时，其结晶裂纹的倾向性往往可高达80%以上，甚至发生贯穿性开裂。,铝和铝合金焊接,防止热裂纹的措施如下：1)控制基体金属及焊丝的成分。纯铝、铝锰合金及焊丝中的铁、硅含量比应大于1，以减少焊缝金属中低熔点硅共晶的数量，使铁、硅、铝的多元化合物呈断续分布。2)通过填充焊丝向焊缝金属加入少量细化晶粒的变质剂，有利于防止热裂纹的产生。当在LY16硬铝焊缝中加入0.5%锆后，焊缝金属可变成细小的等轴晶组织。3)应尽量采用加热集中的焊接方法（如熔化极自动氩弧焊）及选择大电流、高焊接速度的焊接工艺参数，4)在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的刚性，在工艺上采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。5）尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序。7）焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。,铝和铝合金焊接,3气孔 铝合金自动熔化极氩弧焊时，焊缝表面上的气孔比较多，大量微气孔。微气孔的数量及大小随着层数的增多而增加。焊缝表面中心线上的微气孔比焊缝内部中心线上的微气孔多。当大气湿度较大时，第二层焊缝表面中心线上会出现连续的大气孔。铝焊缝中各种气孔的特征及形成原因如表3所示。,铝和铝合金焊接,表3 铝焊缝中各种气孔的特征及形成原因,防止气孔的措施如下：1)焊前准备 工件、焊丝、惰性气体、工业大气、送丝机构、焊接操作人员的手套及手迹，都可以提供氢源。主要的氢源是水分、含水氧化膜、油污。材料及焊丝自身的含氢量宜控制为每100g金属内含氢不超过0.4mL。工件表面应经机械清理或化学清洗，以去除油污及含水氧化膜。工件清理或清洗后，用干燥、洁净、不起毛的织物或聚乙烯薄膜胶带将坡口及其邻近区域覆盖好，防止其随后沾污。必要时临焊前再用洁净的刮刀刮削坡口及焊丝表面，继而用焊枪向坡口吹氩，吹除坡口内刮屑，然后施焊。工件表面清洗后，存放待焊时间不能超过424h，否则需再行清洗。普通焊丝表面制备过程与工件相同。抛光焊丝可不经任何清理而直接用于焊接，焊丝拆封后存放待用时间放宽限制，但不要长期拆封存放，拆封但未用完的焊丝可再封存于干燥环境内。,铝和铝合金焊接,惰性气体管路:应采用不锈钢管或铜管的管路，从管路末端至焊枪之间应采用硬质聚四氟乙烯管，不宜采用橡胶和乙烯树脂管路，因其吸水性强。要确保惰性气体管路(包括管接头)不渗露，否则无内压时夹带潮气的工业大气将渗入管路内。由于焊枪结构内尚需接冷却水管，应确保其管接头不会漏水。当现场环境内湿度大时，可用经加热的氩气通吹气体管路，以去除管壁上可能附着的水分。也可采用试板进行电弧焊接试验，根据焊道的外观和阴极雾化区的宽窄来定性检查惰性气体的纯度、露点和保护效果，同时也藉以清除焊枪和气体管路中的冷凝水。焊丝输送机构:焊丝输送机构内不能有油或油污，送丝套管也应采用聚四氟乙烯管，也应注意清除套管壁上可能附着的冷凝水。现场环境:铝及铝合金焊接生产产房内环境温度不宜超过25，相对湿度不宜超过50%。如果难于控制整体环境，可考虑在大厂房内为焊件创造能空调或去湿的局部小环境。,铝和铝合金焊接,焊接工作地应远离切割、板金、加工等工作地，焊接工作地禁放杂物，应保护现场整齐清洁。从事装配及焊接的工人身上的油污及手迹、汗迹含有碳氢化合物，也是氢源。接触、加工、焊接铝件时，宜穿戴专用白色劳保工装，选择白色穿戴的目的即在于易发现和清除脏污。2)结构设计 设计时应考虑避免采用横焊、仰焊及可达性不好的接头，以免焊接时易于发生突然断弧，以致断弧处滋生气孔。焊接接头应便于实施自动焊以代替引弧、熄弧、接头频繁的手工焊，凡可实施反面坡口的部位可设计成反面V形坡口。3)焊前预热 焊前预热减缓散热有利于减缓熔池冷却速度，延长熔池存在时间，便于氢气泡逸出，免除或减少焊缝气孔，是适用于铝及铝合金结构定位焊、焊接、补焊时预防焊缝气孔的有效措施。,铝和铝合金焊接,预热方法最好是在夹具内设置电阻加热或焊件外远红外局部加热。对于退火状态的Al、Al-Mn、及w(Mg)量小于5%的A1-Mg合金，预热温度可选用100150，对于固溶时效强化的Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn、Al-Zn-Mg合金，预热温度一般不超过100。减缓散热的方法为选用热导率小的材料制造胎夹具(如钢)及焊缝垫板(不锈钢或钛合金)。4)优选焊接方法 钨极交流氩弧焊和钨极直流正极性短弧氦弧焊时，电弧过程稳定，环境大气混入弧柱及熔池较少，因而对焊缝气孔的敏感性较低。极性及参数非对称调节的钨极方波交流氩弧焊和等离子弧焊时，阴极雾化充分，焊接过程中可排除气孔和夹杂物，对焊缝气孔的敏感性亦较低，甚至可获得无缺欠焊缝。熔化极氩弧焊存在熔滴过渡过程稳定性较差，环境大气难免混入弧柱区，熔池熔氢较多、焊接速度及熔池冷却速度较大，因而生成焊缝气孔的敏感性较强，宜选用亚射流过渡及粗丝焊接。,铝和铝合金焊接,5)优选焊接工艺参数 降低电弧电压、增大焊接电流、降低焊接速度，有利于减小焊接熔池溶解的含氢量，延长液态熔池存在时间，减缓熔池冷却速度，便于氢气泡逸出，减少焊缝气孔。6）焊接操件技术 始焊及定位焊接时，工件温度低、散热快，熔池冷却速度大，焊接处易产生焊缝气孔，宜采用引弧板。定位焊起弧后稍滞留，然后填丝焊接，以免该部位产生未焊透及气孔。单面焊时，背面焊根处易产生根部气孔。最好实行反面坡口双面焊，正面焊后，反面清根，去除根部气孔及氧化膜夹杂物，然后施行背面封底焊。多层焊时，宜采用薄层焊道，每层熔池熔化金属体积较小，便于氢气泡逸出。补焊时，必须先检测原有缺欠的准确位置，确保缺欠完全排除，最好随即安排一次工艺性X射线透视，验证缺欠排除程度。补焊时，焊件温度低，补焊焊缝短，起弧熄弧间距小，补焊操作不便，熔池冷却速度大，极易产生气孔，因此，补焊难度较大，必要时，可施行远红外辐射局部预热。,铝和铝合金焊接,手弧焊时，焊接及补焊过程中对焊缝气孔的预防在很大程度上取决于焊工的操作技艺。焊工应善于观察焊接熔池状态转化过程和气泡产生及逸出情况、切忌盲目追求高焊接速度，应善于通过操作手法，作前后适当搅动，以利气泡逸出。自动焊时，可采用适当的机械或物理方法搅拌熔池，如超声搅拌、电磁搅拌、脉冲换气(氩、氦)、脉冲送丝等。预防铝及铝合金焊缝气孔是一个复杂的难题，实际生产中常需结合生产条件，采取综合防治技术措施。,铝和铝合金焊接,8 铝和铝合金管道焊接 8.1 坡口加工 坡口加工采用机械方法，也可采用等离子弧等火焰方法加工。加工后的表面平整、光滑、不应有裂纹、分层、夹渣、飞边等。如用等离子弧等方法加工有污染时，切割面应打磨光滑。8.2 焊前清理 焊丝及坡口表面及其两侧50mm范围进行表面清理，一般可选用以下方法：1）用丙酮等有机溶剂去除表面的油和油脂。2）宜用机械法或化学法清除表面氧化膜。3)经清理的焊丝和焊件，焊前严禁沾污，否则应重新清理。一般应在清理后4h内施焊。,机械法：坡口及其两侧表面用刮削、锉削或铣削，也可用0.2mm左右的不锈钢丝刷(轮)清理露出金属光泽.焊丝表面用不锈钢丝刷或干净的油砂纸擦洗。化学法：用约705%10%的NaOH溶液浸3min左右水洗，接着用约30%的HNO3溶液在常温下浸2min左右后用流水冲洗，再进行100左右的烘干。,8.3 垫板1)铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板或碳素钢板等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。加垫板焊接时，坡口不留钝边，垫板焊前一定要打磨干净，焊接时要保证垫板一定不要熔化。,2)不锈钢衬环作用 在小管径铝镁合金管焊接过程中，我们可以在焊接前在铝镁合金管道内使用嵌入环式不锈钢衬圈垫环，一方面可以有效防止焊缝金属塌陷、滴漏，便于焊缝成型；另一方面对打底焊缝进行有效保护，降低氧化程度，减少气孔、夹渣等焊接缺陷的生成。3)不锈钢衬环的制作 不锈钢衬环包括衬圈及槽形铝，先特制一个带槽的AL合金衬圈，使用时不锈钢带镶入其槽内即成，不锈钢带一般为1.5mm厚，20mm宽。4)不锈钢衬环的装配 不锈钢衬环的装配定位如下图,8.4 组对与定位 管道组对前将焊丝、坡口表面及两侧不小于50范围内的油污、氧化物等杂质用丙酮和四氯化碳等有机溶剂或者不锈钢钢丝刷除去；露出金属光泽。清理好的焊件及焊丝在8小时内进行施焊，若超过8小时的，则采取有效的防护措施，否则重新清理。管道组对时，应内壁平齐，错边量符合以下要求：当管道壁厚小于等于5时，错边量小于等于0.5；当管道壁厚大于5时，错边量小于等于壁厚的0.1倍且不大于2；,焊接定位焊缝时，应采用与正式焊接相同的焊丝和焊接工艺，并应由合格焊工施焊。定位焊缝尺寸见表4-2.,8.5 焊前预热 采用手工钨极氩弧焊时，如焊接厚度1015mm时可焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100200，可用氧-乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减少变形、减少气孔等缺陷。8.6 焊接工艺要点 1)手工钨极氩弧焊时采用交流电源，熔化极氩弧焊时应采用直流电源。2)引弧宜在引弧板上进行，纵向焊缝宜在熄弧板上熄弧。引弧板与熄弧板的材料应与母材相同。防止电线、地线、焊接工具等与焊件打弧。,3)宜采用大电流快速施焊法,焊丝的横向摆动不宜超过其直径的3倍.4)焊接顺利应对称进行，当从中心向外进行焊接时，具有大收缩量的焊缝宜先焊，整条焊道应连续焊完。5)手工钨极氩弧焊的焊丝端部不不应离开保护区。6)焊接过程中应注意清除焊层焊道间的氧化物夹杂等缺陷。角焊缝根部应注意焊透。双面焊应清理焊根，显露出正面打底的焊缝金属。弧坑应填满，接弧处应当熔合焊透。,8.3 工程实际铝镁合金的焊接缺陷及解决办法：1)夹钨（X光片上显示为白点）产生的原因：钨极太细，冷钨极直接打弧；触钨（钨极触到焊件或其它）解决办法：用引弧板，触钨时应打磨钨极。2)夹杂 Al2O3弥散状态分辨不出几何尺寸的对性能没有影响；Al2O3线状对性能有影响。且Al2O3夹杂易在根部形成。解决办法：重熔。打磨根部，当管径很小无法打磨或重熔其根部应加不锈钢垫板,3)气孔产生的原因：焊丝及母材表面的氧化膜；氩气中的水汽；焊枪带中的水汽。环境（风天或雨天）解决办法：清理焊丝及母材坡口附近的油污及氧化膜。保证氩气纯度，横立仰焊时应用满瓶，气带要短。引弧时间要长一些，气带不要漏气。避免雨风天施工。当焊件15mm时预热，横焊时10mm预热。,