第九章常用非铁金属的焊接第一节铝及铝合金的焊接一、 铝及铝合金分类：二、铝及铝合金的焊接性 铝及铝合金有易氧化、导热性高、热容量和线胀系数大、熔点低以及高温强度小等特点，因而给焊接工艺带来了一定困难。(1)易氧化铝与氧的亲和力很强，铝及铝合金在任何温度下都会氧化第一节铝及铝合金的焊接(2)耗能大铝及铝合金的热导率约为钢的4倍，要达到与钢同样的焊速，焊接热输入应为钢的24倍，因此，铝及铝合金焊接时应采用能量集中、功率大的热源，并采取预热等措施；(3)容易形成热裂纹铝的高温强度低，塑性差(纯铝在640656之间的伸长率小于0.69%)，线胀系数约为23.5-6/，比钢大两倍左右，凝固时的体积收缩约为6.6%，在接头中容易形成较大的拘束应力，导致焊件产生较大的内应力，加大了形成变形和裂纹倾向。(4)容易产生气孔氢是铝在熔焊时产生气孔的主要原因。 焊接时为了减少氢的来源，焊前对焊件、焊丝、焊条等都应认真清除氧化膜、潮气和油膜。焊接过程尽可能少中断，以防止气孔的生成。另外，在选择工艺参数时采用较强的热输入，则使氢以过饱和状态固溶在固体铝中，减少了氢气孔的产生。第一节铝及铝合金的焊接(5)降低焊接接头的力学性能热处理强化铝合金焊接接头的组织如图9-1所示。(6)降低焊接接头耐蚀性铝及铝合金焊接接头耐蚀性一般都低于母材。(7)易焊穿铝及铝合金从固态变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材金属的温度，因此，焊接时常因无法察觉而导致烧穿。图9-1热处理强化铝合金焊接接头的组织示意图第一节铝及铝合金的焊接二、 铝及铝合金的焊接工艺1. 焊接材料的选择 铝及铝合金的焊接材料包括铝焊丝、铝气焊熔剂以及铝焊条等。(1)铝焊丝 1)专用焊丝。 2)通用焊丝。 3)特种焊丝。表9-1铝及铝合金焊丝第一节铝及铝合金的焊接(2)气焊熔剂气焊熔剂的主要作用是溶解和消除覆盖在熔池表面的氧化膜并在熔池表面形成一层较薄的熔渣，保护熔池金属不被氧化，排除熔池中的气体、氧化物及其他夹杂物，改善熔池金属的流动性。(3)铝焊条铝及铝合金焊接用焊条药皮涂料主要由氯化物和氟化物组成。表9-2铝及铝合金气焊熔剂的牌号、成分(质量分数)和使用要求表9-3铝及铝合金焊条的牌号、成分及应用第一节铝及铝合金的焊接2. 焊接方法的选择 表9-4列出了铝及铝合金常用焊接方法的特点及适用范围，在生产中应根据具体情况选择其中最合适的一种方法。表9-4铝及铝合金常用焊接方法的特点及适用范围第一节铝及铝合金的焊接3. 焊前准备及焊后清理(1)焊前准备铝及铝合金焊前准备包括焊前清理、设置垫板和预热。1)焊前清理。氧化膜的清理有机械清理和化学清理两种方法。2)设置垫板。 3)预热。(2)焊后清理焊后残留在焊缝及附近表面的熔剂及焊渣，在空气、水分的参与下会激烈地腐蚀铝件，因此必须及时予以清理。图9-2垫板及槽口尺寸a)方形槽b)圆弧形槽第一节铝及铝合金的焊接4. 焊接工艺要点(1)钨极氩弧焊采用钨极氩弧焊焊接时电弧稳定，所得焊缝致密，焊接接头的强度、塑性、韧性较好，且不存在焊后残留熔剂腐蚀问题，适用于0.520mm厚铝板、管的焊接。1)接头形式。表9-5铝及铝合金手工钨极氩弧焊的接头形式表9-5铝及铝合金手工钨极氩弧焊的接头形式第一节铝及铝合金的焊接2)焊接电源及焊接参数。 手工钨极氩弧焊的工艺参数，包括钨极直径、焊接电流、电弧电压、氩气流量、喷嘴孔径、钨极伸出喷嘴的长度、喷嘴与焊件间的距离、接头形式、预热温度等。常用交流手工钨极氩弧焊工艺参数见表96。表9-6铝及铝合金交流手工钨极氩弧焊工艺参数第一节铝及铝合金的焊接3)操作技术采用高频振荡器或高压脉冲引弧装置引弧，不允许在工件上接触引弧。灭弧时除采用电流衰减装置外，在接近灭弧处应加快焊接速度及焊丝填加频率，将弧坑填满后慢慢将电弧拉长再灭弧。一般采用左焊法焊接，焊枪均匀平稳地向前作直线运动，并保持弧长恒定。为达到熔透和避免咬边，应尽量采用短焊弧。填充焊丝与工件间应保持一定的角度。如图9-3所示。图9-3焊枪及填充焊丝位置焊接时，无论是单面焊时的打底焊缝还是双面焊时的正面(开坡口面)焊，必须保证足够的熔透。第一节铝及铝合金的焊接(2)熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊采用射流过渡时，电弧挺度好，便于全位置焊接且熔深大，可焊的厚度范围广，一般用于板厚大于6mm的焊件。采用喷射过渡熔化极氩弧焊，电弧热量集中，焊接熔深大，故焊中厚铝板时可不进行预热。但当板厚大于25mm或环境温度低于-10时，应预热100，以保证开始焊接时能熔透。表9-7纯铝、铝镁合金、硬铝的熔化极自动氩弧焊工艺参数第一节铝及铝合金的焊接(3)气焊气焊铝及铝合金常用纯铝或铝硅合金作填充金属。1)火焰和焊嘴的选择。焊嘴大小应根据焊件厚度、坡口形式、焊接位置及焊工的技术水平而确定。由于薄铝板易烧穿，所以要选择比焊钢板时小一些的焊嘴；焊厚而大的铝件时，由于散热量大，要选择比焊钢板时大一些的焊嘴。2)预热。3)气焊方法。铝及铝合金气焊参数见表98。表9-8铝及铝合金气焊参数第一节铝及铝合金的焊接图9-4管线用大直径铝管的焊接5. 铝合金焊接生产应用实例 如图94所示为外径1524mm，壁厚48mm的6A02铝合金管，用手工钨极氩弧焊进行对接。管线很长，并处于水平位置，必须在全位置焊接。接头是U形对接坡口，不留间隙，接头表面用熔剂擦净，用夹具对准接头后先进行定位焊。定位焊后，折除夹具，接头分三层焊接，每层由三段组成(图94左下方)。第一节铝及铝合金的焊接 再引燃电弧时要再熔每段的起端和末端，以防止可能产生的缺陷。焊道截面如图中AA所示，其焊接顺序和方向如图中左下所示。焊工横卧在管子下面，在仰焊位置焊接1、4、5各段；焊工跪在地上，立向上位置焊接其余各段。焊接参数见表9-9。表9-9大直径铝合金管焊接参数第二节铜及铜合金的焊接(1)工业纯铜工业纯铜呈紫色，故又称紫铜。 纯铜根据其含氧量不同可分为普通工业纯铜(wO=002%010%)、磷脱氧纯铜(wO001%)和无氧纯铜(wO0003%)，各种牌号的化学成分可见相关国家标准。(2)黄铜黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。 为了进一步提高黄铜的力学性能、耐蚀性和工艺性能，在普通黄铜中加入少量的锡、锰、铅、硅、铝、镍、铁等元素，就成为特殊黄铜，如锡黄铜、锰黄铜、铅黄铜、硅黄铜等。(3)青铜不以锌或镍为主要合金元素的铜合金统称为青铜，如锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。青铜具有较高的力学性能、耐磨性能、铸造性能和耐蚀性，常用来铸造各种耐磨、耐蚀的零件，如轴、轴套、阀体、泵壳、蜗轮等。第二节铜及铜合金的焊接一、 铜及铜合金的焊接性 由于铜及铜合金独特的物理化学性能，焊接时如不采取相应的工艺措施很容易出现以下问题。(1)焊缝难熔、成形能力差铜的熔点比钢低，但其导热性特别高，常温下的热导率比铁大7倍，在1000时大11倍。 铜在熔化温度时的表面张力比铁小1/3，流动性比钢大115倍，表面成形能力差，为此焊接纯铜及大多数铜合金时，除采用大能量、高能束的焊接方法外，其他方法单面焊时反面必须附加垫板成形装置，不允许采用悬空单面焊接。(2)容易产生焊接裂纹裂纹一般出现于焊缝上，也有出现在熔合区及热影响区的，裂纹呈晶间破坏特征，从断面上可看到明显的氧化颜色。第二节铜及铜合金的焊接 产生裂纹的主要原因是铜及铜合金的热膨胀系数几乎比低碳钢大50%以上，由液态的熔池金属转变为固态的焊缝金属过程中的收缩率也较大。对于刚性大的工件，焊接时会产生很大的内应力；其次，由于铜的氧化，在焊缝结晶过程中，晶界易形成低熔点的氧化亚铜铜的共晶物；另外，由于氢的溶入，焊缝金属在凝固和冷却过程中，过饱和的氢向金属微晶隙中扩散，造成很大的压力，削弱了焊缝金属的晶间结合力，从而产生裂纹；还有母材中低熔点的杂质铅和铋，它们几乎不溶于铜，少量存在于铜液中就可形成低熔点共晶体Cu+Pb(和Cu+Bi(270)，这些低熔点物质在结晶后期，以液态形式分布于枝晶间或晶界处，割断了晶粒之间的联系，使铜的高温强度降低，热脆性增加，在焊接应力的作用下很容易产生裂纹。第二节铜及铜合金的焊接(3)气孔倾向严重焊接铜及铜合金时，气孔倾向比低碳钢严重得多。 铜在高温下溶解氢的能力很大，凝固时溶解度大幅度下降。由于铜的热导率大，焊缝冷却的速度很快，在高温时所溶解的大量气体未能及时逸出，便会在焊缝中形成气孔。(4)焊接接头性能下降铜合金焊后晶粒变粗。(5)黄铜焊接时，还有一个问题是锌的蒸发。锌的蒸发在焊接区会产生一层白色烟雾，不但使操作困难，而且影响焊工身体健康。此外，锌的蒸发还使黄铜的力学性能降低。为防止锌的蒸发可采用含硅焊丝，因为硅氧化后会在熔池表面形成一层氧化物薄膜，阻止了锌的蒸发。第二节铜及铜合金的焊接二、 铜及铜合金的焊接工艺1. 焊前准备和焊后清理 铜及其合金焊接的焊前准备和焊后清理与铝及其合金焊接时相似，如对工件和焊丝在焊前的清理，焊接过程中需要加强对熔池的保护及预热等，在此不再赘述。2. 焊接方法选择 铜及铜合金焊接时可选用的焊接方法很多，一般根据铜的种类、焊件形态、对质量的要求、生产条件及焊接生产率等综合考虑加以选择。通常气焊、碳弧焊、焊条电弧焊和钨极氩弧焊多用于厚度小于6mm的工件，而熔化极氩弧焊及埋弧焊则用于更大厚度工件的焊接。第二节铜及铜合金的焊接3. 焊接工艺要点 由于纯铜的密度很大，熔化后铜液流动很快，极易烧穿及形成焊瘤。为了防止铜液从焊缝背面流失，保证反面成形良好，在焊接时需加(铜、石墨、石棉等)垫板。由于铜的导热性很强，焊接时通常预热温度也较高，一般在300以上。铜焊接时尽量少用搭接、角接及T形等增加散热速度的接头，一般应采用对接接头。(1)气焊在纯铜结构件修理、制造中，气焊用得比较多，常用于焊接厚度比较小、形状复杂、对焊接质量要求不高的焊件。1)纯铜的气焊。2)黄铜的气焊：焊丝可采用SCu4700(HS221);SCu6800(HS222);SCu6810A(HS223),能防止和减少熔池中锌的蒸发和烧损，有利于保证焊缝的力学性能，防止焊缝产生气孔。溶剂为CJ301。第二节铜及铜合金的焊接(2)氩弧焊1)手工钨极氩弧焊工艺。手工钨极氩弧焊的焊接材料主要有氩气、钨极和焊丝。纯铜可采用纯铜焊丝(HS201)，接头不要求导电性能时也可选用青铜焊丝(HS211)。黄铜常用焊丝牌号为4号黄铜丝(HS224)，但考虑氩弧焊电弧温度高，黄铜焊丝在焊接过程中锌的蒸发量大，烟雾多，且锌蒸汽有毒，故也可用无锌的青铜焊丝，如“HS211”焊丝。纯铜、黄铜手工钨极氩弧焊工艺参数见表910。表9-10纯铜、黄铜手工钨极氩弧焊工艺参数第二节铜及铜合金的焊接2)熔化极氩弧焊工艺。 熔化极氩弧焊焊接纯铜时，为了更有效地防止气孔，最好选用含有脱氧剂铝、钛的焊丝，一般选用“HS201”焊丝。(3)埋弧焊采用埋弧焊焊接纯铜时，由于熔化金属与外界隔离，并且焊接电流较大，可获得较大的熔深，焊件变形小，接头质量好，焊接生产率高，还可在一定程度上降低预热温度。表9-11铜及铜合金埋弧焊工艺参数第二节铜及铜合金的焊接(4)焊条电弧焊焊条电弧焊焊接铜及铜合金是一种简便的焊接方法，它的生产效率比气焊高，但焊接时金属的飞溅和烧损严重，并且焊接烟雾大，焊工劳动条件差，因此一般只用于对接头力学性能要求不高的焊件。 焊纯铜时采用的焊条有T107、T207两种。一般交直流焊机都可用来焊接纯铜，但采用直流焊机时必须采用反极性接法。焊接电流应根据焊件厚度、焊件外形尺寸、焊条直径和预热温度选择，随预热温度的提高，焊接电流应相应减小。 焊接黄铜时一般不用黄铜芯电焊条，因其工艺性能差，焊接时产生大量锌蒸发和飞溅。故一般采用青铜芯的电焊条，如ECuSnB(T227);ECuAl(T237)。第三节钛及钛合金的焊接一、钛及钛合金的分类：(1)工业纯钛工业纯钛的熔点高(1668)，比强度大，表面有一层致密的、非常稳定的氧化膜，由于该膜的保护作用，使钛具有很好的耐蚀性。 我国工业纯钛的牌号有三种，即TA1、TA2、TA3。TA1的纯度最高，TA3最低，随着杂质含量的增加，纯钛的屈服强度、抗拉强度增加，但伸长率下降。(2)钛合金由于工业纯钛强度偏低，为提高强度和改善性能，往往需加入合金元素。 型钛合金室温强度高于工业纯钛，高温强度(500600)为钛合金中最高者，焊接性、耐蚀性、可切削性良好，室温塑性低，高温塑性好，间隙杂质含量低时可作超低温材料。第三节钛及钛合金的焊接二、 钛及钛合金的焊接性 钛及钛合金的焊接性主要表现出如下一些特点：(1)化学活性大钛及钛合金不仅在熔化状态，即使在400以上的高温固态，也极易被空气、水分、油脂及氧化皮等污染。为了避免氧、氮、氢及碳对焊接接头性能的影响，并防止气孔产生，焊接时对熔池、焊缝及温度超过400的热影响区都要采取有效的保护措施。(2)热物理性能特殊钛及钛合金熔点高，导热性差，电阻系数大，因此焊接时，焊接接头容易产生过热组织，晶粒变得粗大，尤其是钛合金，易引起塑性降低。(3)冷裂倾向较大钛及钛合金焊接时有时会出现冷裂纹，冷裂纹可在焊后立即产生，也可延迟一段时间后产生。第三节钛及钛合金的焊接(4)易产生气孔在钛及钛合金焊接接头的缺陷中，气孔是最常见的缺陷，约占钛合金焊接缺陷的70%以上。 防止气孔的措施：可在焊前清理焊件及焊丝表面；使用的母材及焊丝的含氢量要降低；氩弧焊时氩气的纯度要提高(如9999%)；焊接时适当增大焊接线能量，采用慢焊速、薄焊层进行焊接等。(5)变形大由于钛的弹性模量约为不锈钢的1/2，在同样的焊接应力作用下，钛及钛合金的焊接变形量比不锈钢约大1倍，焊后矫正困难。第三节钛及钛合金的焊接二、 钛及钛合金的焊接工艺1. 焊前清理（1）焊接环境控制 钛材的焊接场地应为独立区域，焊接应在空气洁净的环境中进行，并应远离通风口或敞开的门窗。承担焊接接头组对的操作人员，必须戴洁净的手套，不得摸触坡口及其两侧附近区域，严禁用铁器敲打钛材表面及坡口。而在进行焊接作业之前，应进行菲绕琳试验,对焊接环境进行铁离子污染测试.（2） 施焊区域以及焊接材料的清洁 焊接接头的坡口面应采用机械方法加工，在焊接前，坡口及其两侧必须进行严格的清洁处理。打磨建议采用橡胶或尼龙掺合氧化铝的砂轮或不锈钢刷。进行打磨后的表面需要用丙酮彻底清洗，并用干净的白布擦拭干净，保证材料表面清洁干燥。 施焊前，应用蓝点法对焊接坡口以及周边区域进行进一步检测，如果滤纸立刻呈现蓝色或绿色，则说明该表面存在铁离子污染。则需对焊接环境和钛材表面进行进一步的清理，直到检测为试剂颜色没有明显变色，则为合格。焊接用焊丝的清洁要求与母材相同，每次施焊前必须切除端部被氧化部分。第三节钛及钛合金的焊接第三节钛及钛合金的焊接2. 焊接方法选择 钛及钛合金由于易被氢、氧、氮等杂质污染，从焊接方法看，不适合采用焊条电弧焊、气焊及CO2气体保护焊，目前生产上主要采用氩弧焊、埋弧焊及电子束焊等方法进行焊接。第三节钛及钛合金的焊接3. 焊接工艺要点(1)氩弧焊钛及钛合金焊接应用最广的是手工钨极氩弧焊。 手工钨极氩弧焊时，保护气体氩的纯度对焊接接头的塑、韧性影响很大，因此要求使用高纯度(9999%)的氩气。氩气流量要适当，流量过大或过小都将引起焊缝的塑性急剧下降，在不影响现象的情况下，喷嘴到工件表面的距离越小越好。焊接时，为了防止气体杂质对焊缝区的污染，必须对焊接区温度超过400的区域实施保护，以隔绝空气，通常采用尾随拖罩加背面保护板的方法进行焊接。表9-12钛及钛合金手工钨极氩弧焊工艺参数第三节钛及钛合金的焊接(2)埋弧焊钛及钛合金可以采用埋弧焊进行焊接。表913工业纯钛埋弧焊的工艺参数表9-13工业纯钛埋弧焊的工艺参数