2A12铝合金焊接工艺设计.docx
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2A12铝合金焊接工艺设计
重庆科技学院材料焊接性课程设计材控12-02
第一章
2A12铝合金概述.............................................................................................................
2
第二章
2A12铝合金材料成分和力学性能.................................................................................
2
2.1
2A12铝合金材料成分....................................................................................................
2
2.2
2A12铝合金力学性能....................................................................................................
3
第三章
2A12铝合金材料焊接性分析.........................................................................................
3
3.1
焊缝中的气孔.....................................................................................................................
3
3.1.1
熔焊时形成气孔的原因..........................................................................................
3
3.1.2
防止焊缝气孔的途径..............................................................................................
4
3.2
焊接热裂纹.........................................................................................................................
6
3.2.1
铝合金焊接热裂纹的特点及形成原因..................................................................
6
3.2.2
防止焊接热裂纹的途径..........................................................................................
7
3.3
焊接接头的“等强性”.....................................................................................................
9
3.4
焊接接头的耐蚀性...........................................................................................................
10
3.5
其他焊接缺陷...................................................................................................................
11
第四章
2A12铝合金平板对接焊接工艺...................................................................................
11
4.1
焊前准备和预热...............................................................................................................
11
4.1.1
化学清理................................................................................................................
12
4.1.2
机械清理................................................................................................................
12
4.1.3
焊前预热................................................................................................................
12
4.1.4
垫板........................................................................................................................
12
4.2
焊接方法...........................................................................................................................
13
4.3
坡口设计...........................................................................................................................
14
4.4
焊接材料...........................................................................................................................
15
4.5
焊接参数...........................................................................................................................
15
4.6
焊接变形及控制...............................................................................................................
16
4.焊后处理
..............................................................................................................................
16
4.7.1
清理残渣................................................................................................................
16
4.7.2
焊件的表面处理....................................................................................................
17
4.7.3
焊后热处理............................................................................................................
20
4.8
焊缝的整形和焊缝缺陷的返修.......................................................................................
20
第五章
2A12铝合金平板对接焊缝质量及探伤要求................................................................
20
5.1
表面质量...........................................................................................................................
21
5.2
无损检测（RT）...............................................................................................................
21
第六章
2A12铝合金焊接工艺卡...............................................................................................
22
参考文献.........................................................................................................................................
23
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第一章2A12铝合金概述
2A12（LY12）硬铝合金是一种共晶型高强度硬铝合金，属于Al-Cu-Mg系合
金，2A12是一种极易被氧化的材料，在空气中容易与氧结合生成紧密结实的A12O3
氧化薄膜（厚度约0．1m）。
这些薄膜的熔点高达2050％，密度3．950kg／m～
4．10kg／m，约为铝的1．4倍，它会吸附水分，在焊接过程中形成气孔、夹渣等缺陷，从而降低了焊接接头的力学性能。
可进行热处理强化，在退火和刚淬火状态下塑性中等，电焊焊接良好，用气焊和氩弧焊时有形成晶间裂纹的倾向，在淬火和冷作硬化后的可切削性尚好，退火后可切削性低；抗蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。
由于密度小、强度高、耐蚀性好、无磁性、成形性好以及低温性能好等特点而广泛应用于工业领域。
具有优良的综合力学性能，有利于结构件的轻量化，在航空、航天、舰船制造等
领域。
用于制造各种承受高载荷的零件和结构件，如飞机的骨架、蒙皮、翼肋、
翼梁、隔框零件铆钉等在150℃以下工作的零件。
在制作高载荷零件时有被LC4取代的趋势。
第二章2A12铝合金材料成分和力学性能
2A12铝合金为变形铝合金，属于热处理强化、Al-Cu-Mg系合金。
2.12A12铝合金材料成分
经查标准GB/T3190—1996，2A12铝合金的化学成分具体数值见表1：
2A12（LY12）硬铝合金是一种共晶型高强度硬铝合金，属于Al-Cu-Mg系合
金。
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2.22A12铝合金力学性能
经查标准GB/T3190—1996，2A12铝合金的化学成分具体数值见表2：
表22A12
铝合金的力学性能
材料状态
抗拉强度
屈服强度
伸长率
断面收缩率
硬度
σs/MPa
σb/MPa
δ（%）
Ψ（%）
HBW
淬火+自然时效
470
330
17
30
105
退火
210
110
18
55
42
包铝的，淬火+自然时效
430
300
18
—
105
包铝的，退火
180
100
18
—
42
第三章2A12铝合金材料焊接性分析
2A12（LY12）是典型的硬铝合金，合金系统是：
Al—Cu—Mg，它的焊接性较
差。
3.1焊缝中的气孔
2A12铝合金熔焊时最常见的焊接缺陷就是焊缝气孔。
3.1.1熔焊时形成气孔的原因
氢是铝及铝合金熔焊时产生气孔的主要原因，氢的来源是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材表面氧化膜所吸附的水分对焊缝气孔的产生有重要的影响。
由于液态铝合金溶解氢的能力很强，在凝固过程中氢来不及析出而聚集在焊缝中形成气孔。
（1）弧柱气氛中水分的影响。
弧柱气氛中的氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝中的溶
图3-1氢在铝中的溶解度
（PH2=101kPa）
解度有很大的关系。
由图3-1可见，平衡条件下氢的溶解度沿图中的实线变化，
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凝固点时可从0.69mL/100g突降到0.036mL/100g，相差约20倍（在钢中只相差不到2倍），这是氢易使铝焊缝产生气孔的重要原因之一。
弧柱空间或多或少存在一定量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，凝固时来不及析出成为焊缝气孔。
这是形成的气孔具有白亮内壁的特征。
MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式通过弧柱落入熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴金属易于吸收氢。
而且在焊接2A12铝合金时保护气体中的含水量也是非常重要的，一般需要小于0.08%才能使焊接时过渡到焊缝中的氢含量更少。
（2）氧化膜中水分的影响。
在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已严格控制，这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。
氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。
因为Al-Mg合金的氧化膜由A12O3和MgO构成，而MgO越多，
形成的氧化膜越不致密，更易于吸附水分；纯铝的氧化膜只由A12O3构成，比较致密，相对来说吸水性要小。
MIG焊时，由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小很多。
（3）焊接方法的影响。
MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡，弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸氢；TIG焊时，主要是熔池金属表面与氢反应，比表面积小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如MIG有利；另外，MIG焊熔池深度大于TIG焊，不利于氢气泡的逸出。
（4）极性的影响。
TIG焊时，直流反接，具有阴极雾化作用，可以避免氢的产生，但钨极易烧损，形成缺陷；正接时无阴极雾化作用，熔深大，对气泡逸出不利，所以采用交流。
MIG焊时，采用直流反接，无阴极雾化作用，也没有钨极烧损。
（5）焊接工艺参数。
焊接规范主要影响熔池在高温的停留时间，从而对氢的溶入时间和析出时间产生影响。
TIG焊时，采用小线能量，采用较大的规范，高的焊速，减少熔池存在时间，减小氢的溶入；MIG焊时，焊丝氧化膜的影响更为显著，不能通过减少熔池时间来防止氢向熔池的溶入，所以通过降低焊速和提高焊接线能量来增大溶池存在时间，有利于减少焊缝中的气孔。
3.1.2防止焊缝气孔的途径
防止焊缝中的气孔可从两方面着手：
一是限制氢溶入熔融金属，或者是减少
氢的来源，或者减少氢与熔融金属作用的时间（如减少熔池熙吸氢时间）；二是
尽量促使氢自熔池逸出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出，这就要改
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善冷却条件以增加氢的逸出时间（如增大熔池析氢时间）。
（1）减少氢的来源。
使用的焊接材料（包括保护气体、焊丝、焊条等）要
严格限制含水量，使用前需干燥处理。
一般认为，氩气中的含水量小于0.08％时不易形成气孔。
氩气的管路也要保持干燥。
焊前处理十分重要。
焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除，采用化学方法或
机械方法均可，若两者并用效果更好。
（2）控制焊接参数。
焊接参数的影响可归结为对熔池高温存在时间的影响，也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响。
熔池高温存在时间增长，有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶入；繁殖，熔池高温存在时间减少，可减少氢的溶入，但也不利于氢的逸出。
焊接参数不当时，如造成氢的融入量多而又不利于逸出时，气孔倾向势必增大。
在MIG焊条件下，焊丝氧化膜的影响更明显，减少熔池存在时间，难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入。
因此希望增大熔池
时间以利气泡逸出。
TIG焊：
小热输入---减少熔池存在时间---减少氢的溶入同时为保证根部熔
透，需用大电流，所以应：
大电流，大的焊接速度。
如图5-2所示为TIG焊时焊
接参数对焊缝中扩散氢[H]的影响。
MIG焊：
水分主要来自氧化膜---增大熔池存在时间---气泡析出，所以应：
大电流，小的焊接速度，必要时进行预热。
如图5-3所示为MIG焊焊接参数对焊缝气孔的影响。
图3-2TIG焊焊接参数对焊缝中扩散氢[H]的影响图3-3MIG焊焊接参数对焊缝气孔的影响
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3.2焊接热裂纹
纯铝和非热处理强化铝合金（如Al-Mn、Al-Mg合金等），一般是不容易产生
裂纹的。
而硬铝及大部分热处理强化铝合金，产生裂纹的倾向较大。
对含有铜的硬铝（Al-Cu-Mg）和超硬铝（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很难用
熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头，所以一般不能选用熔焊方法制造硬铝和超硬
铝焊接结构。
2A12铝合金属于硬铝，在焊接时，常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹（图
3-4）和近焊缝液化裂纹（图3-5）。
并且2A12铝合金的热裂纹倾向很大，在焊
接过程中最重要的就是防止热裂纹的产生。
图3-4铝合金接头中的结晶裂纹图3-5铝合金接头热影响区中的液化裂纹
3.2.1铝合金焊接热裂纹的特点及形成原因
2A12铝合金属于共晶型合金。
从理论上分析，最大裂纹倾向与合金的“最大凝固温度区间”相对应。
但是，由平衡状态图得出的结论与实际情况有较大的出入。
在焊接过程中生成的二次相α-Al+S及α-Al+θ共晶组织和杂质，会促使铝合金具有较大的裂纹倾向。
若合金存在其他元素或杂质时，还可能形成三元共晶，其熔点比二元共晶更低一些，凝固温度区间也更大一些。
易熔共晶的存在，是铝合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一。
铝的线膨胀系数比钢约大一倍，而凝固时的收缩率又比铁大两倍，当成分中的杂质超过规定范围时，在熔池中将形成较多的低熔点共晶。
两者共同作用的结果，在焊缝中就容易产生热裂纹。
在铝的线膨胀系数比钢约大一倍时，并且拘束条件下焊接时易产生较大的焊接应
力，也是促使铝合金具有较大裂纹倾向的原因之一。
关于易熔共晶的作用，不仅要看其熔点高低，更要看它对界面能量的影响。
易熔共晶成薄膜状展开于境界上时，促使晶体易于分离，而增大合金的热裂倾向；
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若成球状聚集在晶粒间时，合金的热烈倾向小。
近缝区“液化裂纹”同焊缝凝固裂纹一样，也与晶间易熔共晶有联系，但这种易熔共晶夹层并非晶间原已存在的，而是在不平衡的焊接加热条件下因偏析而形成的，所以称为晶间“液化裂纹”。
（1）液化裂纹产生原因。
如图3-6所示，在母材的热影响区中，成分为XC的铝
合金在平衡状态下，t1温度下组织为+，
t2时中的组元开始向固溶体溶解，t3时
全部转化为
固溶体。
在焊接快速加热条
件下，在t2
来不及溶解，达不到平衡，
到t3时仍可能为+两相状态，t4时已超过
共晶温度，中的组元还未完全溶入固溶
图3-6
铝合金组织转变图
体，则在和两相界面出现共晶液相，这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜形成“液化裂纹”。
（2）热裂纹的形成原因。
1）拘束度的影响；
2）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状晶之间产生成分偏析，导致容易产
生裂纹；
3）材料因素的影响：
a）铝合金为共晶合金，裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系；
2A12铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度（xm）：
Al-Cu：
xm=2%Cu
b）线膨胀系数大，是钢的1倍，在拘束条件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂纹倾向；
c）铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，容易偏析。
3.2.2防止焊接热裂纹的途径
母材的合金系对焊接热裂纹有重要的影响。
在焊接中获得无裂纹的铝合金接
头并同时保证各项使用性能要求是很困难的。
例如，硬铝和超硬铝就属于郑重情
况。
即使对于纯铝、铝镁合金等，有时也会遇到裂纹问题。
对于焊缝金属的凝固裂纹，主要是通过合理确定焊缝的合金成分，并配合适
当的焊接工艺来进行控制。
（1）合金系的影响。
在铝中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素可获得不
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同性能的合金，但是对于裂纹倾向大的硬铝之类高强铝合金，在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性，往往成效不大。
生产中不得不采用ωSi=5%的Al-Si合金焊丝（4A01）来解决抗裂纹问题。
因为可以形成较多的易熔共晶，流动性好，具有很好的“愈合”作用，有很高的抗裂性能，但强度和塑性不理想，不能达到
母材的水平。
（2）焊丝成分的影响。
不同的母材配合不同的焊丝。
如果采用成分与母材
相同的焊丝时，具有较大的裂纹倾向，不如改用其他合金组成的焊丝。
例如采用Al-5%Si焊丝（国外牌号4043）和Al-5%Mg焊丝（5A05或5556）的抗裂效果是较好。
Al-Zn-Mg合金专用焊丝X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）也具有相当高的抗裂性能。
图3-7母材与焊丝组合的抗热裂性试验
（括号中数字为母材代号，无括号的数字为焊丝代号）
所以本次2A12铝合金采用Al
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