3003铝合金薄板焊接

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-3003铝合金板焊接分析3003铝合金板为AL-Mn系合金，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度不高（稍高于工业纯铝），不能热处理强化，故采用冷加工方法来提高它的力学性能：在退火状态有很高的塑性，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好，可切削性能不良。用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1XXX系合金强度高的工作，如厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐，以薄板加工的各种压力容器与管道。1化学成分合金的化学成分（质量分数/%）合金SiFeCuMnZnAl3003Al0.600.70(0.05-0.20)(1.0-1.5)0.10余量2力学性能抗拉强度Ϭb(MPa)：140-180条件屈服强度Ϭ0.2(MPa)≥1153化学性能耐蚀性：3003铝合金的耐蚀性很好，接近工业纯铝的耐蚀性，对大气、淡水、海水、食品、有机酸、汽油、中性无机盐水溶液等均有良好的耐蚀性，在稀酸中的耐蚀性也很好。在冷变形状态时，3003铝合金有剥落腐蚀倾向，变形越大，剥落越严重。由于阳极氧化后色彩不均匀，故一般不进行阳极化处理4铝及铝合金的焊接特点（1）铝的强氧化能力铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“.-- -阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。（2）较大的热导率和比热容铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的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，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，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，有时也可采用预热等工艺措施。（3）较大的线膨胀系数铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi條(硅含量4.5％～6％)焊丝会有更好的抗裂性。（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。（5）容易形成气孔铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。（7）接头不等强度铝及铝合金的热影响区由于受焊接热循环作用而发生软化，强度降低，使接头与母材金属无法达到等强度。工业纯铝及非热处理强化铝合金的强度约为母材金属的75%~100%；热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材金属的40%~50%。（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。5焊接方法.-- -对于厚度为3mm的铝合金板，可采用摩擦焊、激光焊、电子束焊等等。（1）铝合金的搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊FSW(FrictionStirWelding)是由英国焊接研究所TWI(TheWeldingInstitute)1991年提出的新的固态塑性连接工艺[1-2]。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3]。工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2为搅拌摩擦焊接过程[4]。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(Al-Zn)、8000系列(Al-Li)等。国外已经进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20m的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。图（1）搅拌摩擦焊接示意图.-- -图（2）搅拌摩擦焊接过程搅拌摩擦焊铝合金的优点:①铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。②与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。③焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。④与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48h内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板;③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除;④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。.-- -（2）铝合金的激光焊接铝及铝合金激光焊接技术(LaserWelding)是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。激光焊接铝合金有以下优点:①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X射线⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。现在应用的激光器主要是CO2和YAG激光器,CO2激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3为激光焊接时的小孔形状。图4为激光深熔焊示意图[5]。铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2激光束(波长为10.6μm)表面初始吸收率1.7%;对YAG激光束(波长为1.06μm).-- -吸收率接近5%。图5为不同金属对激光的吸收率。由于吸收率小,热导率高,在实际铝合金焊接过程中,一定要保证良好的光束聚焦,同时还要用高功率密度的高能激光束进行照射。铝合金激光焊接时,产生深熔焊,激光功率必须达到一个特定的阈值,这就对激光器提出一定的要求,也是激光焊接的一个难点。铝合金的电离能低,部分牌号焊接过程中光致等离子体易于过热和扩散,焊接稳定性差。焊接铝合金就一定要求激光束的能量密度高和光束的聚焦性能好。铝合金又是典型的共晶合金,在激光焊接的快速凝固过程中更容易产生热裂纹。激光焊接熔池深宽比大,气泡不易上浮析出,容易产生气孔[6]。液态铝合金的流动性好,表面张力低,焊接过程的不稳定造成焊接熔池剧烈震荡,易产生咬边、成形不连续,严重时造成焊接过程中的小孔突然闭合而在焊缝中产生直径较大的工艺孔洞(ProcessHoles),或小孔在闭合前由向外喷发的等离子体将液态金属吹出熔池而形成所谓的喷射孔洞(Blowholes)[7-8]。图（3）激光深熔化焊图（4）不同金属对激光的吸收率(3)铝合金的电子束焊接.-- -电子束焊是指在真空环境下,利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能,使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接,由于能量密度高可大大减小热影响区,提高焊接接头强度,避免热裂纹等缺陷的产生。由于能量密度高,穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。①同传统电弧焊接铝合金相比,电子束焊能量密度高3-4个数量级,与另外一种高能量密度焊接工艺——激光焊接相当。因此焊接接头的热影响区非常小,接头强度较传统焊接方法提高很多。②电子束的穿透性能好,可对大厚度的铝合金进行施焊,焊后接头力学性能良好。铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加[13]。所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多,一般要比氩弧焊焊缝高出1-1.5倍。③铝合金电子束焊焊后残余应力小,变形小,对薄板焊后几乎可做到不变形。④电子束焊要求在真空条件下完成,真空是最好的保护手段,在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属,避免了空气或保护气体的污染。电子束焊接铝合金在真空重熔时,焊缝中杂质含量微乎其微,焊缝气体含量降低接近一半,从而焊缝塑性、韧性大大提高。⑤电子束可控性好,可以方便地进行扫描、偏转、跟踪等,易于焊接过程的自动化,并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷,提高接头质量[14]。电子束焊接获得优良的焊缝的最有效方法是焊接过程中同时对刚刚焊过的焊缝进行扫描。回扫间距决定晶粒细化的可控程度,凝固组织可由粗大的柱状晶转化为细小等轴晶。对AlMg0.4Si1.2合金进行扫描焊接与无扫描焊接相比,晶体主轴长度减少到无扫描焊接时的1/5;焊缝硬度提高80%,接近母材水平。铝合金焊缝金属晶粒细化程度对接头性能有重要影响。采用具有回扫运动的电子束扫描焊接,可减少合金元素的损失,细化焊缝组织,使之变为细小的等轴晶,并提高硬度。对于已经成核生长的晶体,如果电子束扫描间距过小在电子束扫描时产生重熔,但导致电子束回扫细化晶粒的作用减弱[15]。图6为晶体主轴长度与焊缝金属硬度的关系,图7为扫描频率fs和焊接速度v、焊缝金属晶体主轴长度L的关系。①铝合金电子束焊时对电子束流非常敏感,尤其是对于大厚度铝合金板焊接时,电子束流小时不能焊透,大时产生下塌,出现凹坑。①.-- -铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔。铝合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3和MgO,容易吸收大量的水分是铝合金焊缝中气孔的主要来源。铝合金表面氧化膜比重接近基体,容易进入焊缝产生夹杂、气孔。尤其是防锈铝合金电子束焊,气孔问题较为严重。传统TIG焊铝合金时通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下进行焊接,促使氢从熔池中逸出,而电子束焊接铝合金时速度快,热输入量小,氢来不及从熔池中逸出,容易形成气孔。通常电子束焊铝合金采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生。③另外,电子束焊接要求在真空条件下进行,所以对铝合金大型结构件施焊困难。④电子束易受周围环境电磁场的影响,设备比较复杂,费用比较昂贵,所以还没有达到大规模工业化生产。图（5）晶体主轴长度与焊缝金属硬度的关系图（6）焊缝金属晶体主轴长度L与扫描频率f和焊接速度v的关系.-- -6焊接工序对3003铝合金板采用搅拌摩擦焊，焊接工艺的基本内容包括:焊前清理、焊前检验、焊接材料、焊接参数、焊后检验。焊前准备：在试验之前对3003铝合金板进行处理，先用400号碳化硅砂纸打磨，保持铝合金表面光洁，之后用丙酮去除表面油污，再用15%的NaOH溶液处理，温度为50~60℃，时间为15s左右，然后用清水清洗，再用1∶3的稀硝酸溶液处理，时间约为10s左右，最后依次用清水、乙醇清洗，自然晾干备用。焊前检验：主要是对焊前准备的检查，是贯彻预防为主的方针，最大限度避免或减少焊接缺陷的产生，保证焊接质量的积极有效措施。焊接材料：无需焊条、焊剂等。焊接参数：旋转速度R、焊接速度V、焊接压力P、搅拌头倾角等。焊后检验：对焊缝进行X射线无损检测，评定是否有焊接缺陷、质量问题。参考文献　1　ThomasWM.Frictionstirbuttwelding.InternationalPatentApplicationNo.PCT/GB92/02203andGBPatentNo.5460317.　2　DawesCJ.Anintroductiontofrictionstirweldinganditsdevelopment.WeldingMetalFabrication.1995,63(1):13~16　3　彭成章,周鹏展,黄明辉.2024铝合金的搅拌摩擦焊接工艺及显微组织.湘潭矿业学院学报,2002,17(6)　4　赵家瑞.摩擦搅拌焊新工艺发展与应用.电焊机,2000,30(12):9~11　5　李志远,钱乙余,张九海等.先进连接方法.北京:机械工业出版社.2000:1~69　6　KtsunaM,QuYan.Studyonporosityformationinlaserweldsinaluminumalloys(report1):effectsofhydrogenandalloyingelements.WeldingInternatinal,1998,12(2)　7　MatsunawaA,KatayamaS.CO2laserweldabilityofaluminiumalloys(report1):effectofweldingconditiononmeltingcharacteristics.WeldingInternational,1998(12):519~529　8　肖荣诗,陈　铠,左铁钏.高强度铝合金激光焊机新进展,应用激光,2002,22(2):206~208　9　WalduckRP,BiffinJ.Plasmaarcaugmentedlaserwelding.Welding&MetalFabrication,.--