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邮箱项目八有色金属的焊接狭义的有色金属又称为非铁金属,是铁、锰、铬以外所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体(通常大于50%),加入一种或几种其他元素而构成的合金。虽然有色金属只占金属总量的5%左右,但它们性能优异,在工程应用中的重要作用是钢铁或其他材料无法替代的。有色金属及其合金的物理、化学性质和工艺性能等都比较特殊,比常规钢铁材料的焊接更为复杂,这给焊接带来很大的困难。这里主要讨论铝、铜、钛、镍等常用有色金属及其合金的焊接问题。任务一铝及铝合金的焊接【知识目标】铝及其合金的种类、性能特点和主要应用;铝及铝合金的焊接性;铝及铝合金的焊接工艺。【技能目标】能说明铝及铝合金的种类、性能特点和应用场合;会分析铝及铝合金的焊接性;能制定铝及铝合金的焊接工艺。【任务提出】某厂生产一批铝合金油箱如图8-1所示。采用厚度为2mm的5052铝合金制造,油箱筒体纵缝、环缝、注油口坐与筒体焊缝需焊接,请选择焊接方法、焊接材料,并制定合理的焊接工艺。容积400L端面700mm×700mm长度1070mm厚度2mm图8-1铝合金油箱【任务分析】铝合金油箱质量轻,耐腐蚀性好,比钢制油箱寿命长一倍以上,铝可再生且满足环保法规要求使用无铅汽油的问题,目前需求逐年增大。牌号5052属于较常用的铝合金系列,其主要元素为镁,含镁量在3%~5%,又称为铝镁合金(Al-Mg)。其主要特点是密度低,抗拉强度高,延伸率高、耐腐蚀好。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列的铝合金,故常用在航空、船舶方面,在常规工业中应用也较为广泛。油箱体积较大,且铝质材料物理、化学性质特殊,焊接时可能因变形、氧化等导致焊接裂纹、气孔等一些列焊接性问题。【相关知识】一、铝及铝合金的种类、性能特点和主要应用铝是地壳中含量较多的元素之一,其含量达8.8%,居四大金属元素之首,与其他金属材料相比,除了密度小之外,铝几乎具有与铜相当的导电导热性能。由于制铝技术的改进,铝工业以惊人的速度发展,铝的加工技术也有突飞猛进的进步。铝合金因其质量轻、比强度高、低温性能好、可塑性好易于加工及耐腐蚀等特点,在航空航天工业、车辆制造、压力容器及交通运输等领域得到了广泛应用。1.铝及铝合金的分类工业纯铝中铝的质量分数为99.0%~99.8%,还含有少量的Fe和Si及其他杂质。工业纯铝的强度和硬度很低,不适宜作为工程结构材料使用。向纯铝中加入适量Cu、Si、Mg、Zn、Mn等元素(主加元素)和Cr、Ti、Zr、B、Ni等元素(辅加元素)组成铝合金,可提高强度并保持纯铝的特性。加入Cu、Si、Mn、Mg等能提高强度,Si还能提高铸造性能,Mg还能防止海水腐蚀;加Ti能细化晶粒,Ni能提高耐热性。Zn单独加入铝中,在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限,同时存在应力腐蚀开裂、倾向,因而限制了它的应用。在铝中同时加入Zn和Mg,能产生明显的强化作用。如果在Al-Zn-Mg基础上加入Cu元素,形成Al-Zn-Mg-Cu系合金,其强化效果在所有铝合金中最大,也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。因此,在工业上大量使用的是铝合金而非工业纯铝。铝及铝合金的分类方法很多,主要有以下几种分类方法。1)按合金化系列铝及其合金分为工业纯铝(1×××系)、铝铜合金(2×××系)、铝锰合金(3×××系)、铝硅合金(4×××系)、铝镁合金(5×××系)、铝镁硅合金(6×××系)、铝锌镁铜合金(7×××系)、铝锂或铝锡等其他铝合金(8×××系)、备用(9×××系)。2)按成形加工性能不同铝及其合金分为变形铝合金和铸造铝合金。这是最常见也是最基本的分类方法。3)按热处理方式铝合金分为非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。前者只能变形强化,后者既能变形强化,也可热处理强化。4)变形铝合金按使用特性的不同铝及其合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝和特殊铝。其中防锈铝是非热处理强化铝合金,主要是Al-Mn和Al-Mg合金,可通过加工硬化、固溶强化来提高力学性能,特点是强度中等塑性及耐蚀性好,焊接性良好,是焊接结构中常用的铝合金品种。其余热处理强化铝合金是通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能,经热处理后可显著提高抗拉强度,但焊接性较差,熔焊时易产生焊接裂纹,焊接接头力学性能下降。铝及铝合金的分类及性能特点见表8-1。表8-1铝及铝合金的分类及性能特点分类合金名称合金系统性能特点牌号或代号示例变形铝合金非热处理强化防锈铝Al-Mn耐蚀、压力加工、焊接性好、强度较低30033A21Al-Mg耐蚀性比Al-Mn合金差但强度较高,其余同上50525A02热处理强化硬铝Al-Cu-Mg力学性能高、晶间腐蚀倾向严重21242A12超硬铝Al-Zn-Mg-Cu强度最高、耐热性不好、耐蚀性一般、焊接性差70757A09特殊铝Al-Li-Mg-Cu密度更小、强度更高、各向异性严重、焊接性差8090—普通锻铝Al-Mg-Si-Cu耐热性、加工性、铸造性好、强度中等60616A30耐热锻铝Al-Cu-Mg-Fe-Ni铸造性、耐热性更好—2A80铸造铝合金非热处理强化工业纯铝Al耐蚀、导电、导热、焊接性好、强度低10501A50铝硅铸造合金Al-Si铸造性好、熔点低、耐蚀性好、力学性能较低—ZL102铝镁铸造合金Al-Mg力学性能高、耐蚀性好ZL301热处理强化特殊铝硅合金Al-Si-Mg铸造性好、力学性能较高ZL104Al-Si-Cu-MgZL107铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好、强度较高、铸造性和耐蚀性差ZL203铝锌铸造合金Al-Zn铸造性好、热强性不高、耐蚀性较差ZL401铝锡铸造合金Al-Sn疲劳强度高、耐磨、润滑性好—2.铝及铝合金的牌号表示方法按照GB/T3190—2008或GB/T16474—2011的规定,纯铝和铝合金牌号命名的基本原则是:可直接采用国际四位数字体系牌号;未命名为国际四位数字体系牌号的纯铝及其合金采用四位字符牌号。前者只能变形强化,后者既能变形强化,也可热处理强化。铝及铝合金新旧牌号对照见附录二。小知识:铝合金的热处理强化方式与特点(1)固溶强化。纯铝中加入合金元素,形成铝基固溶体,造成晶格畸变,阻碍了位错的运动,起到固溶强化的作用,可使其强度提高。根据合金化的一般规律,形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时,不仅能获得高的强度,而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。Al-Cu、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn等二元合金一般都能形成有限固溶体,并且均有较大的极限溶解度,因此具有较大的固溶强化效果。(2)时效强化。含碳量较高的钢经淬火后立即获得很高的硬度,而塑性则很低。而铝合金刚淬火后,强度与硬度并不立即升高,塑性则非但没有下降反而有所上升。但这种淬火后的合金,放置一段时间(如4~6昼夜后),强度和硬度会显著提高,而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象,称为时效。时效可以在常温下发生称自然时效,也可以在高于室温的某一温度范围(如100~200℃)内发生,称人工时效。由于铝没有同素异构转变,所以其热处理相变与钢不同。铝合金热处理强化的特点,主要是由于合金元素在铝合金中有较大的固溶度,且随温度的降低而急剧减小。铝合金在淬火加热时,合金中形成了空位,故合金元素此时在铝合金中有较大的固溶度,可以得到过饱和的铝基固溶体。而在淬火冷却时,由于冷速快,这些固溶元素来不及移出,便被“固定”在晶体内。Si、Mn在铝中的固溶度比较小,且随温度变化不大,而Mg、Zn虽然在铝基固溶体中有较大的固溶度,但它们与铝形成的化合物的结构与基体差异不大,所以强化效果甚微。因此,二元合金Al-Si、Al-Mn、Al-Mg、Al-Zn通常都不采用时效强化处理。而有些二元合金,如Al-Cu合金及三元合金或多元合金,如Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Si合金等,它们在热处理过程中有明显的溶解度变化和固态相变,则可通过热处理进行强化。1)纯铝牌号纯铝的国际四位字符(带字母者)或四位数字(全数字者)体系牌号,如1A(B)××。其中第一位为1,第二位为英文大写字母A~Y(C、T、L、N、O、P、Q、Z除外)中的一个,第三、四位阿拉伯数字,表示铝的最低质量分数中小数点后面的两位数字。如果第二位为A,则表示原始纯铝,如果第二位是B~Y中的一个字母,则表示原始纯铝的改型(与原始纯铝相比,元素含量略有改变);如果第二位为数字,则表示杂质极限含量的控制情况,如图8-2所示。图8-2纯铝的国际四位字符及四位数字体系牌号的含义例如,1A99表示铝的质量分数为99.99%的原始纯铝;1B97表示质量分数为99.70%的改型纯铝;1235表示对两种杂质极限含量有特殊控制、铝的质量分数为99.35%的纯铝。可以看出,纯铝牌号中最后两位数字越大,纯度越高。常用的纯铝牌号有1A99、1A97、1A95、1A93、1A90、1A85、1080、1060、1050、1375、1200、1035等。2)变形铝合金的牌号变形铝合金的牌号也用四位国际字符体系来表示。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字,第二位为英文大写字母A、B或其他字母(C、T、L、N、O、P、Q、Z除外)。第一位数字为2~9,表示变形铝合金的不同合金系;最后两位数字为合金的编号,没有特殊意义,仅表示同一系列中的不同合金;如果第二位为A,则表示原始合金,如果是B~Y的其他字母,则表示原始合金的改型合金;如果第二位为数字,则表示对合金的修改,0表示原始合金,1~9表示改型合金。如图8-3所示。例如,2A11表示铝铜原始合金;5A05表示铝镁原始合金,5B05表示铝镁改型合金铝,5052表示铝镁原始合金。图8-3铝合金的国际四位字符及四位数字体系牌号的含义3.铝及铝合金性能特点及主要应用常见铝及铝合金的分类铝为银白色金属,纯铝的熔点为660℃,密度2.7g/cm3,面心立方晶格,无同素异构转变。工业用铝合金的熔点随所含合金元素的不同,在482~660℃之间变化,铝及铝合金从常温到熔化没有颜色变化。几种铝合金与其他金属的性能比较见表8-2。铝及各类铝合金的主要应用见表8-3。表8-2几种铝合金与其他金属的性能比较表8-3铝及各类铝合金的主要应用金属名称密度/(g/cm3)热导率(25℃)/[W·(m·K)-1]线胀系数/(10-6·℃-1)比热容/J(g·℃)-1熔点/℃抗拉强度Rm/MPa延伸率1.6mm(1/16in)纯铝2.7022223.20.9466075122024(2A12)2.8215123.20.88500~6354702030032.7316323.20.89643~6541601250522.7213823.80.90607~6501951260612.7016723.60.90580~6503101270752.8213323.60.89475~63557211镁1.7415626.00.286491607钛TC44.55410.80.13166089510铜8.539717.20.39108319530黄铜65/358.9292.817.80.3795029040低碳钢207.8546.412.20.461400~1500253~50024不锈钢3047.9316.217.20.451399~145552040金属名称用途1系纯铝含铝99.00%以上,导电性较好,耐腐蚀性能好,焊接性能好,强度低,不可热处理强化。应用范围:高纯铝(含铝量99.9%以上)主要用于科学试验,化学工业及特殊用途。1000系列铝合金代表如1050二、铝及铝合金的焊接性特点随着科学技术以及工业的飞速发展,各行各业对铝合金焊接结构件的需求日益增多。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展,同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域,铝合金的焊接技术成为热点之一。与其他金属相比较,铝及铝合金具有独特和优异的物理特性、化学特性、力学特性及工艺特性,但正是这些特性却给其焊接带来以下工艺难点。1.易氧化形成夹渣、未熔合、未焊透铝化学性质活泼,在空
本文标题:项目八有色金属的焊接-铝合金
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