【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ...........................................................45 致謝 ...............................................................................................................46 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................47 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁(yè) 第 1 章 緒論 前言 近年來(lái)，鋁合金在汽車(chē)制造、造船業(yè)、國(guó)防和航天航空、容器制造、娛樂(lè)和體育器材業(yè)等制造領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 鋁合金是汽車(chē)上應(yīng)用得最快最廣的輕金屬，其中的關(guān)鍵在于鋁合金本身的性能 優(yōu)越 。由于它具有高強(qiáng)高韌、高比強(qiáng)高比模、耐熱耐蝕等特性一直受到世界各國(guó)的普遍重視 。 美國(guó) 、 德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始生產(chǎn)鋁合金高速客車(chē) 、 地鐵客車(chē)，并取得了巨大的社會(huì)效益。 我國(guó)對(duì)此技術(shù) 研究起步較晚，目前正在加緊這項(xiàng)技術(shù)的研究與試驗(yàn)，并已成功試制成鋁合金高速客車(chē)體。 我國(guó)已經(jīng)建立了比較完整的鋁合金研究和生產(chǎn)體系，鋁及鋁合金材料產(chǎn)能達(dá)到 450 萬(wàn)噸，實(shí)際綜合生產(chǎn)能力約 350 萬(wàn)噸。可生產(chǎn) l8 大類， 200多種鋁合金， 2400 多個(gè)品種， 14000 多種規(guī)格的鋁及鋁合金加工產(chǎn)品，基本能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)需求，但高性能、大規(guī)模航空用預(yù)拉伸鋁合金板、高檔民用板帶箔材如特薄罐用鋁合金板、 PS 基版、高壓電子箔材等都達(dá)不到國(guó)際先進(jìn)水平，尚不能滿足需要我國(guó)高性能鋁合金的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)基本上是跟蹤國(guó)外技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的， 已能生產(chǎn)多種牌號(hào)的高性能鋁合金并用于我國(guó)航空航天工業(yè) [1]。 鋁合金的 概述及 分類 概述 鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最 為 廣泛的一 種 色金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車(chē)、航空、航天、船舶 、機(jī)械制造以 及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。隨著近年來(lái) 工業(yè)經(jīng)濟(jì)及 科學(xué)技術(shù)的飛 速發(fā)展， 工業(yè)上對(duì) 對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求 量 日益增多， 這也促進(jìn)了對(duì) 鋁合金的焊接性研究。鋁 合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)焊接技術(shù)的發(fā)展又?jǐn)U 展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一 [2]。 純鋁的密度?。é?=），大約是鐵 的 1/3，熔點(diǎn)低（ 660℃），鋁是面心立 方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ :32~40%，ψ :70~90%），易于加工，可制成各種型 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁(yè) 材、板材。抗腐蝕性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài)σ b 值約為 8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及 運(yùn)用熱處理等方法來(lái)強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的鋁合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，σ b 值分別可達(dá) 24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值σ b/ρ）勝過(guò)很多合金鋼，成 為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面， 飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板 材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕 50%以上 [3]。 分類 鋁含量不低于 %時(shí)為純鋁，純鋁的性能在大多數(shù)場(chǎng)合不能滿足使用要求。為此，人們?cè)偌冧X中添加各種合金元素，以生產(chǎn)出滿足各種性能和用途的鋁合金。鋁合金可加工成板、帶、條、箔、管、棒、型、線、自由鍛件和模鍛件等加工材，也可加工成鑄件、壓鑄件等鑄造材。加工材和鑄造材又可分為熱處理型鋁合金材料和非熱處 理型鋁合金材料。 變形鋁合金的分類方法很多，目前，世界上絕大部分國(guó)家通常按以下三種方法進(jìn)行分類。 （ 1） 按合金狀態(tài)及熱處理特點(diǎn)分為：可熱處理強(qiáng)化鋁合金和不可熱處理強(qiáng)化鋁合金兩大類。 （ 2） 按合金性能和用途分為：工業(yè)純鋁，光輝鋁合金，切削鋁合金，耐熱鋁合金，低強(qiáng)度鋁合金，中強(qiáng)度鋁合金，高強(qiáng)度鋁合金（硬鋁），超高強(qiáng)度鋁合金（超硬鋁）。 （ 3） 按合金所含主要元素成分分為：工業(yè)純鋁（ 1***系）， AlCu 合金（ 2***系），AlMn 合金（ 3***系）， AlSi 合金（ 4***系）， AlMg 合金（ 5***系）， AlMgSi 合 金（ 6***系）， AlZnMgCu 合金（ 7***系）， AlLi 合金（ 8***系）及備用合金組（ 9***系）。第一位表示其組別，牌號(hào)的第二位表示原始純鋁或鋁合金的改型情況，最后兩位數(shù)字用以標(biāo)認(rèn)同一組中不同的鋁合金或表示鋁的純度 [4]。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁(yè) 鋁合金焊接 鋁合金的焊接特點(diǎn) 鋁合金的焊接特點(diǎn)如下： （ 1） 鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，生成的氧化鋁（ Al2O3）熔點(diǎn)高、非常穩(wěn)定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾 渣、未熔合、未焊透等 缺陷 [5]。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學(xué)或機(jī)械方法進(jìn)行嚴(yán)格表面清理，清除其表面氧化膜 [5~6]。在焊接過(guò)程加強(qiáng)保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)，選用交流電源，通 過(guò) 陰極清理作用，去除氧化膜。氣焊時(shí)，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時(shí)，可加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護(hù)，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)焊，在直流正接情況下，可不需要陰極清理。 （ 2） 鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏 體不銹鋼的十幾倍。在焊接過(guò)程中，大量的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時(shí)，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無(wú)謂消耗于金屬其他部位，這種無(wú)用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時(shí)也可采用預(yù)熱等工藝措施 [7]。 （ 3） 鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲 成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性允許的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金 [8]。在鋁硅合金中含硅 %時(shí)熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動(dòng)性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。 （ 4） 鋁對(duì)光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯的色澤變化，焊接操作時(shí)判斷難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。 （ 5）鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁(yè) 快速冷卻的過(guò)程中，氫來(lái)不及溢出，極易形成氫氣孔?；≈鶜夥罩械乃?、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來(lái)源。因此，對(duì)氫的來(lái)源要嚴(yán)格控制，以防止氣孔的形成。 （ 6）合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。 （ 7）母材基體金屬如為變形強(qiáng)化或固溶時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接熱會(huì)使熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降。 （ 8） 鋁為面心立方晶格，沒(méi)有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過(guò)程中沒(méi)有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過(guò)相變來(lái)細(xì)化晶粒。 因此，鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法 [9～ 10]。 鋁合金的 焊接方法 幾乎各種焊接方法都 可以用于焊接鋁及鋁合金，但是鋁及鋁合金對(duì)各種焊接方法的適應(yīng)性不同，各種焊接方法有其各自的應(yīng)用場(chǎng)合。氣焊和焊條電弧焊方法，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。氣焊可用于對(duì)焊接質(zhì)量要求不高的鋁薄板及鑄件的補(bǔ)焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補(bǔ)焊。惰性氣體保護(hù)焊（ TIG 或 MIG）方法是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊。熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)用越來(lái)越廣泛（氬氣或氬 /氦混合 氣） [11]。 鋁及鋁合金的焊接，必須掌握其焊接特點(diǎn)及可能出現(xiàn)的問(wèn)題，方能選擇合適的焊接方法和相應(yīng)的工藝措施。 (1 ) 鋁及鋁合金具有極易氧化、容易生產(chǎn)氫氣孔、合金元素易蒸發(fā)和燒損的特點(diǎn)，這就要求采用保護(hù)效果好的焊接方法。 (2) 鋁及鋁合金的熱導(dǎo)， 電導(dǎo)性高，熱容量大，焊接時(shí)熱損失大；焊接時(shí)在焊體中會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力的變形，易形成熱裂紋；熱輸入越大焊接后強(qiáng)度、性能降低越嚴(yán)重， 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁(yè) 這就要求采用熱功率大、能量集中的焊接方法 [12]。 傳統(tǒng)的 MIG 焊比較適宜焊接中厚板，它的焊接電流大、電弧熱量集中、功率大、焊 接效率高，生產(chǎn) 效率比鋁及鋁合金手工 TIG 焊至少提高 2～ 3倍，可輕易地進(jìn)行全位置焊接?，F(xiàn)在隨著焊接技術(shù)的提高也能進(jìn)行鋁及鋁合金的薄板焊接。 MIG 焊具有設(shè)備簡(jiǎn)單，熔深大，焊接效率較高，焊接質(zhì)量好，焊接可達(dá)性好，適應(yīng)性好，對(duì)長(zhǎng)、短曲線焊縫都能很好焊接且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前鋁合金的焊接生產(chǎn)尤其是中厚板構(gòu)件的焊接絕大多數(shù)都采用了 MIG 焊，為了減少焊接的熱輸入并有效地利用熱量，主要采用了脈沖 MIG 焊 [6~9]。 焊接材料 的選用原則 焊絲是影響焊縫金屬成分、液相線溫度、 組織、 固相線溫度、焊縫金屬及近縫 區(qū)母材的抗熱裂 性、耐腐蝕性及常溫或高溫低溫下力學(xué)性能的重要因素。當(dāng)鋁材焊 接性不良，出現(xiàn)裂紋，焊接接頭力學(xué)性能不良或者焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂時(shí)，改用 適當(dāng)?shù)暮附z而不改變焊件設(shè)計(jì)和工藝條件常常是必要、可行和有效的技術(shù)措施。所 以本文也通過(guò)相關(guān)的分析手段對(duì)兩種焊絲的焊接接頭進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，以證 明焊絲的選擇和工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)同等重要。鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊 接工藝性能外，按要求應(yīng)使焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、塑性 (通過(guò)彎曲試驗(yàn) )達(dá)到規(guī)定要 求。因而焊絲的選用主要按照下列原則進(jìn)行 ： （ 1） 純鋁焊絲的純度一般不低于母材 。 （ 2） 鋁合金焊絲的化學(xué)成分一般與母材的相應(yīng)或相近 。 （ 3） 鋁合金焊絲中的耐蝕元素 (鎂、錳、硅等 )的含量一般不低于母材的 。 （ 4） 異種鋁材焊接時(shí)應(yīng)按耐蝕較高、強(qiáng)度高的母材選擇焊絲 [3~6]。 此外，焊接鋁鎂合金時(shí)，為彌補(bǔ)焊接過(guò)程中燒損的鎂含量，應(yīng)采用含鎂量比基體 。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 金屬高 1%～ 2%的焊絲。焊絲中常常加入 Ti 用以細(xì)化焊縫金屬的晶粒。焊補(bǔ)鑄鋁的焊絲一般與基體金屬成分相同；鋁及鋁合金在高溫時(shí)強(qiáng)度很低，液態(tài)鋁的流動(dòng)性能好，在焊接時(shí)焊縫金屬容易產(chǎn)生下塌現(xiàn)象。為了保證焊透而又不致塌陷，焊接時(shí)常采用墊板來(lái)托住熔池及附近金屬， 用以控制焊縫根部形狀和余高量。 MIG 焊簡(jiǎn)介 焊的基本概念 熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊，英文縮寫(xiě)為 MIG 焊。使用惰性氣體可以是氬（ Ar）、氦 (He)、或氬與氦混合。因惰性氣體與液態(tài)金屬不發(fā)生冶金反應(yīng)，只起包圍焊接區(qū)使之與空氣隔離作用，所以電弧燃燒穩(wěn)定 ， 熔滴向熔池過(guò)度平穩(wěn)、安定、無(wú)激烈飛濺。這種方法最適用于鋁、銅、鈦等有色金屬的焊接、也可以用于鋼材，如不銹鋼、耐熱鋼等焊接。 其設(shè)備通常由弧焊電源 、 控制箱 、 送絲機(jī)構(gòu) 、 焊炬 、 水冷系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)組成 [13]。 MIG 焊工作原理如圖 11所示。焊 絲由送絲滾輪送進(jìn)，在氬氣的完好保護(hù)下，與工件形成電弧，繼而形成熔池和焊縫，焊絲既是填充金屬，又是電極，而工件同時(shí)也是電極 [14]。 圖 11 MIG 焊工作原理 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) 焊的主要特點(diǎn) MIG 焊適合焊接鋁合金厚板，其主要特點(diǎn)如下： （ 1） 幾乎可以焊接所有的金屬，如鋁 、 鎂 、 銅 、 鈦 、 鎳及其合金，以及碳鋼 、 不銹鋼 、 耐熱鋼等。焊接中氧化燒損極少，只有少量的蒸發(fā)損失，焊接冶金過(guò)程比較單純。 （ 2） 生產(chǎn)率較高 、 焊接變形小。由于是連續(xù)送絲，允許使用的電流密度較高，熔深大，填充金屬熔