综合实验论文————铝及铝合金薄板的焊接工艺设计指导教师：郑曙阳姓名：马延帅学号：080301111学院：材料与化工学院二零一一年十一月五日摘要铝及铝合金具有优异的物理特性和力学性能，其密度小，比强度高，热，电导率高，耐腐蚀能力强，被广泛应用于汽车水箱的焊接结构上。

长期以来，由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当，严重影响了汽车水箱的焊接质量。

本文通过对焊接位置、焊缝坡口、工装、机械加工工艺措施的分析比较，提出了一套符合汽车水箱焊接的工艺方案，较好地解决了存在的问题。

‘关键词：钨极氩弧焊；焊缝质量；目录1.实验材料及试验方法-----------------------------------------------------1 1.1实验材料及焊接参数的选择---------------------------------------11.2金相试样的制备------------------------------------------------------22.试验数据及试验结果-----------------------------------------------------3 2.1金相图及其组织------------------------------------------------------32.2拉伸试验---------------------------------------------------------------53.试验数据分析--------------------------------------------------------------6 3.1力学性能的分析------------------------------------------------------7 3.2金相组织的分析------------------------------------------------------83.3焊接缺陷的分析------------------------------------------------------84.试验结论及建议-----------------------------------------------------------9 4.1实验结论---------------------------------------------------------------94.2建议---------------------------------------------------------------------95.致谢-------------------------------------------------------------------------106.参考文献-----------------------------------------------------------------11引言铝及铝合金具有优异的物理特性和力学性能，其密度小，比强度高，热，电导率高，耐腐蚀能力强，被广泛应用于汽车水箱的焊接结构上。

铝铜合金也称硬铝合金，可热处理时效强化，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能，因此铝铜合金是工业中应用广泛的金属结构材料之一。

在铝铜系列合金中，多数合金的焊接性能不良，焊接接头强度系数仅为母材的60%，严重制约了铝铜合金在工业中的进一步应用。

LY12铝合金是一种高强、耐热、焊接性相对较好的铝合金，由于国内对其焊接性能研究较少，其主要作为优良的贮箱结构材料，因此，研究LY12铝合金焊接接头组织与性能，有利于进一步扩展LY12铝合金的应用范围。

1.实验材料及试验方法1.1试验材料及参数选择实验材料为板厚6mm 的硬铝L Y12合金，选用铝镁5钛焊丝，焊接设备选择手工钨极氩弧焊，焊接电流选择150A,焊前将材料进行机械打磨取出氧化膜，采用对焊焊缝，V 型坡口，焊后将试样打磨成拉伸试验试样，做拉伸试验。

再将试样焊缝处取一块下来进行处理，做金相图。

（1） 焊接设备：本实验采用的焊接设备是手工钨极氩弧焊，其优点在于设备简单，操作起来方便灵活，适用于焊接薄板，变形小，气孔率低，质量好，要求严格的产品。

（2） 焊丝：本实验选用铝镁5钛焊丝，其优点在于，因为汽车水箱的工作环境恶劣，容易被腐蚀，所以要求水箱具有一定的抗腐蚀能力，而铝镁5钛焊丝中含有Mn 元素的Cr 元素均可以提高焊缝的抗腐蚀能力，再加上其成分和母材相近，符合焊丝的选取原则。

（3） 焊接电流：焊接电流选用交流，优点：在负半波时相当于直流反接，焊接母材处发射电子，而金属氧化物有比母材容易失去电子，所以可以起到去除氧化物的作用；而在正半波时相当于直流正接，可以避免钨极过热引起的焊缝夹钨。

1.2金相试样的制备金相试样的制备包括取样，磨光，抛光，清洗及侵蚀等。

取样：在做完拉伸试验后将焊缝及离焊缝5cm内的部分用锯弓据下来，作为金相试样。

磨光：将金相试样用240号,800号,1000号的砂纸进行粗磨，细磨，精磨。

砂纸的号数越大砂纸越细，号又称为目。

号是指磨料的粗细及每平方英寸的磨料数量,号越高,磨料越细,数量越多。

目数的含义是在1平方英寸的面积上筛网的孔数，也就是目数越高，筛孔越多，磨料就越细，目是一个单位，定义为：每平方英寸面积上有256个眼，每一个眼就叫一目。

所以目数越大，眼就越小。

抛光：将磨光过的金相试样在抛光机上进行抛光，直到试样上看不到划痕为止。

侵蚀：用无水酒精清洗后吹干，再用4％的硝酸溶液进行腐蚀3秒后拿出吹干。

2.实验数据及结果2.1金相图及组织图2-1 焊缝区图2-2 热影响区图2-3 热影响区图2-4 母材（过时效）表2.1 试样上各部分的组织做完拉伸试验对焊缝的断口进行分析，下图为焊缝断口的微观和宏观照片，从断口上看，断裂处没有明显的伸长区，所以应该属于脆性断裂。

图5 断口微观照片图6 断口宏观照片2.2拉伸数据拉伸试验材料名称：L Y12铝合金试验温度：20°C实验湿度：20﹪标距：50mm试验速度：15mm／Min表2.2焊缝力学性能试样号面积最大载荷抗拉强度断裂强度断裂伸长屈服强度弹性模量1 90 9539.95 83.77 83.77 8.96 143 平均值90 9539.95 83.77 83.77 8.96 143图2.2 拉伸试验加载过程图3.试验分析3.1力学性能分析从力学性能分析，L Y12铝合金母材的抗拉强度为415-435Mpa，屈服强度为275-280Mpa，和表2.2比较可知焊缝的抗拉强度和屈服强度均低于母材，从图6焊缝断口宏观照片上可以明显的看到，断口分为两个区域，一部分为亮白的金属光泽区，令一部分是暗色的未熔合区域，而未熔合区的存在减小了拉伸试样的有效承载面积，从而导致焊缝的综合力学性能均低于母材。

未熔合区是指焊缝金属与集体母材或相邻焊道间及焊缝层间的局部残留间隙。

未熔合区的产生一般是由于焊前对接头的清理不够彻底，本次试验出现未熔合区主要是因为采用了双面焊，而在焊完一面焊另一面时对焊缝未进行清理。

3.2金相组织分析从金相组织图上分析，对于L Y12铝合金而言，其强化相主要是沉淀强化相Ɵ（CuAl2）相及S（CuMgAl2）相。

在图1，图2，图3，图4可以看出从焊缝区到母材其组织中得S（CuMgAl2）相逐渐减少，意味着越靠近焊缝区S相及Ɵ相的沉淀强化效果越强，其强度就越高。

3.3焊接缺陷分析（1）氧化铝与氧具有很强的亲合力, 在空气中极易氧化, 生成一层很薄的氧化铝膜。

由于氧化铝的熔点高、比重大、导电性差, 焊接时电弧燃烧不稳定, 不利于填充金属与熔池的熔合, 易产生夹杂等缺陷, 影响焊缝质量。

另外, 氧化膜具有很强的吸附水分的能力, 在高温下水分分解出的氢气是造成焊缝气孔的气体主要来源。

为此, 工件与焊丝表面的氧化膜在焊前必须彻底清除, 并要保证在焊接过程中不再或尽量少生成. 也可在焊接过程中, 借助焊剂清除。

（2）气孔气孔是铝及铝合金焊接时常见的缺陷之一, 通常分为集中气孔和分散气孔两种。

不论哪种气孔, 都不同程度地降低焊缝的强度、塑性和抗蚀性等。

氢是产生焊缝气孔的主要原因。

在焊接过程中, 氢溶解于熔池金属中, 随着温度的升高, 溶解度随之增加. 当熔池冷却时, 溶解度随之降低. 在熔池结晶时, 溶解度发生突变, 几乎降低了20倍。

这时溶池中的氢处于过饱和状态,随着结晶过程的进行, 过饱和的氢由熔池中析出, 并在一些结屏缺陷处聚集形成气泡。

当熔池结品速度较慢时, 所生成的气泡可以浮出, 则不会形成气孔，当熔池结晶足够快速, 气泡来不及形成时, 同样也不会生气孔，只有当气泡形成后, 又来不及浮出, 被留在焊缝中,从而形成气孔。

本次试验中焊缝区金相组织图片上有一些小坑，这些小坑是氢气孔，氢气孔的存在降低了焊缝的强度。

氢气孔的产生是焊接时空气中的氢气在高温时溶于液态熔池，而在焊缝金属冷却过程中由于溶解度降低来不及析出形成。

为了防止气孔可以采取以下措施：①消除氢气来源：严格清除工件与焊丝表面的油污、氧化膜、焊剂要烘干;氩弧焊时要限制氩气的含水量;清洗好的待焊件和焊丝不能放置超过1昼夜。

②选择合理的焊接参数：应该选用较大的焊接电流的较快的焊接速度，以减少熔池的高温停留时间，这样既可以减少氢气的溶入，又可使溶入的氢气来不及形成气泡，从而减少了气孔，此外，大电流可加强电弧吹力，增加熔深，这对防止未焊透和消除坡口表面的气孔是有利的。

（3）裂纹LY12铝合金属于可热处理强化铝合金，而这种铝合金在焊接时容易产生裂纹。

大多数铝合金属于共晶型，决定裂纹产生的主要因素有两个：其一是焊缝金属结晶时脆性温度区间的大小及塑性大小，其二是焊缝金属在脆性温度区间内所承受的焊接应力（主要取决于焊接工艺参数，工件结构和材料性质等），若是焊缝金属在脆性温度区间所承受的焊接应力较大，造成了晶界裂纹而保持下来，就是热裂纹。

（4）其它缺陷铝合金具有高导热性，故要求使用能量集中色的热源，否则易造成未焊透；铝与氧具有很大的亲合力，焊接时极易氧化，生成的氧化膜比重大，熔点高，易造成焊缝夹杂；铝合金在高温时强度很低，很难承受熔池自身的重量，这样就容易造成焊缝的凹陷或穿孔，破坏了焊缝的成型，所以焊接时应该使用垫板衬托。

4.试验结论及建议4.1结论综合上述分析，在保证焊缝处没有缺陷的情况下，LY12的焊接接头的焊缝区强度高于母材，其断裂部位应该在母材部分。

4.2建议如果采用多层焊或者双面焊时，在两次焊接中间应该将焊缝清理干净，避免未熔合区的产生；由于铝合金的热导率高，焊接时为了保证热量集中，应将焊接电流尽量大些，弧长尽量缩短。