铝及铝合金的材料及焊接性.docx

一、铝及铝合金的分类、成分和性能
（1）铝及铝合金的分类。
铝是银白色的轻金属，纯铝的熔点660℃，密度2.7g/cm3。工业用铝合金的熔点约566℃。铝具有热容量和熔化潜热高、耐腐蚀性好，以及在低温下保持良好的力学性能等特点。
铝及铝合金可分为工业纯铝、变形铝合金（分非热处理强化铝合金、热处理强化铝合金两类）和铸造铝合金。变形铝合金是指经不同的压力加工方法（经过轧制、挤压等工序）制成的板、带、棒、管、型、条等半成品材料，铸造铝合金以合金铸锭供应。铝合金分类及性能特点见表1-1。

按GB/T 3190—1996和GB/T 1674—1996的规定，纯铝和铝合金牌号命名的基本原则是：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。四位字符牌号的第一位、第三位、第四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母（如“A”）。纯铝编号系统的第一位为“1”，如1xxx或1Axx，最后两位数字表示铝的纯度。2xxx为Al-Cu系；3xxx为Al-Mn系；4xxx为Al-Si系；5xxx为Al-Mg系；6xxx为Al-Mg-Si系；7xxx为Al-Zn系；8xxx为AI-其他元素系；9xxx为Al-备用系。我国变形铝合金的牌号表示法与国际上的通用方法基本一致。
①工业纯铝。工业纯铝含铝99%以上，熔点660℃，熔化时没有任何颜色变化。表面易形成致密的氧化膜，具有良好的耐蚀性。纯铝的导热性约为低碳钢的5倍，线胀系数约为低碳钢的2倍。纯铝强度很低，不适合做结构材料。退火的铝板抗拉强度为60~100MPa,伸长率为35%~40%。
②非热处理强化铝合金。非热处理强化铝合金通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝，原代号LFxx。Al-Mn合金和Al-Mg合金属于防锈铝合金，不能热处理强化，但强度比纯铝高，并具有优异的抗腐蚀性和良好的焊接性，是目前焊接结构中应用广泛的铝合金。
③热处理强化铝合金。热处理强化铝合金通过固溶、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，熔化焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能（主要是抗拉强度）严重下降。热处理强化铝合金包括硬铝、超硬铝、锻铝等。
a.硬铝。硬铝的牌号是按铜的增加的顺序编排的。铜是硬铝的主要成分，为了得到高的强度，铜含量一般应控制在4.0%〜4.8%范围。锰也是硬铝的主要成分，主要作用是消除铁对抗蚀性的不利影响，还能细化晶粒、加速时效硬化。在硬铝合金中，铜、硅、锰等合金元素能形成固溶于铝的化合物，从而促进硬铝合金热处理强化。
退火状态下硬铝的抗拉强度为160~220MPa,经过淬火及时效处理后抗拉强度增加至312~460MPa。但硬铝的耐蚀性能差。为了提高合金的耐蚀性，常在硬铝板表面覆盖一层工业纯铝的保护层。
b.超硬铝。合金中锌、镁、铜的平均总含量可达9.7%~13.5%,在当前航空航天工业中仍是强度最高（抗拉强度达500~600MPa）和应用最多的一种轻合金材料。超硬铝的塑性和焊接性差，接头强度远低于母材。由于合金中锌含量较多，形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大。
C.锻铝。锻铝具有良好的热塑性（原代号LDxx）。其铜含量越少热塑性越好，适于作铝合金锻件用。具有中等强度和良好的抗蚀性，在工业中得到广泛的应用。
铝及铝合金的新旧牌号对照见表1-2。

铝锂(Al-Li)合金是近代铝合金的一个重大发展。这些低密度的铝锂合金是为了取代常规铝合金，减轻飞机质量，节约燃料而开发的。用铝锂合金替代常规铝合金可使结构质量减轻10%-15%,刚度提高15%~20%，适于用作航空航天结构材料。20世纪70-80年代，能源危机给航空业带来的压力推动了铝锂合金的发展，提出用新的Al-Li合金取代传统高强度2000和7000系列铝合金的目标。80年代以后又开发了高强度的Al-Li-Cu和Al-U-Cu-Mg合金系并获得应用。
（2）铝合金的性能及应用。
铝及其合金具有独特的物理化学性能。铝具有许多优良的性质，包括密度小、塑性好、易于加工、抗腐蚀性好等。在空气或硝酸中，铝表面会形成致密的氧化铝薄膜，可保护内部不受氧化。铝的导电率高、导电性好，仅次于金、银、铜，居第4位。
铝具有面心立方结构，无同素异构转变，无“延-脆”转变，因而具有优异的低温韧性，在低温下能保持良好的力学性能。铝及铝合金塑性好，可以承受各种形式的压力加工，很容易加工成形，它可用铸造、轧制、冲压、拉拔和滚轧等各种工艺方法制成形状各异的制品。铝及铝合金容易机械加工，且加工速度快，这也是铝制品零部件得到大量应用的重要因素之一。
经过冷加工变形后铝的强度增高，塑性下降。当铝的变形程度达到60%~80%时，抗拉强度可达150~180MPa,而伸长率下降至1%〜1.5%。因此可以通过冷作硬化方法来提高铝的强度性能。经过冷作硬化的铝材，在250~300℃温度区间可以引起再结晶过程，使冷作硬化消除。铝的退火温度为400℃，经过处理的铝称为退火铝或软铝。
铝及铝合金还具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度（强度/密度）。与各种金属相比，铝在大气中的抗腐蚀性能很好。这是由于铝比较活泼，与空气接触时，表面生成的难熔氧化铝比较致密，从而保护铝材不被继续氧化。
工业纯铝主要用于不承受载荷，但要求具有某种特性（如高塑性、良好的焊接性、耐腐蚀性或高的导电、导热性等）的结构件，如铝箔用于制作垫片及电容器，其他半成品用于制作电子管隔离罩、电线保护套、电缆线芯、飞机通用零件、日用器具等。高纯铝主要用于科学研究、化学工业及其他特殊用途。
防锈铝（铝锰合金、铝镁合金）主要用于要求高的塑性和焊接性、在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他深拉制作的小负荷零件等。铝及铝合金被广泛应用于航天、建筑、汽车、机械制造、电工、化工、商业等领域。铝合金在飞机制造中是主要的结构材料，它约占飞机骨架重量的55%,而且大部分关键部件，如涡轮发动机轴向压缩机叶片、机翼、骨架、外壳、尾翼等是由铝合金制造的。
二、铝及铝合金的焊接性
虽然现在已经应用铝及铝合金焊接许多重要产品，但由于铝及铝合金所具有的独特物理化学性能，给焊接带来了一系列的困难。总的来说，纯铝和非热处理强化的变形铝合金焊接性良好，只是热处理强化的铝合金焊接性稍差。
铝及铝合金的焊接性具体表现如下几点。
（1）极易氧化。
铝和氧的化学结合力很强，极易生成一层氧化铝（Al₂O₃）薄膜包裹在熔滴表面和覆盖在熔池表面，这层氧化铝对焊接有很大的影响。
①氧化铝的熔点高达2050℃,远超过了铝及铝合金的熔点（约660℃），而且致密，它覆盖在熔池表面妨碍焊接过程的正常进行。
②氧化铝妨碍金属之间的良好结合，易产生未熔合、未焊透缺陷。
③氧化铝的密度比铝及铝合金的密度大（约为铝合金的1.4倍），不易从熔池中浮出，容易在焊缝中造成夹渣。
④氧化铝还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。
⑤此外，氧化铝电子逸出功低，易发射电子，使电弧飘移不定而不稳定。
（2）容易产生气孔。
铝及铝合金熔化焊时，气孔是焊缝中另一种最常见的焊接缺陷，尤其是纯铝和防锈铝熔化焊时更容易产生。铝合金焊接时产生的主要气孔是氢气孔，一般不会产生氮气孔、一氧化碳气孔和氧气孔。
氢在高温时能过饱和地溶于液态铝，但几乎不溶于固态铝，结晶过程中大量的氢要从熔池中析出。如果在结晶过程中氢来不及从熔池中析出，大量低氢形成气泡，并且气泡长大，结晶前又来不及从熔池中逸出，便在焊缝中形成气孔。
由于铝及铝合金的比重轻，气泡在熔池里浮升速度较慢，加上铝的导热性很强，熔池凝固快，不利于气泡浮岀，故铝及铝合金焊接时易产生气孔。
（3）热裂倾向。
①铝及铝合金焊接时一般不会产生冷裂纹。
②纯铝及非热处理强化铝合金焊接时很少产生裂纹。
③热处理强化铝合金和高强度铝合金焊接时，热裂倾向比较大，尤其是高强铝合金焊接时更为常见。
（4）需采用大焊接热输入。
铝及铝合金的导热系数、热容量都比钢大(其导热系数为钢的2〜4倍)，在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部，因此，焊接时比钢的热损失大，需要消耗更多的热量，若要达到与钢相同的焊接速度，则焊接热输入需钢的2~4倍。
为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的强热源进行焊接。厚大件需要采用预热等工艺措施。
（5）易烧穿和下塌。
由于铝及铝合金高温强度低，且从固态转变为液态时，没有明显颜色变化，这给操作者带来不少困难，焊接时不容易判断熔池温度，确定接缝的坡口是否熔化，常因温度过高引起溶池金属的下塌或下漏烧穿。
（6）易变形。
铝及铝合金的导热性强而热容量大，焊接时容易变形。
（7）合金元素易蒸发和烧损。
铝合金中一般含有低沸点合金元素如镁、锌、锰等，在焊接电弧的高温作用下，极易蒸发和烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分和性能。为此要注意焊丝的选择。选用能补充镁、锌、锰等合金元素的焊丝。
（8）接头的“不等强”性。
铝及铝合金焊接后，接头的强度和塑性比母材差的现象称接头的“不等强”性。
铝及铝合金在多层焊时，由于没有同素异构转变，焊缝性能不仅得不到改善，还可能发生缺陷的积累，特别是在层间温度过高时，甚至可能促使出现热裂纹。一般来说，焊接热输入越大,焊缝性能下降的趋势也越大。
对于热影响区，无论是非热处理强化铝合金或热处理强化铝合金，主要表现为强化效果的损失，即软化。
①非热处理强化铝合金（如Al-Mg合金）应在退火状态下焊接。
②热处理强化铝合金（除Al-Zn-Mg合金外）无论是在退火状态还是时效状态下焊接，焊后不经热处理，其接头强度均低于母材。