鋁及鋁合金的材料及焊接性

一、鋁及鋁合金的分類(lèi)、成分和性能（1）鋁及鋁合金的分類(lèi)。鋁是銀白色的輕金屬，純鋁的熔點(diǎn)660℃，密度2.7g/cm3。工業(yè)用鋁合金的熔點(diǎn)約566℃。鋁具有熱容量和熔化潛熱高、耐腐蝕性好，以及在低溫下保持良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)。鋁及鋁合金可分為工業(yè)純鋁、變形鋁合金（分非熱處理強(qiáng)化鋁合金、熱處理強(qiáng)化鋁合金兩類(lèi)）和鑄造鋁合金。變形鋁合金是指經(jīng)不同的壓力加工方法（經(jīng)過(guò)軋制、擠壓等工序）制成的板、帶、棒、管、型、條等半成品材料，鑄造鋁合金以合金鑄錠供應(yīng)。鋁合金分類(lèi)及性能特點(diǎn)見(jiàn)表1-1。按GB/T3190—1996和GB/T1674—1996的規(guī)定，純鋁和鋁合金牌號(hào)命名的基本原則是：直接采用國(guó)際四位數(shù)字體系牌號(hào);未命名為國(guó)際四位數(shù)字體系牌號(hào)的純鋁及其合金采用四位字符牌號(hào)。四位字符牌號(hào)的第一位、第三位、第四位為阿拉伯?dāng)?shù)字，第二位為英文大寫(xiě)字母（如“A”）。純鋁編號(hào)系統(tǒng)的第一位為“1”，如1xxx或1Axx，最后兩位數(shù)字表示鋁的純度。2xxx為Al-Cu系；3xxx為Al-Mn系；4xxx為Al-Si系；5xxx為Al-Mg系；6xxx為Al-Mg-Si系；7xxx為Al-Zn系；8xxx為AI-其他元素系；9xxx為Al-備用系。我國(guó)變形鋁合金的牌號(hào)表示法與國(guó)際上的通用方法基本一致。①工業(yè)純鋁。工業(yè)純鋁含鋁99%以上，熔點(diǎn)660℃，熔化時(shí)沒(méi)有任何顏色變化。表面易形成致密的氧化膜，具有良好的耐蝕性。純鋁的導(dǎo)熱性約為低碳鋼的5倍，線(xiàn)脹系數(shù)約為低碳鋼的2倍。純鋁強(qiáng)度很低，不適合做結(jié)構(gòu)材料。退火的鋁板抗拉強(qiáng)度為60~100MPa,伸長(zhǎng)率為35%~40%。②非熱處理強(qiáng)化鋁合金。非熱處理強(qiáng)化鋁合金通過(guò)加工硬化、固溶強(qiáng)化提高力學(xué)性能，特點(diǎn)是強(qiáng)度中等、塑性及耐蝕性好，又稱(chēng)防銹鋁，原代號(hào)LFxx。Al-Mn合金和Al-Mg合金屬于防銹鋁合金，不能熱處理強(qiáng)化，但強(qiáng)度比純鋁高，并具有優(yōu)異的抗腐蝕性和良好的焊接性，是目前焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛的鋁合金。③熱處理強(qiáng)化鋁合金。熱處理強(qiáng)化鋁合金通過(guò)固溶、淬火、時(shí)效等工藝提高力學(xué)性能。經(jīng)熱處理后可顯著提高抗拉強(qiáng)度，但焊接性較差，熔化焊時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的傾向較大，焊接接頭的力學(xué)性能（主要是抗拉強(qiáng)度）嚴(yán)重下降。熱處理強(qiáng)化鋁合金包括硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等。a.硬鋁。硬鋁的牌號(hào)是按銅的增加的順序編排的。銅是硬鋁的主要成分，為了得到高的強(qiáng)度，銅含量一般應(yīng)控制在4.0%?4.8%范圍。錳也是硬鋁的主要成分，主要作用是消除鐵對(duì)抗蝕性的不利影響，還能細(xì)化晶粒、加速時(shí)效硬化。在硬鋁合金中，銅、硅、錳等合金元素能形成固溶于鋁的化合物，從而促進(jìn)硬鋁合金熱處理強(qiáng)化。退火狀態(tài)下硬鋁的抗拉強(qiáng)度為160~220MPa,經(jīng)過(guò)淬火及時(shí)效處理后抗拉強(qiáng)度增加至312~460MPa。但硬鋁的耐蝕性能差。為了提高合金的耐蝕性，常在硬鋁板表面覆蓋一層工業(yè)純鋁的保護(hù)層。b.超硬鋁。合金中鋅、鎂、銅的平均總含量可達(dá)9.7%~13.5%,在當(dāng)前航空航天工業(yè)中仍是強(qiáng)度最高（抗拉強(qiáng)度達(dá)500~600MPa）和應(yīng)用最多的一種輕合金材料。超硬鋁的塑性和焊接性差，接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材。由于合金中鋅含量較多，形成晶間腐蝕及焊接熱裂紋的傾向較大。C.鍛鋁。鍛鋁具有良好的熱塑性（原代號(hào)LDxx）。其銅含量越少熱塑性越好，適于作鋁合金鍛件用。具有中等強(qiáng)度和良好的抗蝕性，在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。鋁及鋁合金的新舊牌號(hào)對(duì)照見(jiàn)表1-2。鋁鋰(Al-Li)合金是近代鋁合金的一個(gè)重大發(fā)展。這些低密度的鋁鋰合金是為了取代常規(guī)鋁合金，減輕飛機(jī)質(zhì)量，節(jié)約燃料而開(kāi)發(fā)的。用鋁鋰合金替代常規(guī)鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%-15%,剛度提高15%~20%，適于用作航空航天結(jié)構(gòu)材料。20世紀(jì)70-80年代，能源危機(jī)給航空業(yè)帶來(lái)的壓力推動(dòng)了鋁鋰合金的發(fā)展，提出用新的Al-Li合金取代傳統(tǒng)高強(qiáng)度2000和7000系列鋁合金的目標(biāo)。80年代以后又開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度的Al-Li-Cu和Al-U-Cu-Mg合金系并獲得應(yīng)用。（2）鋁合金的性能及應(yīng)用。鋁及其合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能。鋁具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，包括密度小、塑性好、易于加工、抗腐蝕性好等。在空氣或硝酸中，鋁表面會(huì)形成致密的氧化鋁薄膜，可保護(hù)內(nèi)部不受氧化。鋁的導(dǎo)電率高、導(dǎo)電性好，僅次于金、銀、銅，居第4位。鋁具有面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無(wú)“延-脆”轉(zhuǎn)變，因而具有優(yōu)異的低溫韌性，在低溫下能保持良好的力學(xué)性能。鋁及鋁合金塑性好，可以承受各種形式的壓力加工，很容易加工成形，它可用鑄造、軋制、沖壓、拉拔和滾軋等各種工藝方法制成形狀各異的制品。鋁及鋁合金容易機(jī)械加工，且加工速度快，這也是鋁制品零部件得到大量應(yīng)用的重要因素之一。經(jīng)過(guò)冷加工變形后鋁的強(qiáng)度增高，塑性下降。當(dāng)鋁的變形程度達(dá)到60%~80%時(shí)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)150~180MPa,而伸長(zhǎng)率下降至1%?1.5%。因此可以通過(guò)冷作硬化方法來(lái)提高鋁的強(qiáng)度性能。經(jīng)過(guò)冷作硬化的鋁材，在250~300℃溫度區(qū)間可以引起再結(jié)晶過(guò)程，使冷作硬化消除。鋁的退火溫度為400℃，經(jīng)過(guò)處理的鋁稱(chēng)為退火鋁或軟鋁。鋁及鋁合金還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）。與各種金屬相比，鋁在大氣中的抗腐蝕性能很好。這是由于鋁比較活潑，與空氣接觸時(shí)，表面生成的難熔氧化鋁比較致密，從而保護(hù)鋁材不被繼續(xù)氧化。工業(yè)純鋁主要用于不承受載荷，但要求具有某種特性（如高塑性、良好的焊接性、耐腐蝕性或高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等）的結(jié)構(gòu)件，如鋁箔用于制作墊片及電容器，其他半成品用于制作電子管隔離罩、電線(xiàn)保護(hù)套、電纜線(xiàn)芯、飛機(jī)通用零件、日用器具等。高純鋁主要用于科學(xué)研究、化學(xué)工業(yè)及其他特殊用途。防銹鋁（鋁錳合金、鋁鎂合金）主要用于要求高的塑性和焊接性、在液體或氣體介質(zhì)中工作的低載荷零件，如油箱、汽油或潤(rùn)滑油導(dǎo)管、各種液體容器和其他深拉制作的小負(fù)荷零件等。鋁及鋁合金被廣泛應(yīng)用于航天、建筑、汽車(chē)、機(jī)械制造、電工、化工、商業(yè)等領(lǐng)域。鋁合金在飛機(jī)制造中是主要的結(jié)構(gòu)材料，它約占飛機(jī)骨架重量的55%,而且大部分關(guān)鍵部件，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸向壓縮機(jī)葉片、機(jī)翼、骨架、外殼、尾翼等是由鋁合金制造的。二、鋁及鋁合金的焊接性雖然現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用鋁及鋁合金焊接許多重要產(chǎn)品，但由于鋁及鋁合金所具有的獨(dú)特物理化學(xué)性能，給焊接帶來(lái)了一系列的困難?？偟膩?lái)說(shuō)，純鋁和非熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金焊接性良好，只是熱處理強(qiáng)化的鋁合金焊接性稍差。鋁及鋁合金的焊接性具體表現(xiàn)如下幾點(diǎn)。（1）極易氧化。鋁和氧的化學(xué)結(jié)合力很強(qiáng)，極易生成一層氧化鋁（Al?O?）薄膜包裹在熔滴表面和覆蓋在熔池表面，這層氧化鋁對(duì)焊接有很大的影響。①氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃,遠(yuǎn)超過(guò)了鋁及鋁合金的熔點(diǎn)（約660℃），而且致密，它覆蓋在熔池表面妨礙焊接過(guò)程的正常進(jìn)行。②氧化鋁妨礙金屬之間的良好結(jié)合，易產(chǎn)生未熔合、未焊透缺陷。③氧化鋁的密度比鋁及鋁合金的密度大（約為鋁合金的1.4倍），不易從熔池中浮出，容易在焊縫中造成夾渣。④氧化鋁還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫生成氣孔。⑤此外，氧化鋁電子逸出功低，易發(fā)射電子，使電弧飄移不定而不穩(wěn)定。（2）容易產(chǎn)生氣孔。鋁及鋁合金熔化焊時(shí)，氣孔是焊縫中另一種最常見(jiàn)的焊接缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁熔化焊時(shí)更容易產(chǎn)生。鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生的主要?dú)饪资菤錃饪祝话悴粫?huì)產(chǎn)生氮?dú)饪?、一氧化碳?xì)饪缀脱鯕饪?。氫在高溫時(shí)能過(guò)飽和地溶于液態(tài)鋁，但幾乎不溶于固態(tài)鋁，結(jié)晶過(guò)程中大量的氫要從熔池中析出。如果在結(jié)晶過(guò)程中氫來(lái)不及從熔池中析出，大量低氫形成氣泡，并且氣泡長(zhǎng)大，結(jié)晶前又來(lái)不及從熔池中逸出，便在焊縫中形成氣孔。由于鋁及鋁合金的比重輕，氣泡在熔池里浮升速度較慢，加上鋁的導(dǎo)熱性很強(qiáng)，熔池凝固快，不利于氣泡浮岀，故鋁及鋁合金焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔。（3）熱裂傾向。①鋁及鋁合金焊接時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。②純鋁及非熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接時(shí)很少產(chǎn)生裂紋。③熱處理強(qiáng)化鋁合金和高強(qiáng)度鋁合金焊接時(shí)，熱裂傾向比較大，尤其是高強(qiáng)鋁合金焊接時(shí)更為常見(jiàn)。（4）需采用大焊接熱輸入。鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量都比鋼大(其導(dǎo)熱系數(shù)為鋼的2?4倍)，在焊接過(guò)程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因此，焊接時(shí)比鋼的熱損失大，需要消耗更多的熱量，若要達(dá)到與鋼相同的焊接速度，則焊接熱輸入需鋼的2~4倍。為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的強(qiáng)熱源進(jìn)行焊接。厚大件需要采用預(yù)熱等工藝措施。（5）易燒穿和下塌。由于鋁及鋁合金高溫強(qiáng)度低，且從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，沒(méi)有明顯顏色變化，這給操作者帶來(lái)不少困難，焊接時(shí)不容易判斷熔池溫度，確定接縫的坡口是否熔化，常因溫度過(guò)高引起溶池金屬的下塌或下漏燒穿。（6）易變形。鋁及鋁合金的導(dǎo)熱性強(qiáng)而熱容量大，焊接時(shí)容易變形。（7）合金元素易蒸發(fā)和燒損。鋁合金中一般含有低沸點(diǎn)合金元素如鎂、鋅、錳等，在焊接電弧的高溫作用下，極易蒸發(fā)和燒損，從而改變了焊縫金屬的化學(xué)成分和性能。為此要注意焊絲的選擇。選用能補(bǔ)充鎂、鋅、錳等合金元素的焊絲。（8）接頭的“不等強(qiáng)”性。鋁及鋁合金焊接后，接頭的強(qiáng)度和塑性比母材差的現(xiàn)象稱(chēng)接頭的“不等強(qiáng)”性。鋁及鋁合金在多層焊時(shí)，由于沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，焊縫性能不僅得不到改善，還