鋁及鋁合金材料簡(jiǎn)介

PAGE14/NUMPAGES14第三章鋁及鋁合金材料第一節(jié)鋁及鋁合金材料應(yīng)用領(lǐng)域鋁是地球上存儲(chǔ)量最豐富的金屬元素，自1808年被發(fā)覺以來，差不多廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、造船、航天、航空、軌道車輛等領(lǐng)域，鋁元素要緊用于下列領(lǐng)域：電力傳輸工業(yè)鋁合金散熱器制造業(yè)飛機(jī)、航空、航天設(shè)備汽車工業(yè)高速鐵路軌道車輛、地鐵造船場(chǎng)館建筑門窗結(jié)構(gòu)金屬鋁及鋁合金不同于鋼材，當(dāng)報(bào)廢時(shí)，可再次熔化使用，對(duì)環(huán)境破壞最小，同時(shí)新型鋁合金材料和熱處理方法不斷出現(xiàn)，鋁合金材料強(qiáng)度越來越高，因此，鋁合金的應(yīng)用將越來越廣泛。第二節(jié)鋁及鋁合金材料的物理特性鋁及鋁合金具有如下物理特點(diǎn)：-比重低（2.7g/cm3），強(qiáng)度高（最高可達(dá)450MPa）-耐大氣腐蝕性比鋼高-在零度以下溫度時(shí)，具有良好韌性-特不適于鑄造工藝關(guān)于純鋁，其物理特性和鋼相比具有如表3-1的內(nèi)容：表3-1鋁與鋼物理特性比較表性能AlFe原子重量（g/mol）26.9855.84晶格面心立方晶格體心立方晶格密度（g/cm3）2.707.87彈性模數(shù)(MPa)67.103210.103延展系數(shù)(1/k)24.10-612.10-6Rp0.2(MPa)-10-100Rm(MPa)-50-200比熱(J/kg.k)-890-460熔化熱(J/g)-390-272熔點(diǎn)(℃)6601536導(dǎo)熱性(W/m.k)23575導(dǎo)電率(m/Ω.mm3)38-10氧化物Al2O3FeO/Fe2O3/Fe3O4熔點(diǎn)(℃)20501400/1455/1600關(guān)于鋁及鋁合金，物理特性如表3-2。表3-2鋁及鋁合金的物理特性表20°C條件下20°C條件下°CSm/mm2（單位）W/cmK（單位）Al99.533.5-35.52.26-2.29659-658AlMg514.0-19.01.20-1.34625-590AlMg4.5Mn15.0-19.01.20-1.30640-575AlMgSi0.526.0-35.02.00-2.40650-615AlMg1SiCu23.0-26.01.63640-595AlZn4.5Mg121.0-25.01.54-1.67655-610G-AlSi1217.0-26.01.30-1.90580-570G-AlSi10Mg17.0-26.01.30-1.90600-550第三節(jié)鋁及鋁合金材料的分類一、鋁及鋁合金材料分類表鋁及鋁合金材料按時(shí)效方式可分為可時(shí)效硬化鋁合金、非時(shí)效硬化鋁合金、鑄造鋁合金三類。非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金具有良好的耐腐蝕性，時(shí)效強(qiáng)化鋁合金耐腐蝕性相對(duì)較差，鑄造鋁合金耐腐蝕性介于兩者之間，圖3-1表明了三類鋁合金之間的關(guān)系。圖3-1鋁合金材料分類表二、時(shí)效硬化鋁合金時(shí)效硬化鋁合金指的是含有鎂、硅、鋅或銅的鋁合金通過退火、淬火和時(shí)效能夠獲得較高的抗拉強(qiáng)度的鋁合金。這些材料可在室溫狀態(tài)下通過數(shù)天的時(shí)刻自然時(shí)效，也可在80°C和160°C之間的溫度下加快時(shí)效，例如60°C時(shí)，時(shí)效60小時(shí)，120°C時(shí)，時(shí)效24小時(shí)，能夠得到相同的時(shí)效效果。人工時(shí)效還取決于焊件的大小，越大的焊件，時(shí)效時(shí)刻越長。由于焊接熱輸入的緣故，時(shí)效硬化鋁合金在熱阻礙區(qū)損失了時(shí)效強(qiáng)度。焊接熱阻礙區(qū)強(qiáng)度只有母材強(qiáng)度的60-70%，焊接時(shí)輸入的熱量越高，就有更多的焊接熱量將改變?cè)瓉淼膹?qiáng)度。后來的熱處理可使它們返回到其原來的強(qiáng)度值。7系列鋁合金自然時(shí)效明顯，如AlZn4.5Mg在焊后通過簡(jiǎn)單的自然時(shí)效就可回復(fù)到其原來的強(qiáng)度值。在鋁合金車輛工業(yè)，大部分使用的是時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金，由于焊接接頭強(qiáng)度的降低，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，在接頭區(qū)要加強(qiáng)，以保證結(jié)構(gòu)等強(qiáng)要求。三、非時(shí)效硬化鋁合金非時(shí)效硬化鋁合金在熱處理后不硬化。它們從固溶處理中得到較高的強(qiáng)度（與純鋁相比）。AL—Mg和Al-Mn合金是典型的非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金。四、鑄造鋁合金通過向鋁中添加硅可得到鑄鋁合金。鑄鋁合金在修補(bǔ)時(shí)，焊接材料通常使用與基材相同成分的母材進(jìn)行這些修焊工作，特不是焊縫與母材有相同物理、化學(xué)特性要求時(shí)更是如此。用于這些合金的焊接材料不得有較高的含氫量。拋光后，焊縫的顏色要與母材相同。通常焊縫在陽極氧化處理后將有一點(diǎn)略微的不同著色。這在Si成分含量偏高時(shí)特不明顯。五、鋁合金按數(shù)字系列分類講明鋁及鋁合金也可按如下標(biāo)準(zhǔn)分為八類。這八類鋁及鋁合金的要緊成份和性能特點(diǎn)如下：1.1000系列（工業(yè)用純鋁）要緊成分：Al（99%以上）。特點(diǎn)：強(qiáng)度較低，但耐腐蝕性能、焊接工藝性及加工性專門好，反光性高，是熱和電的優(yōu)良導(dǎo)體。要緊用途：家庭用品，機(jī)器零件裝飾品、反射鏡等。2.2000系列（鋁銅合金）要緊合金成分：Cu（1.5%～6.0%），屬時(shí)效硬化型鋁合金。為加強(qiáng)其機(jī)械性能，進(jìn)行淬火處理。特點(diǎn)：耐腐蝕性差，焊接工藝性在鋁合金中是最差的。但切削性比較好。要緊用途：要緊用于飛機(jī)材料，鉚釘結(jié)構(gòu)件。3.3000系列（鋁錳合金）第四節(jié)鋁及鋁合金材料的焊接特性一、鋁的熔點(diǎn)純鋁的熔點(diǎn)大約是660℃，可焊接的商用鋁合金的熔化溫度大約在560℃-620℃。和鋼、銅比較，鋼的熔化溫度大約在1540℃，銅的熔化溫度大約在1080℃，鋁在熔化過程中沒有顏色變化，在焊接過程中容易產(chǎn)生焊穿。然而，可通過觀看熔池推斷是否接近鋁的熔點(diǎn)。例如，當(dāng)金屬熔化時(shí)，TIG（鎢極惰性氣體愛護(hù)氬弧焊）的熔池呈現(xiàn)光亮的外觀，同時(shí)在電弧下面形成液體坑。鋁和鋁合金焊接過程中，會(huì)有如下焊接問題：8°C–9°C AlMg4.5Mn:575°C–640°C二、熱傳導(dǎo)鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱速度是鋼的3倍。這就意味著，關(guān)于焊接相同厚度的鋁合金和鋼，鋁合金焊接需要的熱量更大。關(guān)于厚板焊接通常采取焊前對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行預(yù)熱，以減少熱輸入和降低熱量的損失，同時(shí)當(dāng)采納TIG焊工藝焊接時(shí)，采納預(yù)熱的方式會(huì)得到更好的焊接效果。三、熱收縮和膨脹熔化狀態(tài)的鋁合金在凝固結(jié)晶過程中，其體積大約減少6%，在此過程中所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的變形。焊接輸入的熱量會(huì)使臨近焊接區(qū)域的金屬膨脹，熱源離開時(shí)，金屬冷卻產(chǎn)生收縮，加上熔化的金屬在冷卻過程中的收縮，可使焊接處產(chǎn)生拉應(yīng)力，增加了裂紋的敏感性。焊接結(jié)構(gòu)件在冷卻過程中受到過度限制也可導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生。焊接坡口的形狀和焊縫數(shù)量是阻礙變形量的要緊因素，雙面對(duì)接焊的變形量通常比多焊道V型坡口焊的變形量要小得多。焊接速度也是操縱變形的決定因素，焊接速度較低時(shí)，熱輸入量多會(huì)導(dǎo)致更大的膨脹，同時(shí)在冷卻的過程中收縮也較大。熱輸入量不充足會(huì)導(dǎo)致焊縫熔化不良，產(chǎn)生未焊透和未熔合等缺陷。焊前預(yù)熱可降低產(chǎn)品的變形程度和產(chǎn)生裂紋的傾向，并能提高焊接速度。四、焊接熱輸入對(duì)鋁合金力學(xué)性能的阻礙鋁合金焊接后，熱阻礙區(qū)會(huì)經(jīng)歷專門大的熱循環(huán)，導(dǎo)致熱阻礙區(qū)強(qiáng)度退化，焊接接頭強(qiáng)度只能達(dá)到母材的60-70%，因此鋁合金焊后最薄弱的地點(diǎn)是焊接接頭。五、鋁合金焊后殘余應(yīng)力處理的方法另一方面，由于焊接熱量的輸入、焊接材料的厚度以及焊接設(shè)計(jì)等因素的阻礙，在鋁合金焊接中所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力可能會(huì)特不大，這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致焊接件的結(jié)構(gòu)尺寸不穩(wěn)定。一個(gè)降低焊接殘余應(yīng)力的方法是敲擊法（用1kg的圓頭銅錘敲擊焊縫金屬），可降低殘余應(yīng)力水平。關(guān)于薄件一般不適合采納敲擊法。關(guān)于薄工件，假如要求降低殘余應(yīng)力，建議采納熱處理方法。加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫一段時(shí)刻，使鋁合金完全退火可消除殘余應(yīng)力。然而，只有鋁合金為O狀態(tài)（退火狀態(tài)）時(shí)，完全退火消除殘余應(yīng)力的方法才可用。關(guān)于鋁鎂合金（5000系列）能夠通過低于340℃加熱，達(dá)到完全退火溫度，來降低殘余應(yīng)力。假如可行，可將焊接件整體放入加熱爐中進(jìn)行整體加熱。采納局部加熱消除殘余應(yīng)力的方法在某些情況下是有效的，然而需要試驗(yàn)后才可采納。鋁鎂合金（5000系列）可進(jìn)行充分的應(yīng)力釋放，大多數(shù)情況下，采納焊接后加熱到230℃保溫4h可獲得專門好效果。焊件在加熱爐中的時(shí)刻不能太長，相對(duì)來講，冷卻的速度不是特不重要。關(guān)于熱處理強(qiáng)化鋁合金，采納退火處理來消除焊接殘余應(yīng)力會(huì)阻礙到焊接件的力學(xué)性能，某些合金可能會(huì)降低抗腐蝕性。六、鋁及鋁合金表面氧化膜的阻礙當(dāng)鋁和鋁合金被暴露在空氣中時(shí)，表面會(huì)迅速形成一層氧化膜，其熔點(diǎn)為2050℃，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁合金的熔點(diǎn)。氧化膜的存在會(huì)阻礙鋁合金的焊接質(zhì)量，其危害要緊有：--氧化膜易吸附水分，焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔；--氧化膜不導(dǎo)電，焊接時(shí)會(huì)使電弧不穩(wěn)；--氧化膜的密度大，焊接時(shí)破裂的氧化膜將沉積在熔池中形成夾雜；--氧化膜熔點(diǎn)高，會(huì)阻礙填充金屬和母材的熔合，易產(chǎn)生氧化物夾渣，因此焊接之前應(yīng)嚴(yán)格清理工件表面的氧化膜，去除氧化膜的方法要緊是機(jī)械打磨。七、鋁及鋁合金材料中合金元素成份對(duì)性能及焊接的阻礙鎂Mg含量在0.3-7%之間時(shí)，在合金中起到增加強(qiáng)度和改善顆粒性的作用。錳Mn含量在0.3-1.2%之間時(shí),在合金中起耐海水腐蝕和增加強(qiáng)度的作用。銅Cu含量在5%以下時(shí)，在合金中阻礙耐腐蝕性、提高淬火性。硅Si含量一般操縱在12%以下，能夠起到降低鋁合金熔點(diǎn)的作用。AlSi12通常被用做中間合金，屬于低熔點(diǎn)共晶合金，常用作鋁合金釬焊材料。硅的加入，也會(huì)帶來金屬紋理結(jié)構(gòu)變粗，金屬收縮變小，抗裂紋增強(qiáng)。鋁合金焊接中，焊接熱輸入會(huì)對(duì)鋁合金材料產(chǎn)生退火作用，鋁合金晶界低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生液化裂紋，對(duì)裂紋產(chǎn)生阻礙最大的是Si、Mg、Cu含量，圖3-2講明了合金元素對(duì)鋁合金焊接裂紋傾向的阻礙。

圖3-2合金元素與裂紋關(guān)系圖圖3-2指出鋁合金焊接最危險(xiǎn)的熱裂紋敏感區(qū)間為Mg含量在0.5和2.5％之間、Si含量在0.3和1.5％之間時(shí)，裂紋傾向最大。/r/