鋁及鋁合金的材料及焊接性

一、鋁及鋁合金的分類、成分和性能（1）鋁及鋁合金的分類。鋁是銀白色的輕金屬，純鋁的熔點660℃，密度2.7g/cm3。工業(yè)用鋁合金的熔點約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性能等特點。鋁及鋁合金可分為工業(yè)純鋁、變形鋁合金（分非熱處理強化鋁合金、熱處理強化鋁合金兩類）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)。鋁合金分類及性能特點見表1-1。按GB/T3190—1996和GB/T1674—1996的規(guī)定，純鋁和鋁合金牌號命名的基本原則是：直接采用國際四位數(shù)字體系牌號;未命名為國際四位數(shù)字體系牌號的純鋁及其合金采用四位字符牌號。四位字符牌號的第一位、第三位、第四位為阿拉伯數(shù)字，第二位為英文大寫字母（如“A”）。純鋁編號系統(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。我國變形鋁合金的牌號表示法與國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660℃，熔化時沒有任何顏色變化。表面易形成致密的氧化膜，具有良好的耐蝕性。純鋁的導熱性約為低碳鋼的5倍，線脹系數(shù)約為低碳鋼的2倍。純鋁強度很低，不適合做結(jié)構(gòu)材料。退火的鋁板抗拉強度為60~100MPa,伸長率為35%~40%。②非熱處理強化鋁合金。非熱處理強化鋁合金通過加工硬化、固溶強化提高力學性能，特點是強度中等、塑性及耐蝕性好，又稱防銹鋁，原代號LFxx。Al-Mn合金和Al-Mg合金屬于防銹鋁合金，不能熱處理強化，但強度比純鋁高，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熱處理強化鋁合金。熱處理強化鋁合金通過固溶、淬火、時效等工藝提高力學性能。經(jīng)熱處理后可顯著提高抗拉強度，但焊接性較差，熔化焊時產(chǎn)生焊接裂紋的傾向較大，焊接接頭的力學性能（主要是抗拉強度）嚴重下降。熱處理強化鋁合金包括硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等。a.硬鋁。硬鋁的牌號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抗蝕性的不利影響，還能細化晶粒、加速時效硬化。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，從而促進硬鋁合金熱處理強化。退火狀態(tài)下硬鋁的抗拉強度為160~220MPa,經(jīng)過淬火及時效處理后抗拉強度增加至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)純鋁的保護層。b.超硬鋁。合金中鋅、鎂、銅的平均總含量可達9.7%~13.5%,在當前航空航天工業(yè)中仍是強度最高（抗拉強度達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，接頭強度遠低于母材。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對照見表1-2。鋁鋰(Al-Li)合金是近代鋁合金的一個重大發(fā)展。這些低密度的鋁鋰合金是為了取代常規(guī)鋁合金，減輕飛機質(zhì)量，節(jié)約燃料而開發(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70-80年代，能源危機給航空業(yè)帶來的壓力推動了鋁鋰合金的發(fā)展，提出用新的Al-Li合金取代傳統(tǒng)高強度2000和7000系列鋁合金的目標。80年代以后又開發(fā)了高強度的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。鋁及其合金具有獨特的物理化學性能。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，鋁表面會形成致密的氧化鋁薄膜，可保護內(nèi)部不受氧化。鋁的導電率高、導電性好，僅次于金、銀、銅，居第4位。鋁具有面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無“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)過冷加工變形后鋁的強度增高，塑性下降。當鋁的變形程度達到60%~80%時，抗拉強度可達150~180MPa,而伸長率下降至1%?1.5%。因此可以通過冷作硬化方法來提高鋁的強度性能。經(jīng)過冷作硬化的鋁材，在250~300℃溫度區(qū)間可以引起再結(jié)晶過程，使冷作硬化消除。鋁的退火溫度為400℃，經(jīng)過處理的鋁稱為退火鋁或軟鋁。鋁及鋁合金還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強度（強度/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，表面生成的難熔氧化鋁比較致密，從而保護鋁材不被繼續(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、耐腐蝕性或高的導電、導熱性等）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、電線保護套、電纜線芯、飛機通用零件、日用器具等。高純鋁主要用于科學研究、化學工業(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、汽油或潤滑油導管、各種液體容器和其他深拉制作的小負荷零件等。鋁及鋁合金被廣泛應(yīng)用于航天、建筑、汽車、機械制造、電工、化工、商業(yè)等領(lǐng)域。鋁合金在飛機制造中是主要的結(jié)構(gòu)材料，它約占飛機骨架重量的55%,而且大部分關(guān)鍵部件，如渦輪發(fā)動機軸向壓縮機葉片、機翼、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特物理化學性能，給焊接帶來了一系列的困難。總的來說，純鋁和非熱處理強化的變形鋁合金焊接性良好，只是熱處理強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。（1）極易氧化。鋁和氧的化學結(jié)合力很強，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，這層氧化鋁對焊接有很大的影響。①氧化鋁的熔點高達2050℃,遠超過了鋁及鋁合金的熔點（約660℃），而且致密，它覆蓋在熔池表面妨礙焊接過程的正常進行。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氧化鋁還會吸附水分，焊接時會促使焊縫生成氣孔。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，氣孔是焊縫中另一種最常見的焊接缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁熔化焊時更容易產(chǎn)生。鋁合金焊接時產(chǎn)生的主要氣孔是氫氣孔，一般不會產(chǎn)生氮氣孔、一氧化碳氣孔和氧氣孔。氫在高溫時能過飽和地溶于液態(tài)鋁，但幾乎不溶于固態(tài)鋁，結(jié)晶過程中大量的氫要從熔池中析出。如果在結(jié)晶過程中氫來不及從熔池中析出，大量低氫形成氣泡，并且氣泡長大，結(jié)晶前又來不及從熔池中逸出，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，加上鋁的導熱性很強，熔池凝固快，不利于氣泡浮岀，故鋁及鋁合金焊接時易產(chǎn)生氣孔。（3）熱裂傾向。①鋁及鋁合金焊接時一般不會產(chǎn)生冷裂紋。②純鋁及非熱處理強化鋁合金焊接時很少產(chǎn)生裂紋。③熱處理強化鋁合金和高強度鋁合金焊接時，熱裂傾向比較大，尤其是高強鋁合金焊接時更為常見。（4）需采用大焊接熱輸入。鋁及鋁合金的導熱系數(shù)、熱容量都比鋼大(其導熱系數(shù)為鋼的2?4倍)，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導到基體金屬內(nèi)部，因此，焊接時比鋼的熱損失大，需要消耗更多的熱量，若要達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、功率大的強熱源進行焊接。厚大件需要采用預熱等工藝措施。（5）易燒穿和下塌。由于鋁及鋁合金高溫強度低，且從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，沒有明顯顏色變化，這給操作者帶來不少困難，焊接時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。鋁及鋁合金的導熱性強而熱容量大，焊接時容易變形。（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成分和性能。為此要注意焊絲的選擇。選用能補充鎂、鋅、錳等合金元素的焊絲。（8）接頭的“不等強”性。鋁及鋁合金焊接后，接頭的強度和塑性比母材差的現(xiàn)象稱接頭的“不等強”性。鋁及鋁合金在多層焊時，由于沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，焊縫性能不僅得不到改善，還