铝及铝合金的材料及焊接性.docx

1、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 31901996和GB/T 16741996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

2、;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。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

3、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60100MPa,伸长率为35%40%。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。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

4、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160220MPa,经过淬火及时效处理后抗拉强度增加至312460MPa。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%

5、,在当前航空航天工业中仍是强度最高（抗拉强度达500600MPa）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

6、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

7、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150180MPa,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250300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

8、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

9、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（AlO）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。氧化铝的熔点高达2050,远超过了铝及铝合金的

10、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。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。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。氧化铝还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。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

11、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。铝及铝合金焊接时一般不会产生冷裂纹。纯铝及非热处理强化铝合金焊接时很少产生裂纹。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24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

12、，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24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

13、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。非热处理强化铝合金（如Al-Mg合金）应在退火状态下焊接。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。