鋁及鋁合金材料簡介

1、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)域鋁是地球上存儲量最豐富的金屬元素，自1808年被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)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，鋁元素主要用于下列領(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、地鐵造船場館建筑門窗結(jié)構(gòu)金屬鋁及鋁合金不同于鋼材，當(dāng)報廢時，可再次熔化使用，對環(huán)境破壞最小，同時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：- 比重低（2.7g/cm3）,強(qiáng)度高（最高可達(dá)450MP- 耐大氣腐蝕性比鋼高- 在零度

2、以下溫度時，具有良好韌性- 非常適于鑄造工藝對于純鋁，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原子重重（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）367.103210.10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（C）6601536導(dǎo)熱性（W/m.k）23575導(dǎo)電率(m/Q.mnl)38-10氧化物Al2O3FeO/Fe2O3/Fe3Q熔點（C）

3、20501400/1455/1600對于鋁及鋁合金，物理特性如表3-2。表3-2鋁及鋁合金的物理特性表材料縮寫導(dǎo)電性熱傳導(dǎo)性凝固范圍20C條件下20C條件下CSm/mn2(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-AlSi121

4、7.0-26.01.30-1.90580-570G-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效方式可分為可時效硬化鋁合金、非時效硬化鋁合金、鑄造鋁合金三類。非時效強(qiáng)化鋁合金具有良好的耐腐蝕性，時效強(qiáng)化鋁合金耐腐蝕性相對較差，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、時效硬化鋁合金時效硬化鋁合金指的是含有鎂、硅、鋅或銅的鋁合金通過退火、淬火和時效可以獲得較高的抗拉強(qiáng)度的鋁合金。這些材料可在室溫狀態(tài)下通過數(shù)天的時間自然時效，也可在805口160C之間的

5、溫度下加快時效，例如60麗，時效60小時，120CM,時效24小時,可以得到相同的時效效果。人工時效還取決于焊件的大小，越大的焊件，時效時間越長。由于焊接熱輸入的原因，時效硬化鋁合金在熱影響區(qū)損失了時效強(qiáng)度。焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度只有母材強(qiáng)度的60-70%,焊接時輸入的熱量越高，就有更多的焊接熱量將改變原來的強(qiáng)度。后來的熱處理可使它們返回到其原來的強(qiáng)度值。7系列鋁合金自然時效明顯，如AlZn4.5Mg在焊后通過簡單的自然時效就可回復(fù)到其原來的強(qiáng)度值。在鋁合金車輛工業(yè)，大部分使用的是時效強(qiáng)化型鋁合金，由于焊接接頭強(qiáng)度的降低，在設(shè)計結(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、非時效硬化鋁合金非時效硬

6、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-MgF口Al-Mn合金是典型的非時效強(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，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，特別是焊縫與母材有相同物理、化學(xué)特性要求時更是如此。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稍微的不同著色。這在Si成分含量偏高時特別明顯。五、鋁合金按數(shù)字系列分類說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主要成份和性能特點如下：1. 1000系列（工業(yè)用純鋁）主要成分：Al

7、（99%A上）。特點：強(qiáng)度較低，但耐腐蝕性能、焊接工藝性及加工性很好，反光性高，是熱和電的優(yōu)良導(dǎo)體。主要用途：家庭用品，機(jī)器零件裝飾品、反射鏡等。2. 2000系列（鋁銅合金）主要合金成分：Cu（1.5%6.0%）,屬時效硬化型鋁合金。為加強(qiáng)其機(jī)械性能，進(jìn)行淬火處理。特點：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。主要用途：主要用于飛機(jī)材料，挪釘結(jié)構(gòu)件。3. 3000系列（鋁鎰合金）主要合金成分：Mn（1.0%1.3%）,經(jīng)過冷軋加工制成各種材質(zhì)的非時效硬化型鋁合金。特點：耐腐蝕性、加工性、焊接性和純鋁幾乎一樣，但是強(qiáng)度稍低（略高于純鋁）。主要用途：主要用于建材的成形加工材料。

8、常用于制做鍋、水壺等容器，以及熱交換器零部件等。4. 4000系列（鋁硅合金）主要合金成分：Si（4.5%-13.5%）,為非時效硬化鋁合金。特點：熔點低，可作焊接材料。主要用途：常被用做焊條（電極焊絲）及硬釬焊用填料。常用于制做補(bǔ)強(qiáng)件，熱交換器等。5. 5000系列（鋁鎂合金）主要合金成分：Mg（0.25.6%）,只添加鎂或同時還添加鎰的鋁合金為非時效硬化鋁合金。特點：耐海水腐蝕、焊接工藝、成形性好，強(qiáng)度比較高。主要用途：最近多被用做焊接材料。常用在建筑、船舶車輛、機(jī)械零件、飲料罐等方面。6.6000系列（鋁鎂硅合金）主要合金成分：Mg（0.451.5%）,Si（0.21.2%）,屬時效硬化

9、鋁合金。特點：耐腐蝕性好、易成形加工，擠壓性能也不錯，強(qiáng)度高。（劣于2000系列及7000系列。主要用途：結(jié)構(gòu)材料、建筑用窗框、土木建筑用品，螺栓獅釘?shù)取?. 7000系列（鋁鋅鎂合金）主要合金成分：Zn（0.56.1%）,Mg（0.12.9%）,Cu（0.12.0%）,屬高強(qiáng)度時效硬化鋁合金。特點：焊接工藝性、耐腐蝕性都不好，是現(xiàn)在鋁合金中強(qiáng)度最高的材料，被稱為超超硬鋁，抗拉強(qiáng)度500Mpa主要用途：飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，體育用品，車輛結(jié)構(gòu)材料8. 8000系列備用系列第四節(jié)鋁及鋁合金材料的焊接特性一、鋁的熔點純鋁的熔點大約是660C,可焊接的商用鋁合金白熔化溫度大約在560C-620Co和鋼、銅比

10、較，鋼的熔化溫度大約在1540C,銅的熔化溫度大約在1080C,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。但是，可通過觀察熔池判斷是否接近鋁的熔點。例如，當(dāng)金屬熔化時，TIG（鴇極惰性氣體保護(hù)僦弧焊）的熔池呈現(xiàn)光亮的外觀，并且在電弧下面形成液體坑。鋁和鋁合金焊接過程中，會有如下焊接問題：Al99.5:658C659C（純鋁焊接，熔化區(qū)間非常小，氣體來不及溢出）。AlMg4.5Mn:575C-640C（鋁合金液態(tài)金屬有更大的凝固范圍，更長時間的凝固周期，可以使熔池更好地排氣）。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，對于焊接相同厚度的鋁合金和鋼，鋁合金焊接需

11、要的熱量更大。對于厚板焊接通常采取焊前對焊接區(qū)進(jìn)行預(yù)熱，以減少熱輸入和降低熱量的損失，并且當(dāng)采用TIG焊工藝焊接時，采用預(yù)熱的方式會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)力可能會導(dǎo)致焊接接頭的變形。焊接輸入的熱量會使臨近焊接區(qū)域的金屬膨脹，熱源離開時，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)量是影響變形量的主要因素，雙面對接焊的變形量通常比多焊道以坡口焊的變形量要小得多。焊接速度也是控制變形

12、的決定因素，焊接速度較低時，熱輸入量多會導(dǎo)致更大的膨脹，并且在冷卻的過程中收縮也較大。熱輸入量不充足會導(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、焊接熱輸入對鋁合金力學(xué)性能的影響鋁合金焊接后，熱影響區(qū)會經(jīng)歷很大的熱循環(huán)，導(dǎo)致熱影響區(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方是焊接接頭。五、鋁合金焊后殘余應(yīng)力處理的方法鋁的線膨脹系數(shù)是鋼的3倍，這就意味著會有嚴(yán)重的扭曲變形和高的殘余應(yīng)力。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)計等因素的影響，在鋁合金焊接中所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力可能會

13、非常大，這些應(yīng)力可能會導(dǎo)致焊接件的結(jié)構(gòu)尺寸不穩(wěn)定。一個降低焊接殘余應(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。對于薄件一般不適合采用敲擊法。對于薄工件，如果要求降低殘余應(yīng)力，建議采用熱處理方法。加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢螘r間，使鋁合金完全退火可消除殘余應(yīng)力。然而，只有鋁合金為。犬態(tài)（退火狀態(tài)）時，完全退火消除殘余應(yīng)力的方法才可用。對于鋁鎂合金（5000系列）可以通過低于340c加熱，達(dá)到完全退火溫度，來降低殘余應(yīng)力。如果可行，可將焊接件整體放入加熱爐中進(jìn)行整體加熱。采用局部加熱消除殘余應(yīng)力的方法在某些情況下是有效的，但是需要試驗后才可采用。鋁鎂合金（5000系列）

14、可進(jìn)行充分的應(yīng)力釋放，大多數(shù)情況下，采用焊接后加熱到230c保溫4h可獲得很好效果。焊件在加熱爐中的時間不能太長，相對來講，冷卻的速度不是非常重要。對于熱處理強(qiáng)化鋁合金，采用退火處理來消除焊接殘余應(yīng)力會影響到焊接件的力學(xué)性能，某些合金可能會降低抗腐蝕性。六、鋁及鋁合金表面氧化膜的影響當(dāng)鋁和鋁合金被暴露在空氣中時，表面會迅速形成一層氧化膜，其熔點為2050C,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁合金的熔點。氧化膜的存在會影響鋁合金的焊接質(zhì)量，其危害主要有：-氧化膜易吸附水分，焊接時容易產(chǎn)生氣孔;-氧化膜不導(dǎo)電，焊接時會使電弧不穩(wěn)；-氧化膜的密度大，焊接時破碎的氧化膜將沉積在熔池中形成夾雜；-氧化膜熔點高，會阻礙填充金屬

15、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，去除氧化膜的方法主要是機(jī)械打磨。七、鋁及鋁合金材料中合金元素成份對性能及焊接的影響鎂M瑜量在0.3-7%之間時，在合金中起到增加強(qiáng)度和改善顆粒性的作用。鎰M信量在0.3-1.2%之間時，在合金中起耐海水腐蝕和增加強(qiáng)度的作用。銅C啥量在5%以下時，在合金中影響耐腐蝕性、提高淬火性。硅Si含量一般控制在12%A下，能夠起到降低鋁合金熔點的作用。AlSi12通常被用做中間合金，屬于低熔點共晶合金，常用作鋁合金釬焊材料。硅的加入，也會帶來金屬紋理結(jié)構(gòu)變粗，金屬收縮變小，抗裂紋增強(qiáng)。鋁合金焊接中，焊接熱輸入會對鋁合金材料產(chǎn)生退火作用，鋁合金晶界低熔點物質(zhì)會產(chǎn)生液化裂紋，對裂紋產(chǎn)生影響最大的是Si、MgC哈量，圖3-2說明了合金元素對鋁合金焊接裂紋傾向的影響。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的熱裂紋敏感區(qū)間為M價量在0