铝及铝合金焊接性研究：同种金属焊接的探讨

1.铝及铝合金的性能

铝及铝合金有以下几种分类方法：

（1）按成材方式分类 可分为变形铝及铝合金和铸造铝合金。

（2）按合金化系列 可分为1×××系（工业纯铝）、2×××系（铝-铜）、3×××系（铝-锰）、4×××系（铝-硅）、5×××系（铝-镁）、6×××系（铝-镁-硅）、7×××系（铝-锌-镁-铜）、8×××系（其他）等八类合金。

（3）按强化方式 可分为热处理不可强化铝及铝合金、热处理强化铝合金。前者仅可变形强化，后者既可热处理强化，亦可变形强化。

GB/T3190—2008及GB/T1173—1995标准分别规定了变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能和铸造铝合金牌号及化学成分。

表3-3是铝及铝合金的物理性能，共7个系列77个品牌。这里只是从新标准GB/T3190—2008中摘取了一部分，其中纯铝是指合金化系列中的1×××字头的工业纯铝系列，共有20种不同成分的纯铝牌号。表中旧牌号按汉语拼音编写的牌号：L为工业纯铝，LY为硬铝合金，LF为防锈铝合金，LD为锻铝合金，LC为超硬铝合金，LG为高纯度铝。由于许多资料新旧标准应用混乱，故此对照标出便于确认；表3-4为常用变形铝合金的化学成分、力学性能及用途。

表3-3 铝及铝合金的物理性能

表3-4 常用变形铝合金的化学成分、力学性能及用途

2.铝及铝合金同种金属的熔焊焊接性特点

了解铝及铝合金同种金属的焊接性，有助于对钢与铝及铝合金异种金属焊接性的分析和判断。(www.xing528.com)

由于铝及铝合金所具有的独特的物理、化学性能，在熔焊焊接时存在如下的难度以及特点：

（1）强的氧化能力 铝和氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合形成致密结实、难熔的氧化膜（即Al₂O₃薄膜），厚度约0.1μm，熔点高达2050℃，远远超过铝合金的熔点。这层氧化膜可以防止硝酸及醋酸的腐蚀，但是如果和碱类以及含有氯离子的盐类溶液（如氯化钠）接触，这层氧化膜会被迅速破坏，从而引起铝的强烈腐蚀。纯铝的纯度越高，形成氧化膜的能力越强。铝镁合金则具有耐海水（氯盐溶液）腐蚀的能力。

Al₂O₃的密度（3.85g/cm³）比铝合金的密度（2.6～2.8g/cm³）大。在焊接过程中，氧化膜会阻碍金属之间的良好结合，容易形成夹渣。而且氧化膜对水分有很强的吸附力，氧化膜中所含的结晶水和所吸附的水分在焊接电弧高温作用下分解并可能与金属反应产生氢，从而在焊缝中生成氢气孔，使接头强度降低。所以焊前必须严格地清理焊件及焊接材料表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，需对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护，这是铝及铝合金同种材料焊接的一个重要特点。

（2）较大的热导率和比热容 铝及铝合金的热导率和比热容都很大（见表3-1），约比钢大1倍多。在焊接过程中，大量的热能被迅速传导到基体金属内部，热输入将向母材迅速流失。因此，焊接铝及铝合金时比焊接钢要消耗更多的热量。必须采用能量集中、功率大的热源，必要时需采用预热等工艺措施。电阻焊时要采取特大功率的电源。

（3）容易形成热裂纹 铝及铝合金的线胀系数比钢约大1倍，凝固时体积收缩率达6.5%～6.6%，比钢约大两倍。因此，某些铝合金焊接时，往往由于过大的收缩内应力而在脆性高温区间内产生热裂纹，这是铝合金尤其是高强铝合金焊接时常见的严重缺陷之一，常常采用调整焊接材料成分的方法来防止裂纹的产生，如用流动性较好的含硅焊丝SAlSi-1。另外，可采用有利于防止热裂纹产生的合理的焊接工艺措施。

（4）容易形成气孔 氢是铝及铝合金熔焊时产生气孔的主要原因。铝及铝合金的液体熔池在高温下能溶入大量氢气，在焊后冷却凝固过程中，氢的溶解度急剧下降，氢气来不及析出而聚集在焊缝中形成气孔。在凝固时可以从0.69mL/100g急剧下降到0.036mL/100g，后者差不多是前者的1/20。这就是氢容易使铝焊缝中产生气孔的重要原因之一。况且铝的导热性好，在同样的工艺条件下，铝熔池的冷却速度是高强钢的4～7倍，不利于气泡的浮出，更易于气孔的形成。

（5）焊接接头易发生软化 铝及铝合金的焊缝热影响区，无论是非热处理强化铝合金，还是热处理强化铝合金，都在不同程度上表现出强化效果的损失即软化，软化后的强度还不到其退火状态的95%，只有供应状态的40%～50%。

（6）无色泽变化 由于铝及铝合金对光、热反射能力较强，铝及铝合金从固态变为液态时，没有明显的颜色变化，加上铝在高温下强度和塑性很低。焊接时容易引起液态金属的塌陷或烧穿，因此在焊接过程中给操作者带来困难。

（7）合金元素的蒸发和烧损 某些铝合金含有低熔点的合金元素，如Mg、Zn等，这些元素在高温下极易挥发、烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，导致焊接接头的性能降低。

虽然铝及铝合金在焊接过程中存在上述这些问题，但对其焊接性的评价还得作具体分析。实际上，工业纯铝、变形铝合金中的防锈铝（即镁铝合金、铝锰合金），以及一般的铸造铝合金，其焊接性是良好的。只要针对上述某些焊接特点采取一定的工艺措施，就能得到性能良好的焊接接头。热处理强化铝合金的焊接性就较差，特别是在熔焊时，焊接裂纹倾向大，焊接接头对应力腐蚀敏感且易发生软化。所以这种铝合金目前在熔焊结构中应用不广泛。

铝及铝合金同种材料的熔焊，常用TIG焊及MIG焊，因为有惰性气体保护及阴极雾化效应，可以击碎Al₂O₃，使之逸出焊接区。也可以用等离子弧焊、激光焊、电子束焊等焊接法，压焊方法中电阻焊、摩擦焊（尤其搅拌摩擦焊）、扩散焊等都会有较好的效果，因为铝及铝合金的塑性好、硬度低。