鋁材具有優(yōu)異的物理特性和力學性能，其密度低、強度高、熱導率高、電導率高，耐蝕能力強。鋁材廣泛用于容器、機械、電力、化工、航空、航天等焊接結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上。

　　一、鋁材的分類及牌號表示方法

　　1. 鋁材的分類

　　（1）按有無合金成分，鋁材分為純鋁及鋁合金。鋁合金按合金系列又分為Al-Mn合金、Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-Mg合金等。

　　（2）按壓力加工能力，可分為變形鋁和非變形鋁（例如：鑄鋁）。

　　（3）按能否熱處理強化，鋁合金又分為非熱處理強化鋁和熱處理強化鋁。鋁沒有同素異構(gòu)體，純鋁、鋁錳合金、鋁鎂合金等不可能通過熱處理相變來進步強度。但是，鋁銅和鋁鎂硅等合金可通過固溶時效析出強化相進步強度，稱為可熱處理強化鋁。不能通過固溶時效析出強化相進步強度的稱為不可熱處理強化鋁。

　　2. 牌號表示方法和狀態(tài)代號

　　（1）四位數(shù)字體系牌號命名方法 1997年1月1號，我國開始實施GB/T16474?996《變形鋁和鋁合金牌號表示方法》標準。新的牌號表示方法采用變形鋁和鋁合金國際牌號注冊組織推薦的國際四位數(shù)字體系牌號命名方法，例如產(chǎn)業(yè)純鋁有1070、1060等，Al-Mn合金有3003等，Al-Mg合金有5052、5086等。

　　（2）四位字符體系牌號命名方法 1997年1月1號前，我國采用前蘇聯(lián)的牌號表示方法。一些老牌號的鋁及鋁合金化學成分與國際四位數(shù)字體系牌號不完全吻合，不能采用國際四位數(shù)字體系牌號代替，為保存國內(nèi)現(xiàn)有的非國際四位數(shù)字體系牌號，不得不采用四位字符體系牌號命名方法，以便逐步與國際接軌。例如：老牌號LF21的化學成分與國際四位數(shù)字體系牌號3003不完全吻合，于是，四位字符體系表示的牌號為3A21。

　　四位數(shù)字體系和四位字符體系牌號第一個數(shù)字表示鋁及鋁合金的種別，其含義如下：

　　1）1XXX系列棗產(chǎn)業(yè)純鋁；

　　2）2XXX系列棗Al-Cu、Al-Cu-Mn合金；

　　3）3XXX系列棗Al-Mn合金；

　　4）4XXX系列棗Al-Si合金；

　　5）5XXX系列棗Al-Mg合金；

　　6）6XXX系列棗Al-Mg-Si合金；

　　7）7XXX系列棗Al-Mg-Si-Cu合金；

　　8）8XXX系列棗其它。

　　（3）鋁鑄件牌號 我國容器用鋁鑄件牌號采用ZAl+主要合金元素符號+合金元素含量數(shù)百分率表示。例如；ZAlSi7Mg1A、ZAlCu4、ZAlMg5Si等。

　　（4）狀態(tài)代號 相同牌號的鋁及鋁合金，狀態(tài)不同時，力學性能不相同。按照GB/T16475《變形鋁和鋁合金狀態(tài)代號》標準，新狀態(tài)代號規(guī)定如下：

　　1.O： 退火狀態(tài)

　　2.H112：熱作狀態(tài)

　　3.T4：固溶處理后自然時效狀態(tài)

　　4.T5：高溫成形過程冷卻后人工時效狀態(tài)

　　5.T6：固溶處理后人工時效狀態(tài)

　　二、鋁容器的應(yīng)用特點和容器規(guī)范采用的鋁及鋁合金

　　1.鋁容器的應(yīng)用特點

　　(1)鋁在空氣和氧化性水溶液介質(zhì)中，其表面較易產(chǎn)生致密的氧化鋁鈍化膜，它在一些氧化性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性。在高溫濃硝酸中，純鋁的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼。鋁材常作為耐蝕容器材料。

　　(2)對一些腐蝕性不太強，但要求防鐵污染的介質(zhì)，如化纖生產(chǎn)介質(zhì)等，鋁有較好的耐蝕性，而且沒有鐵污染物料，因此，鋁材常作為防鐵污染的容器的材料。其他有色金屬容器也能防鐵污染，但鋁最便宜。

　　(3)鋁是面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)體，低溫下不存在像鐵素體鋼那樣的脆性轉(zhuǎn)變，鋁容器的最低設(shè)計溫度可達-269℃。鋁材常作為低溫容器的材料。鋁鎂合金中的鎂含量較高時，會以金屬間化合物Mg2Al3和Mg5Al8在晶間析出，使鋁鎂合金在某些介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕敏感性，只有在65℃以下使用才不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，因此含鎂量超過了3％的鋁鎂合金規(guī)定設(shè)計溫度不超過65℃。析出相過多也會降低沖擊韌性，因此含鎂量超過3％的鋁鎂合金及其焊接接頭應(yīng)檢驗沖擊韌性。其他鋁和鋁容器，包括低溫鋁容器均不要求進行沖擊韌性檢驗。

　　(4) 由于鋁鎂硅合金固溶時效狀態(tài)強度高，塑性也較好，焊接性好，焊接接頭在焊后狀態(tài)仍能保持較高的強度，因而常用作容器用高強度鋁合金。鋁，特別是純鋁的規(guī)定非比例伸長應(yīng)力很低，在小的載荷下即會產(chǎn)生塑性變形。鋁容器在使用與運輸時，應(yīng)留意碰撞變形。

　　(5) 為了得到好的塑性，純鋁、鋁錳合金和鋁鎂合金的變形鋁材都只在退火狀態(tài)或熱作狀態(tài)使用，不采用冷作狀態(tài)。熱作狀態(tài)鋁的焊接接頭，焊接熱對熱影響區(qū)有退火作用，因而其許用應(yīng)力也只取退火狀態(tài)鋁材的許用應(yīng)力。只有鋁鎂硅合金和鋁銅合金的鋁材才采用固溶時效狀態(tài)，以保證其高強度。

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2.容器規(guī)范采用的鋁及鋁合金 要求制造容器的材料具有良好的成形性和焊接性，JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》中采用的鋁及鋁合金有：

　　1.產(chǎn)業(yè)純鋁 1A85、1050A、1060和1200。

　　2.Al-Cu合金 2014。

　　3.Al-Mn合金 3003和3004。

　　4.Al-Mg合金 5A02、5A03、5A05、5052、5052、5058和5086。

　　5.Al-Mg-Si合金 6A02、6061和6063。

　　典型牌號鋁及鋁合金化學成分和力學性能，可查閱相關(guān)標準。

　　三、鋁及鋁合金的焊接工藝

　　1.鋁及鋁合金的焊接特點

　　(1) 鋁在空氣中及焊接時極易氧化，天生的氧化鋁（Al2O3）熔點高、非常穩(wěn)定，不易往除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易天生夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學或機械方法進行嚴格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過程加強保護，防止其氧化。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，往除氧化膜。氣焊時，采用往除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時，可加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。

　　（2）鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為明顯，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當盡量采用能量集中、功率大的能源，有時也可采用預熱等工藝措施。

　　（3）鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時輕易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性答應(yīng)的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5％時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，活動性明顯進步，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，當含硅5％～6％時可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi條(硅含量4．5％～6％)焊絲會有更好的抗裂性。

　　（4）鋁對光、熱的反射能力較強，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時，沒有明顯的光彩變化，焊接操縱時判定難。高溫鋁強度很低，支撐熔池困難，輕易焊穿。

　　（5）鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，對氫的來源要嚴格控制，以防止氣孔的形成。

　　（6）合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。

　　（7）母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時，焊接熱會使熱影響區(qū)的強度下降。

　　（8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細化晶粒。

　　2. 焊接方法 幾乎各種焊接方法都可以用于焊接鋁及鋁合金，但是鋁及鋁合金對各種焊接方法的適應(yīng)性不同，各種焊接方法有其各自的應(yīng)用場合。氣焊和焊條電弧焊方法，設(shè)備簡單、操縱方便。氣焊可用于對焊接質(zhì)量要求不高的鋁薄板及鑄件的補焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補焊。惰性氣體保護焊（TIG或MIG）方法是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊。熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊應(yīng)用越來越廣泛（氬氣或氬/氦混合氣）

　　3.焊接材料

　　（1）焊絲 鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊接工藝性能外，按容器要求應(yīng)使對接接頭的抗拉強度、塑性(通過彎曲試驗)達到規(guī)定要求，對含鎂量超過3％的鋁鎂合金應(yīng)滿足沖擊韌性的要求，對有耐蝕要求的容器，焊接接頭的耐蝕性還應(yīng)達到或接近母材的水平。因而焊絲的選用主要按照下列原則：

1）純鋁焊絲的純度一般不低于母材；

　　2）鋁合金焊絲的化學成分一般與母材相應(yīng)或相近；

　　3）鋁合金焊絲中的耐蝕元素(鎂、錳、硅等)的含量一般不低于母材；

　　4）異種鋁材焊接時應(yīng)按耐蝕較高、強度高的母材選擇焊絲；

　　5）不要求耐蝕性的高強度鋁合金(熱處理強化鋁合金)可采用異種成分的焊絲，如抗裂性好的鋁硅合金焊絲SAlSi一1等(留意強度可能低于母材)。

　　（2）保護氣體 保護氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。交流加高頻TIG焊時，采用大于99．9％純氬氣，直流正極性焊接宜用氦氣。MIG焊時，板厚<25 mm時宜用氬氣；板厚25 mm～50 mm時氬氣中宜添加10％～35％的氦氣；板厚50mm-75mm時氬氣中宜添加l0％～35％或50％的氦氣；當板厚>75 mm時推薦采用添加50％～75％氦氣的氬氣。氬氣應(yīng)符合GB／T 4842?995《純氬》的要求。氬氣瓶壓低于0.5 MPa后壓力不足，不能使用。

　　(3)鎢極 氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔點和沸點高，不易熔化揮發(fā)，電極燒損及尖真?zhèn)€污染較少，但電子發(fā)射能力較差。在純鎢中加進1％～2％氧化釷的電極為釷鎢極，電子發(fā)射能力強，答應(yīng)的電流密度高，電弧燃燒較穩(wěn)定，但釷元素具有一定的放射性，使用時應(yīng)采取適當?shù)姆雷o措施。在純鎢中加進1.8％～2.2％的氧化鈰(雜質(zhì)≤0.1％)的電極為鈰鎢極。鈰鎢極電子逸出功低，化學穩(wěn)定性高，答應(yīng)電流密度大，無放射性，是目前普遍采用的電極。鋯鎢極可防止電極污染基體金屬，尖端易保持半球形，適用于交流焊接。

　　（4）焊劑 氣焊用焊劑為鉀、鈉、鋰、鈣等元素的氯化物和氟化物，可往除氧化膜。

　　4. 焊前預備

　　(1)焊前清理 鋁及鋁合金焊接時，焊前應(yīng)嚴格清除工件焊口及焊絲表面的氧化膜和油污，清除質(zhì)量直接影響焊接工藝與接頭質(zhì)量，如焊縫氣孔產(chǎn)生的傾向和力學性能等。常采用化學清洗和機械清理兩種方法。

　　1）化學清洗 化學清洗效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲及尺寸不大、成批生產(chǎn)的工件。可用浸洗法和擦洗法兩種。可用丙酮、汽油、煤油等有機溶劑表面往油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液堿洗3 min～7 min(純鋁時間稍長但不超過20 min)，活動凈水沖洗，接著用室溫至60℃的30％HNO3溶液酸洗1 min～3 min，活動凈水沖洗，風干或低溫干燥。

　　2）機械清理 在工件尺寸較大、生產(chǎn)周期較長、多層焊或化學清洗后又沾污時，常采用機械清理。先用丙酮、汽油等有機溶劑擦試表面以除油，隨后直接用直徑為0.15 mm～0.2 mm的銅絲刷或不銹鋼絲刷子刷，刷到露出金屬光澤為止。一般不宜用砂輪或普通砂紙打磨，以免砂粒留在金屬表面，焊接時進進熔池產(chǎn)生夾渣等缺陷。另外也可用刮刀、銼刀等清理待焊表面。

　　工件和焊絲經(jīng)過清洗和清理后，在存放過程中會重新產(chǎn)生氧化膜，特別是在濕潤環(huán)境下，在被酸、堿等蒸氣污染的環(huán)境中，氧化膜成長得更快。因此，工件和焊絲清洗和清理后到焊接前的存放時間應(yīng)盡量縮短，在天氣濕潤的情況下，一般應(yīng)在清理后4 h內(nèi)施焊。清理后如存放時間過長(如超過24 h)應(yīng)當重新處理。

　　(2)墊板 鋁及鋁合金在高溫時強度很低，液態(tài)鋁的活動性能好，在焊接時焊縫金屬輕易產(chǎn)生下塌現(xiàn)象。為了保證焊透而又不致塌陷，焊接時常采用墊板來托住熔池及四周金屬。墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。墊板表面開一個圓弧形槽，以保證焊縫反面成型。也可以不加墊板單面焊雙面成型，但要求焊接操縱熟練或采取對電弧施焊能量嚴格自動反饋控制等先進工藝措施。

　　(3)焊前預熱 薄、小鋁件一般不用預熱，厚度10 mm～15 mm時可進行焊前預熱，根據(jù)不同類型的鋁合金預熱溫度可為100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、電爐或噴燈等加熱。預熱可使焊件減小變形、減少氣孔等缺陷。

　　5.焊后處理

　　(1)焊后清理 焊后留在焊縫及四周的殘存焊劑和焊渣等會破壞鋁表面的鈍化膜，有時還會腐蝕鋁件，應(yīng)清理干凈。外形簡單、要求一般的工件可以用熱水沖洗或蒸氣吹刷等簡單方法清理。要求高而外形復雜的鋁件，在熱水中用硬毛刷洗擦后，再在60℃～80℃左右、濃度為2％～3％的鉻酐水溶液或重鉻酸鉀溶液中浸洗5 min～10 min，并用硬毛洗擦刷，然后在熱水中沖洗擦滌，用烘箱烘干，或用熱空氣吹干，也可自然干燥。

(2)焊后熱處理 鋁容器一般焊后不要求熱處理。假如所用鋁材在容器接觸的介質(zhì)條件下確有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性，需要通過焊后熱處理以消除較高的焊接應(yīng)力，來使容器上的應(yīng)力降低到產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力以下，這時應(yīng)由容器設(shè)計文件提出特別要求，才進行焊后消除應(yīng)力熱處理。如需焊后退火熱處理，對于純鋁、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06等，推薦溫度為345℃；對于2014、2024、3003、3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21等，推薦溫度為415℃；對于2017、2A11、6A02等，推薦溫度為360℃，根據(jù)工件大小與要求，退火溫度可正向或負向各調(diào)20℃～30℃，保溫時間可在0.5 h～2 h之間。