鋁合金的焊接及熱處理

熱應力

      鋁合金的熱膨脹系數較高，彈性模量較小。在焊接過程中，由于鋁合金變形大、線膨脹系數大，凝固時體積收縮率達6%左右，且冷卻速度和熔池一次結晶速度快，導致焊縫的內應力和焊接接頭的剛性拘束度較大，易使鋁合金接頭內產生較大的內應力，引起較大的焊接應力與變形，形成裂紋、波浪變形等缺陷。

表3 各金屬熱膨脹系數比較

燒蝕蒸發

       鋁的熔點為660℃，沸點為2647℃，相比于銅、鐵其他金屬元素較低。在焊接過程中，如果焊接溫度過高，容易產生爆炸并形成飛濺，尤其在高能束焊接時更易發生，如圖1所示。另外，鋁合金中添加的合金元素有的沸點較低，在焊接的瞬時高溫下極易蒸發燒損，爆炸產生的飛濺也會帶走部分液滴，從而不可避免的改變了焊縫區的預定化學成分，不利于焊接接頭的性能調控。因此，為了彌補高溫燒蝕，在焊接時常常選用沸點元素含量比母材高的焊絲或者其他焊接材料。

圖1 焊接過程中的飛濺

固態夾雜

      鋁的化學性質很活潑，極易氧化。在焊接過程中，鋁合金表面發生氧化形成高熔點的Al2O3（約為2050℃，而鋁的熔點為660℃，兩者相差很大）。氧化物致密且硬度較高，夾雜在熔池區密度較小的熔融合金液中，容易形成細小的固態夾渣不易排出，不僅影響焊縫的組織成形，也易產生電化學腐蝕，這會造成焊接接頭力學性能的下降，并且Al₂O₃覆蓋在熔池和坡口上，嚴重影響了合金的焊接，降低焊接接頭的組織性能。

氣孔塌陷

      鋁合金的熔點遠小于其氧化物，且性質活潑極易氧化。在焊接過程中，鋁合金因高溫熔化形成熔池。而熔池表面的鋁被氧化生成氧化膜，以固態的形式覆蓋于熔池之上。由于氧化膜熔化后顏色與鋁合金熔融狀態并無太大差別，且因為氧化膜的覆蓋在焊接過程中很難觀察到鋁合金熔池熔化的程度，因此易造成溫度過高，引起焊接熱影響區的大塊塌陷，破壞焊縫金屬的形狀及性能。

   在焊接熱源瞬時高功率的作用下，在合金液中溶解了大量的氫氣，焊接完成后，隨著熔池溫度的降低，氣體的溶解度也逐漸減小，這成了焊接過程中產生氣孔的主要原因。由于鋁合金凝固速度過快且密度較低，在焊縫迅速固化過程中，形成了大小不一的氫氣孔。這些氣孔會在焊接過程中不斷地聚集和擴展，最終形成了可見的大氣孔，降低了接頭的組織性能。當然，氣孔的產生不一定是在焊接過程中形成的，由于鑄造工藝技術的影響，母材本身在鑄造過程中也會產生氣孔。焊接時，熱輸入和內部壓力不斷變化引起母材中原有的氣孔受熱膨脹或相互結合形成焊縫氣孔，隨著焊接熱輸入的增加氣孔也會隨之增大。因此，為控制氫的來源，焊接材料在使用前需經過嚴格的干燥處理，焊接時，適當的加大電流以延長熔池的存在時間，給氫氣足夠的時間析出，從而控制氣孔的形成。

圖2 氣孔的形成與匯聚

鋁合金的強化及其分類方法很多，一般將其分為加工硬化和合金化強化兩大類。鋁合金強化方法可細分為加工硬化、固溶強化、異相強化、彌散強化、沉淀強化、晶界強化和復合強化七類。在實際應用過程中往往是幾種強化方法同時起作用。

通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得高強度的方法，稱為加工硬化。

加工強化的程度因變形率、變形溫度及合金本身的性質不同而異。同一種合金材料在同一溫度下冷變形時，變形率越大則強度越高，但塑性隨變形率的增加而降低。合金變形條件不同，位錯分布亦有所不同。當變形溫度較低(如冷軋)時，位錯活動性較差，變形后位錯大多呈紊亂無規則分布，形成位錯纏結，這時合金強化效果好，但塑性也強烈降低。當變形溫度較高時，位錯活動性較大，并進行交滑移，位錯可局部集聚、糾結、形成位錯團，出現亞結構及其強化，屆時強化效果不及冷變形，但塑性損失較少。

合金元素固溶到基體金屬（溶劑）中形成固溶體時，合金的強度、硬度一般都會得到提高，稱為固溶強化。

合金元素溶入基體金屬后，使基體金屬的位錯密度增大，同時晶格發生畸變?；兯a生的應力場與位錯周圍的彈性應力場交互作用，使合金元素的原子聚集到位錯線附近，形成所謂“氣團”，位錯要運動就必須克服氣團的釘扎作用，帶著氣團一起移動，或者從氣團中掙脫出來，因而需要更大的切應力。另外，合金元素的原子還會改變固溶體的彈性系數、擴散系數、內聚力和原子的排列缺陷，使位錯線變彎，位錯運動阻力增大，包括位錯與溶質原子間的長程交互作用和短程交互作用，從而使材料得到強化。

過量的合金元素加入到基體金屬中去，一部分溶入固溶體，超過極限溶解度的部分不能溶入，形成過剩的第二相，簡稱過剩相。過剩相對合金一般都有強化作用，其強化效果與過剩相本身的性能有關，過剩相的強度、硬度越高，強化效果越大。但硬脆的過剩相含量超過一定限度后，合金變脆，力學性能反而降低。此外，強化效果還與過剩相的形態、大小、數量和分布有關。第二相呈等軸狀、細小和均勻分布時，強化************。第二相很大、沿晶界分布或呈針狀，特別是呈粗大針狀時，合金變脆，合金塑性損失大，而且強度也不高，常溫下不宜大量采用過剩強化，但高溫下的使用效果可以很好。另外，強化效果還與基體相與過剩相之間的界面有關。

非共格硬顆粒彌散物對鋁合金的強化稱彌散強化。

由彌散質點引起的強化包括兩個方面:彌散質點阻礙位錯運動的直接作用，彌散質點為不可變形質點，位錯運動受阻后，必須繞越通過質點，產生強化，彌散物越密集，強化效果就越好;彌散質點影響最終熱處理時半成品的再結晶過程，部分或完全抑制再結晶（對彌散粒子的大小和其間距有一定要求），使強度提高。彌散強化對常溫或高溫下均適用，特別是粉末冶金法生產的燒結鋁合金，工作溫度可達350℃。彌散強化型合金的應變不太均勻，在強度提高的同時，塑性損失要比固溶強化或沉淀強化的大。熔鑄冶金鋁合金中采用高溫處理，獲得彌散質點使合金強化，越來越得到人們關注。在鋁合金中添加非常低的溶解度和擴散速率的過渡族金屬和稀土金屬元素，如含Mn、Cr、Zr、Sc、Ti、V等，鑄造時快速冷卻，使這些元素保留在α(Al)固溶體中，隨后高溫加熱析出非常穩定的0.5μm以下非共格第二相彌散粒子，即第二類質點。其顯微硬度可大于5000MPa，使合金獲得彌散強化效果。

從過飽和固溶體中析出穩定的第二相，形成溶質原子富集亞穩區的過渡相的過程，稱為沉淀。凡有固溶度變化的合金從單相區進入兩相區時都會發生沉淀。鋁合金固溶處理時獲得過飽和固溶體，再在一定溫度下加熱，發生沉淀生成共格的亞穩相質點，這一過程稱為時效。由沉淀或時效引起的強化稱沉淀強化或時效強化。第二相的沉淀過程也稱析出，其強化稱析出強化。鋁合金時效析出的質點一般為G.P區，共格或半共格過渡相，尺寸為0.001~0.1μm，屬第三類質點。這些軟質點有三種強化作用即應變強化、彌散強化和化學強化。時效強化的質點在基體中均勻分布，使變形趨于均勻，因而時效強化引起塑性損失都比加工硬化、彌散強化和異相強化的要小。通過沉淀強化，合金的強度可以提高百分之幾十至幾百倍。因此，沉淀強化是Ag、Mg、Al、Cu等有色金屬材料常用的有效強化手段。

鋁合金晶粒細化，晶界增多，由于晶界運動的阻力大于晶內且相鄰晶粒不同取向使晶粒內滑移相互干涉而受阻，變形抗力增加，即合金強化。

晶界上原子排列錯亂，雜質富集，并有大量的位錯、孔洞等缺陷，而且晶界兩側的晶粒位向不同，所有這些都阻礙位錯從一個晶粒向另一個晶粒的運動。晶粒越細，單位體積內的晶界面積就越大，對位錯運動的阻力也越大，因而合金的強度越高。晶界自身強度取決于合金元素在晶界處的存在形式和分布形態，化合物的優于單質原子吸附的，化合物為不連續、細小彌散點狀時，晶界強化************。晶界強化對合金的塑性損失較少，常溫下強化效果好，但高溫下不宜采用晶界強化，因高溫下晶界滑移為重要形變方式，使合金趨向沿晶界斷裂。

采用高強度的粉、絲和片狀材料和壓、焊、噴涂、溶浸等方法與鋁基體復合，使基體獲得高的強度，稱為復合強化。對燒結鋁合金屬粒子復合強化合金，多數學者認為是彌散強化的典型合金。復合強化的機理與異相強化相近。這種強化在高溫下強化效果最佳，在常溫下也可顯著強化，但塑性損失大?？梢杂米髟鰪娎w維的材料有碳纖維、硼纖維、難熔化合物(Al₃O₂、SiC、BN、TiB₂等)纖維和難熔金屬(W、Mo、Be等)細絲等。這些纖維或細絲的強度一般為2500~3500MPa。此外，還可用金屬單晶須或Al₃O₂、B4C等陶瓷單晶須作為增強纖維，它們的強度就更高。但晶須的生產很困難，成本很高。

鋁合金是一種典型的基體材料。以硼纖維增強和可熱處理強化的合金（如Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si）或彌散硬化的Al-Al₃O₂系為基的金屬復合材料，其比強度和比剛度為標準鋁合金的2~3.5倍，已被用于航空及航天工業。

鋁合金的晶粒細化的方法