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有一道考試題，誰能幫忙回答一下:根據(jù)鋁及鋁合金特點，闡述鋁及鋁合金的焊接工藝發(fā)展及焊接設備的發(fā)展情

根據(jù)鋁及鋁合金特點，闡述鋁及鋁合金的焊接工藝發(fā)展及焊接設備的發(fā)展情況比較著急，謝謝了: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-11-04

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鋁，是一種化學元素。它的化學符號是Al，它的原子序數(shù)是13。鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。在金屬品種中，僅次于鋼鐵，為第二大類金屬。至19世紀末，鋁才嶄露頭角，成為在工程應用中具有競爭力的金屬，且風行一時。航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨特性質(zhì)，這就大大有利于這種新金屬鋁的生產(chǎn)和應用。鋁的應用極為廣泛。性狀鋁是銀白色輕金屬。有延性和展性。商品常制成棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。鋁粉和鋁箔在空氣中加熱能猛烈燃燒,并發(fā)出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液,不溶于水。相對密度2.70。熔點660℃。沸點2327℃。鋁合金鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應用。隨著近年來科學技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點之一。純鋁的密度小(ρ=2.7g/m3)，大約是鐵的 1/3，熔點低(660℃)，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性(δ:32~40%，ψ:70~90%)，易于加工，可制成各種型材、板材?？垢g性能好;但是純鋁的強度很低，退火狀態(tài) σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過長期的生產(chǎn)實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點的同時還能具有較高的強度，σb 值分別可達 24~60kgf/mm2。這樣使得其“比強度”(強度與比重的比值 σb/ρ)勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業(yè)等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。鋁合金分兩大類:鑄造鋁合金，在鑄態(tài)下使用;變形鋁合金，能承受壓力加工，?？杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。形變鋁合金又分為不可熱處理強化型鋁合金和可熱處理強化型鋁合金。不可熱處理強化型不能通過熱處理來提高機械性能，只能通過冷加工變形來實現(xiàn)強化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等?？蔁崽幚韽娀弯X合金可以通過淬火和時效等熱處理手段來提高機械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能，物理性能和抗腐蝕性能。鑄造鋁合金按化學成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中鋁硅合金又有簡單鋁硅合金(不能熱處理強化，力學性能較低，鑄造性能好)，特殊鋁硅合金(可熱處理強化，力學性能較高，鑄造性能良好)， 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，生成的氧化鋁(Al2O3)熔點高、非常穩(wěn)定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾渣、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，去除氧化膜。氣焊時，采用去除氧化膜的焊劑。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顯著，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應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。鋁焊接熔池凝固時容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應力。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。在耐蝕性允許的情況下，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，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應減小。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，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。 (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?；≈鶜夥罩械乃?、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性不同，各種焊接方法有其各自的應用場合。氣焊和焊條電弧焊方法，設備簡單、操作方便。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用越來越廣泛(氬氣或氬/氦混合氣)。焊接設備的發(fā)展情況鋁合金攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢在中國，北京航空制造工程研究所和英國TWI的攪拌試探焊技術(shù)合作中心――中國攪拌摩擦焊中心在攪拌摩擦焊的基礎方法研究，材料應用研究、開發(fā)，攪拌摩擦焊設備的設計、制造和銷售等方面，都取得很大的進展。 (1)目前，中心正在針對攪拌摩擦焊在航天火箭筒體制造，航空飛機框架、蒙皮和結(jié)構(gòu)間的攪拌摩擦焊制造，船舶輕合金制造以及高速列車的鋁合金型材的快速制造等方面正在展開全面的研究和工程攻關(guān)。另外，在承攬國防科研和總裝課題的同時，還加強了和企業(yè)、大學的橫向聯(lián)合及技術(shù)合作。 (2)在攪拌摩擦焊設備的制造方面已經(jīng)設計出3大類6類種形式的攪拌摩擦焊設備，并且在2003年3月為哈爾濱工業(yè)大學和華東船舶工業(yè)學院制造交付了2臺專業(yè)化的攪拌摩擦焊設備。 (3)在工程應用方面，鋁合金攪拌摩擦焊將在輸變電、高速列車、新一代戰(zhàn)斗機及新型運載火箭等方面首先得到應用。鋁合金由于重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。目前，生產(chǎn)中常用MIG 焊、TIG 焊方法來焊接鋁合金材料。雖然使用這2種方法能夠得到良好的焊接接頭，但是，這2種方法卻有熔透能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率低等缺點。近年來，很多科技工作者開始探討焊接鋁合金的新方法，如激光焊、雙光束激光焊、激光-電弧復合焊及摩擦攪拌焊等，下面主要介紹前3種焊接方法的主要特點。 1 鋁合金的雙光束激光焊激光單獨焊接鋁合金時會產(chǎn)生由于鑰孔塌陷而產(chǎn)生的氣孔。針對這個問題，人們又研究了雙束激光焊，發(fā)現(xiàn)雙束激光焊有相對較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比，能提高鑰孔的穩(wěn)定性，可以明顯地降低氣孔敏感性。其原因在于雙束激光焊接時第一束激光產(chǎn)生熔池，并對附近區(qū)域進行預熱，累積的熱量使第二束激光照射該處時，可以熔化更多的母材，從而形成較寬的焊縫。此外，由于第二束激光可以把第一束激光形成的鑰孔后壁氣化，避免了鑰孔的塌陷，所以形成氣孔的幾率就要小一些。 2 鋁合金的激光一電弧復合焊雖然用激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢，但仍存在較大的局限性，如設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發(fā)展了激光-電弧復合焊接工藝。激光-電弧復合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的復合。目前，該工藝在德國和日本等發(fā)達國家研究比較多，并在汽車業(yè)中已有一定的應用，如大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-MIG焊道，而且激光復合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國內(nèi)在該工藝的研究和應用上基本還是空白。鋁合金激光-電弧復合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸收率以及深熔焊的閾值問題，是極具前景的鋁合金焊接工藝之一，目前工藝還不成熟，處于研究探索階段。用激光和電弧復合焊接方法來焊接鋁合金時，激光與電弧相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產(chǎn)生良好的復合效應。能顯著提高焊接效率，這主要基于2種效應:一方面是高的能量密度導致了高的焊接速度;另一方面是2種熱源同時作用在一個相同區(qū)域的疊加效應。這種復合工藝的優(yōu)勢很多，潛力很大，在未來的汽車生產(chǎn)中必將具有廣泛的應用前景。 3 鋁合金的激光焊隨著大功率、高性能激光加工設備的不斷開發(fā)，鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展很快，是未來焊接鋁合金的主要發(fā)展方向之一。目前，鋁合金激光焊接已經(jīng)被使用在車體部件的連接上，在Audi A2(全鋁結(jié)構(gòu))上，就有30m 激光焊縫。與傳統(tǒng)的TIG、MIG 焊相比，用激光來焊接鋁合金具有以下優(yōu)點: (1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大的焊縫。 (2)冷卻速度快，能得到組織微細的焊縫，故焊接接頭性能良好。 (3)焊接速度快、功能多、適應性強、可靠性高且不需要真空裝置，所以在焊接精度、效率、自動化等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。激光焊接是一種高能密度的焊接工藝，焊接鋁合金可以有效防止傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷，強度系數(shù)提高很大。但激光器功率一般都比較低，對鋁合金厚板焊接困難，同時鋁合金表面對激光束的吸收率很低，以及要達到深熔焊時存在閾值問題，所以工藝上有一定難度。: 回答者：網(wǎng)友

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