1、鋁合金分類

　　鋁合金是工業(yè)中應(yīng)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(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中大量應(yīng)用。工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多。

　　鋁合金密度低，比強(qiáng)度高，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(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。

　　根據(jù)合金元素和加工工藝特性，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，鑄造鋁合金塑性差，但流動(dòng)性好，適宜于鑄造。變形鋁合金可通過冷變形和熱處理，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。變形鋁合金又可分為熱處理強(qiáng)化型和非熱處理強(qiáng)化型。3XXX系和5XXX系屬于非熱處理強(qiáng)化鋁合金，2XXX、4XXX、6XXX、7XXX系屬于熱處理強(qiáng)度鋁合金。

　　鋁合金主要分為以下1~9類。

　　表1   鋁合金分類

　　變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號命名的基本原則基礎(chǔ)狀態(tài)代號用一個(gè)英文大寫字母表示；細(xì)分狀態(tài)代號采用基礎(chǔ)狀態(tài)代號后跟一位或多位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。見表2所示。如T4表示固溶處理后自然時(shí)效，T41則表示固溶處理后沸水淬火，T411則是固溶處理后空冷至室溫，硬度在O及T6之間，殘余應(yīng)力低。

　　表2   鋁合金的基礎(chǔ)狀態(tài)

　　鋁合金焊接特性：

　　1）容易氧化，焊接時(shí)需要隔離空氣；

　　2）熱導(dǎo)率和比熱容大，需要選用能量集中的焊接方法；

　　3）熱裂紋傾向大，線膨脹系數(shù)大，凝固時(shí)體積收縮快，容易產(chǎn)生熱裂紋。在鋁硅合金中硅含量0.5%時(shí)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(dòng)性顯著提高，

　　收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減少。硅含量達(dá)5%～6%時(shí)可不產(chǎn)生熱裂紋；

　　4）容易產(chǎn)生氣孔，主要是氫氣孔，包括冶金氣孔（冷卻時(shí)氫的溶解度極速減?。?，工藝氣孔（小孔效應(yīng)引起熔池的不穩(wěn)定，集中于底部）；

　　5）接頭軟化，受低熔共晶組織影響，HAZ區(qū)接頭軟化、強(qiáng)度下降；

　　6）鋁對光，熱的反射高，吸收低；

　　7）鋁合金中合金元素易蒸發(fā)、燒損、使焊縫性能下降。

　　鋁合金焊絲選擇原則：

　　1）純鋁焊絲的純度一般不低于母材 ；

　　2）鋁合金焊絲的化學(xué)成分一般與母材的相應(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的 ；

　　4）異種鋁材焊接時(shí)應(yīng)按耐蝕較高、強(qiáng)度高的母材選擇焊絲。

　　2、汽車輕量化發(fā)展鋁合金的需求

　　隨著汽車的越來越普及，汽車數(shù)量的增長帶來了能源消耗和尾氣污染等一系列問題越來越嚴(yán)峻。汽車每減輕10％的重量，大約相當(dāng)于提高8％～10％的燃油效率，車輛每減重100 kg，CO2排放量可減少約5 g/km，在轎車中每使用1 kg鋁，可在其使用壽命期內(nèi)減少20 kg尾氣排放；

　　節(jié)能、環(huán)保、安全是促進(jìn)車身材料技術(shù)進(jìn)步的主動(dòng)力，輕量化的措施主要有以下兩條：

　　1)優(yōu)化汽車車身框架結(jié)構(gòu)；

　　2)用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料。

　　另外，也有認(rèn)為可以采用多種材料以實(shí)現(xiàn)輕量化，即多材料組合的輕量化結(jié)構(gòu)，合適的材料用于合適的部位。在汽車輕量化新材料開發(fā)與應(yīng)用包含以下幾個(gè)需要考慮的內(nèi)容，見圖1

　　圖1   汽車輕量化新材料開發(fā)與應(yīng)用

　　鋁合金板材在汽車車身上的應(yīng)用

　　汽車車身約占汽車總重的30%，而在汽車內(nèi)外板上用鋁合金來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板就可使白車身減重約40%~50%，進(jìn)而使整車減重10%左右。

　　變形鋁合金適合壓力加工，通過冷變形和熱處理可使其強(qiáng)度進(jìn)一步提高。可制成板材、管材、棒材以及各種形狀的型材。變形鋁合金主要用于汽車車身結(jié)構(gòu)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車頂棚、車門、翼子板、行李箱蓋、地板、車身骨架及覆蓋件。過去用于轎車車身的鋁合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)和Al-Mg-Si(6000系)三大系列，見圖2；在美國，95%的油罐車采用鋁合金制造，見圖3，奧迪的鋁合金車身結(jié)構(gòu)見圖4。

　　圖2   鋁合金在汽車車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

　　圖3   美國使用的鋁合金油罐車                 圖4   奧迪鋁合金車身結(jié)構(gòu)

　　常用鋁合金汽車車身板的種類

　　2   系合金是可熱處理強(qiáng)化合金，具有良好的成形性和較高的強(qiáng)度，但抗蝕性差，烘烤硬化能力低，主要用于汽車內(nèi)板；目前2036和2022合金已部分用于汽車車身板材，如法國貝西內(nèi)公司2000系的AU2G-T4，美國雷伊路菲公司的2036-T4等。

　　5   系合金是非熱處理強(qiáng)化合金，鋁板沖壓成形后表面容易起皺，且延展性和彎曲能力也有所欠缺，多用于內(nèi)板；目前， HANV 金屬公司開發(fā)的HANV5182-O 材料、美國ALCOA 公司開發(fā)的X5085-O及5182-O等材料已用于汽車車身內(nèi)板。

　　6   系合金是可熱處理強(qiáng)化合金，具有良好的成形性、烘烤硬化性，是目前汽車板材的主要研究方向。目前，國外鋁制車體大型材用鋁合金主要采用6000 系列合金，如：6009、6010 、6111、6181A 等，美國汽車制造商多選用具有較高強(qiáng)度的6111 ，歐洲更多采用具有較好成形性能的6016。日本為了達(dá)到緩沖目的、增加抗沖擊強(qiáng)度，十分注重使用6000 系的高強(qiáng)度合金"口"、"日"、"目"、"田"字形狀的薄壁和中空型材，研制開發(fā)高性能的汽車用鋁板和增強(qiáng)緩沖性能的鋁擠壓型材。

　　表3   鋁合金和冷軋鋼板力學(xué)性能和沖壓成形性能

　　綜合相關(guān)數(shù)據(jù)（見表3），總結(jié)出應(yīng)用于汽車車身板的成品板材的性能要求：

　?。╝）T4(p)狀態(tài)下

　　屈服強(qiáng)度：90~140MPa

　　抗拉強(qiáng)度：220~285MPa

　　延伸率（總）：≥20%

　　n值：≥0.27（拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)）

　　r值： ≥0.65（0°）（塑性應(yīng)變比）

　　≥0.40（45°）

　　≥0.55（90°）

　?。╞）預(yù)變形2%+烘烤后屈服強(qiáng)度：160~260MPa

　　3、鋁合金激光焊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)說明

　　鋁合金是汽車板輕量化的重要研究方向，但是其成型技術(shù)，特別是焊接技術(shù)，是目前制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸技術(shù)之一。

　　激光焊熱輸入量小，線能量大，焊縫深寬比大；焊接速度快，工件變形小，是焊接鋁合金的先進(jìn)加工技術(shù)之一。相比于激光自熔焊，激光填絲焊，有更好的橋接能力，能夠通過化學(xué)冶金補(bǔ)充熔池?zé)龘p的合金元素，從而減少焊縫產(chǎn)生咬邊、氣孔及裂紋等缺陷的可能。

　　關(guān)于激光焊接鋁合金的相關(guān)研究，已經(jīng)有相當(dāng)多的著作和論文說明。包括正確焊接的工藝，相關(guān)角度，絲光間距，保護(hù)氣，填充焊絲，相關(guān)工藝參數(shù)等以及焊前清理，焊后熱處理等，并從小孔成形機(jī)理和化學(xué)冶金機(jī)理、熱循環(huán)理論解釋如何防止氣孔，熱裂紋，接頭軟化等問題。本文旨在通過鋁合金的激光焊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)入手，說明鋁合金激光焊相關(guān)工藝規(guī)程的建立過程。

　　相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　1、ISO 3834-2-2008金屬材料熔化焊的質(zhì)量要求 第2部分：完整質(zhì)量要求

　　焊接完整質(zhì)量要求，包括焊接設(shè)備、焊接材料、焊縫質(zhì)量及合格要求、人員資質(zhì)、工藝評定方法，試驗(yàn)及檢驗(yàn)，以及焊后處理等工藝細(xì)節(jié)完整要求。

　　2、ISO 14732-1998 焊接人員.金屬材料的完全機(jī)械化焊接和自動(dòng)焊接的熔焊工和阻焊工的認(rèn)可試驗(yàn)

　　激光焊有關(guān)焊工及焊接操作工的要求

　　3、ISO 14731 焊接管理--任務(wù)及職責(zé)

　　激光焊的焊接管理工作任務(wù)和職責(zé)說明

　　4、ISO 15614-11 金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定--焊接工藝評定試驗(yàn)--第十一部分：電子束及激光焊接

　　激光焊的焊接工藝規(guī)程及評定要求，用于新工藝的驗(yàn)證。

　　5、ISO 13919-2-2001+A1-2003 焊接電子束和激光焊接頭缺陷的質(zhì)量分級指南 第2部分

　　激光焊接頭缺陷的質(zhì)量分級，包括氣孔的大小、分布、密集度以及咬邊、余高、錯(cuò)邊、飛濺等缺陷的具體描述和評定等級。

　　6、ISO 15609-4-2004金屬焊接工藝的規(guī)范和驗(yàn)收 焊接工藝規(guī)范 第4部分：激光束焊

　　被驗(yàn)證合格的激光焊接工藝試驗(yàn)，相關(guān)規(guī)范具體描述。

　　7、GBT 3880.2-2012 一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材 第2部分：力學(xué)性能

　　鋁合金的分類以及每種鋁合金相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，方便查找各狀態(tài)下的力學(xué)性能值。

　　8、ISO 17637焊縫的無損檢驗(yàn)--熔化焊接頭外觀檢驗(yàn)

　　焊縫的無損檢驗(yàn)--熔化焊接頭外觀檢驗(yàn)

　　9、ISO 17636焊縫的無損檢驗(yàn).熔焊接頭的放射檢驗(yàn)

　　熔焊接頭的放射檢驗(yàn)，可用于檢查鋁合金焊縫的氣孔數(shù)量、位置、尺寸、密度等。

　　10、ISO 17640-2010 焊縫的無損檢驗(yàn) 超聲波檢測

　　焊縫的超聲波檢測，可用于檢測缺陷的位置、數(shù)量、尺寸等。

　　11、GB/T 3246-2012 變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法

　　鋁合金金相制作方法，分為第一部分：顯微組織檢驗(yàn)方法和第二部分：低倍組織檢驗(yàn)方法。講述腐蝕試劑的制備、試樣的取樣、打磨、腐蝕、組織檢驗(yàn)、晶料測量。

　　12、ISO 17662-2005  焊接用設(shè)備的校正、驗(yàn)證和確認(rèn)(包括輔助活動(dòng))

　　焊接用設(shè)備的校正、輔助設(shè)備、夾具、工具精度的確認(rèn)等。

　　13、ISO 14532-3-2004 焊接消耗品.試驗(yàn)方法和質(zhì)量要求.鋁合金焊接用焊絲電極、焊絲和焊棒的合格評定

　　焊接消耗品，焊材、保護(hù)氣、氣瓶、減壓器等設(shè)施的合格標(biāo)準(zhǔn)。

　　14、ISO/TR 17663焊接--與焊接及相關(guān)工藝有關(guān)的熱處理質(zhì)量要求指南

　　用于鋁合金焊前狀態(tài)的檢查或焊后熱處理標(biāo)準(zhǔn)。

　　15、GB/T 2652-2010焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法

　　用于分析鋁合金焊縫力學(xué)性能，測量鋁合金力學(xué)性能的取樣標(biāo)準(zhǔn)及拉伸試驗(yàn)方法。

　　16、ISO TR 15608-2005焊接 金屬材料分類體系指南

　　金屬材料的分類體系，在歐洲標(biāo)準(zhǔn)中，材料代碼說明，鋁合金對應(yīng)于門類2，21為純鋁，22.1為AL-Mn，22.2、22.3、22.4為AL-Mg，23.1為AL-Mg-Si，23.2為AL-Zn-Mg，24.1為AL-Si，24.2為AL-Si-Mn，25為AL-Si-Cu，26為Al-Cu。

　　17、ISO-2553 焊接、釬焊的圖紙標(biāo)識意義

　　說明在完成焊接工藝評定中的圖紙標(biāo)識等。

　　18、GB/T 22639-2008  鋁合金加工產(chǎn)品的剝落腐蝕試驗(yàn)方法

　　通過全浸試驗(yàn)，用直觀檢測或金相觀察的方法評價(jià)材料對剝落腐蝕的敏感性。