第一篇：鋁及鋁合金先進焊接技術探索論文

摘要：鋁及鋁合金廣泛應用于工業生產，近些年來，鋁及鋁合金焊接技術發展迅速，克服了傳統的鋁及合金焊接的眾多弊端。基于此，本文在概述鋁及合金焊接過程中出現問題的基礎上，對鋁及鋁合金先進焊接技術進行了概述，為鋁及鋁合金工藝的積極開發及高性能鋁合金產品的發展提供理論依據。

關鍵詞：鋁及鋁合金；先進焊接；技術研究

一、前言

鋁及鋁合金不僅具有良好的耐腐蝕性，而且導熱性和導電性俱佳，為此廣泛應用于工業生產，包括汽車制造、航空航天等制造業。近些年來，我國的鋁及鋁合金焊接技術發展迅速，出現了新型焊接技術，包括調制脈沖焊接、穿孔離子焊接、激光焊接及摩擦攪拌焊等，這些新興的焊接技術，顯示出極大的技術優勢，為自動化焊接提供了理論基礎，基于此，本文在概述鋁及合金焊接過程中出現問題的基礎上，對鋁及鋁合金先進焊接技術進行了概述，為鋁及鋁合金工藝的積極開發及高性能鋁合金產品的發展提供理論依據。

二、鋁及鋁合金焊接概述

鋁及鋁合金不僅材質輕，而且強度好，具有良好的耐腐蝕性，因此，在各類焊接結構產品中得到了廣泛的應用。而在工業焊接的過程中，經常會產生氣孔、出現裂紋、接頭“等強性”等現象，極大了影響到工業生產制造的質量。首先，焊接過程中產生氣孔主要是由氫氣導致的，而氫氣來源主要來自于各種原因產生的水，避免氣孔的主要途徑是通過消除熔池吸水來解決的，具體方法包括，焊前的處理，需要焊接材質的干燥，做好焊接前的工件表明雜志的清除工作，確保氬氣中含水量低于0.08%；焊接過程中，做好焊接工藝，通過控制熔池高溫時間，促進氫的析出，也就是說可采用高溫情況下快速焊接，以提高氫的析出。其次，導致焊接裂紋的原因包括以下兩方面，第一，熔池存在脆性溫度區間，從液態到冷卻凝固的時間內，存在某一穩定范圍，強度和脆性低，容易出現焊接裂縫；第二，較大的焊接膨脹系數，使得熔池冷卻的過程中存在較大的拉伸變形，尤其是在脆性溫度區間，增強了冷卻凝固過程中裂縫出現的幾率，為此，可以通過縮短脆性溫度區間，提高焊接工藝及填充其他金屬元素等方式，防止焊接過程中出現過多的裂紋。最后，針對非時效強化鋁合金焊接過程中，出現等強性問題，退火焊接，接頭之間等強，冷卻狀態下，接頭之間非等強；而時效強化鋁合金，無論是在退火還是冷卻情況下，接頭彼此之間都會出現非等強現象。可以通過焊后熱處理，加墊板及強調焊接順序等方式，避免接頭非等強的出現。

三、鋁及鋁合金新興焊接技術

傳統的焊接技術包括TIG焊、MIG焊等，相對來說所需的設備、設施簡單，應用時間長，技術純熟，能夠很好的節約成本。但是在實際焊接過程中，經常會出現焊接問題，無法滿足高質量、高性能的焊接需求，極大的限制了工業制造的水平。針對傳統焊接過程中出現的問題，現代新興焊接技術將朝著以下方向發展。

（一）焊接技術革新

將微處理、數字化技術等應用于傳統的焊接技術，由此產生現代新興焊接技術，包括雙焊槍TIG、調制脈沖焊等，這些新興的焊接技術，不僅大大提高了焊接效率，而且減少了焊接縫隙。TIG焊，不僅焊接工藝簡潔，而且提高了焊縫強度及伸展性，調制脈沖焊，極大的減少焊接過程中氣孔的出現，能夠有效降低焊紋的敏感性，極大的提高了焊接工藝的內外質量。

（二）高能密度焊

高能密度焊包括激光焊、離子焊、電子束焊等。其中激光焊最早起于1960年左右，主要通過二氧化碳和YAG激光進行焊接，不僅焊接過程中的能量高，穿透力強，焊接速度快，能夠實現自動化、精密化控制，而在實際焊接過程中，也會出現多種缺陷，為了克服激光焊接過程中的不足，有研究提出通過復合焊接方式，如結合TIG焊、MIG焊等途徑，消除焊接缺陷，擴大了激光焊的應用范圍，提高了激光焊的焊接質量；電子束焊起于1950年左右，其中真空電子焊，具有精準度高、效率高、穿透性強等優勢，尤其是高能量密度特點，能夠極大的縮短熱影響區，提高接頭處焊接質量，防止接頭處焊接裂紋的出現，適用于鋁合板較厚情況下的焊接，如航空航天、汽車制造等多領域。等離子焊接起于1980年左右，不僅能量密度極高，而且射流速度快，使得焊接過程中能量集中，焊接過程中的變形小，接頭之間等強。焊接的厚度可到2.5cm，極大的提高了焊接的質量。現階段，等離子焊接主要應用于航天產品項目中，相比于歐美國家，我國的等離子焊起步較晚，技術發展尚處于摸索階段，未來還有很長一段時間的路需要走。

（三）攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊接最早起于1991年的英國，歷經20多年的發展，攪拌摩擦焊技術發展相對成熟，已被廣泛應用于工業生產。焊接攪拌焊技術不僅成本相對較低，而且適應性強，尤其是接頭處的綜合力學性能，使得焊接質量的自動化程度提高，對人的依賴性下降，其最大的不足時，焊接過程中的機械力大，對焊接工件的剛性要求極高。而作為一項固態焊接技術，尤其適應于現代焊接水平要求，具有顯著的經濟效率，也會逐步的取代溶焊技術，成為為了鋁合金焊接的主要技術手段。

四、小結

鋁及其合金焊接技術廣泛應用于工業生產，而焊接技術的不斷發展，焊接質量、焊接性能不斷提高，極大了改善了傳統焊接技術的諸多不足，促進了鋁合金構建的制造水平。基于此，本文以傳統鋁及鋁合金焊接過程中的出現的問題為出發點，對現代新興鋁及鋁合金焊接技術進行了概述，為鋁及鋁合金工藝的積極開發及高性能鋁合金產品的發展提供理論依據。

參考文獻：

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第二篇：鋁合金激光焊接技術

一、鋁合金激光焊接的發展

鋁合金密度低，但強度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊接技術的發展，同時焊接技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金的焊接技術正成為研究的熱點之一。

不過，鋁合金本身的特性使得其相關的焊接技術面臨著一些亟待解決的問題：表面難溶的氧化膜、接頭軟化、易產生氣孔、容易熱變形以及熱導率過大等。以往的生產實踐中，鋁合金的焊接常用鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。雖然這兩種焊接方式能量密度較大，焊接鋁合金時能獲得良好的接頭，但仍然存在熔透能力差、焊接變形大、生產效率低等缺點。用這些傳統的、應用于黑色金屬的焊接方法焊接鋁合金，并不能達到工業上高效、無缺陷、性能佳的要求，于是人們開始尋求新的焊接方法，20世紀中后期激光技術逐漸開始應用于工業。歐洲空中客車公司生產的A340飛機機身，就采用激光焊接技術取代原有的鉚接工藝，使機身的重量減輕18 %左右，制造成本降低了近25 %。德國奧迪公司A2和A8全鋁結構轎車也獲益于鋁合金激光焊接技術的開發和應用。這些成功的事例大大促使對激光焊接鋁合金的研究，激光技術已經成為了未來鋁合金焊接技術的主要發展方向，因為激光焊接具有其獨特的優點：

(1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到窄的熔化區和熱影響區以及熔深大的焊縫。

(2)冷卻速度快，焊縫組織微細，故焊接接頭性能良好。

(3)焊接能量可精確控制，可靠性高，針對不同的要求有較高的適應性。(4)可進行微型焊接或實現遠距離傳輸，不需要真空裝置，利于大批量自動化生產。

二、激光焊接鋁合金的難點及解決措施 1.鋁合金表面的高反射性和高導熱性

這一特點可以用鋁合金的微觀結構來解釋。由于鋁合金中存在密度很大的自由電子，自由電子受到激光（強烈的電磁波）強迫震動而產生次級電磁波，造成強烈的反射波和較弱的透射波，因而鋁合金表面對激光具有較高的反射率和很小

吸收率。同時，自由電子的布朗運動受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導熱性。

針對鋁合金對激光的高反射性，國內外學者都作了大量研究，試驗結果表明，進行適當的表面預處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學浸蝕、表面鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大鋁合金對光束能量的吸收。另外，從焊接結構設計方面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用光收集器形式接頭，開V形坡口或采用拼焊(拼接間隙相當于人工制孔)方法，都可以增加鋁合金對激光的吸收，獲得較大的熔深。另外，還可以利用合理設計焊接縫隙來增加鋁合金表面對激光能量的吸收(如圖1)。從圖上可以直觀的反應出，將焊縫和激光束的位置關系由圖1(a)改為圖1(b)或圖1(c)，使激光束與縫壁有一定角度后，激光束能夠在縫隙內多次反射，形成一個人工小孔，增加了焊件對激光能量的吸收。

圖1 改變焊縫幾何形狀

2.小孔的誘導和維持

小孔的誘導和維持是鋁合金激光焊接中的特有困難，這是由鋁合金材料特性和激光光學特性造成的。激光焊接的過程中，小孔可看成是鋁合金的黑體，能大大提高材料對激光的吸收率，為母材獲得更多的能量耦合，這有利于提高焊接接頭的質量。但由于鋁合金的高反射性和高導熱性，要誘導小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而鋁元素以及鋁合金中的Mg、Zn、Li沸點低、易蒸發且蒸汽壓大，雖然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對能量的屏蔽和吸收，減少了激光對母材的能量輸入）使得等離子體本身“過熱”，卻阻礙了小孔維持連續存在。

由于能量密度閾值的高低本質上受其合金成分的控制，因此可以通過控制工藝參數，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，有助于獲得穩定的焊接過程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護氣體種類的影響。研究表明，激光焊接鋁合金時使用N2氣時可較容易地誘導出小孔,而使用He氣則不能誘導出小孔。這是因為N2和Al之間可發生放熱反應，生成的Al-N-O 三元化合物提高了對激光吸收率。

三、激光焊接鋁合金容易產生的缺陷及消除方法 1.氣孔

鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔，焊縫氣孔的形成機理比較復雜，一般認為存在兩類氣孔:氫氣孔和由于小孔的破滅而產生的氣孔。氫氣孔是由于氫（主要來自表層的濕氣與微量水）在熔池金屬中的可溶性引起的，激光焊接冷卻速度極快，導致氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面張力大于蒸氣壓力，不能維持穩定而塌陷，液態金屬來不及填充就造成孔洞。另外，低熔點、高蒸氣壓合金元素蒸發導致氣孔，表面氧化膜在焊接過程中溶解到熔池中也會形成氣孔。

從氫氣孔的形成原理可知，表層物質是氫元素的主要來源，因此選擇正確的焊前表面預處理可以有效地減少氫氣孔的產生。對于由小孔塌陷引發的氣孔，則要求選擇適當的保護氣體并合理控制流量流速，在條件允許下采用高功率、高速度、大離焦量(負值)的焊接方式，可以進一步消除氣孔的產生。

2.熱裂紋

鋁合金的焊接裂紋都是熱裂紋，與冷卻時間（或焊接速度）密切有關，主要有結晶裂紋和液化裂紋。鋁合金激光焊接產生的結晶裂紋是由于焊縫金屬結晶時在晶界處形成低熔點共晶化合物導致的，焊縫金屬氧化生成的Al2O3和AlN也會成為微裂紋的擴展源。液化裂紋是熔化的鋁合金在凝固過程中局部塑性變形量超過其本身所能承受的變形量的結果。

目前常用的消除熱裂紋的方法是使用填充材料，即填絲，這能有效地防止焊接熱裂紋，提高接頭強度。此外，調整激光能量的輸入方式，合理選擇脈沖點焊時的脈沖波形，焊縫熔化凝固重復進行，以降低熔池凝固時的凝固速度，這種在凝固過程中增加熱循環的控制方法同樣可以減少結晶裂紋。

3.Mg、Zn等元素的燒損

使用激光焊接鋁合金時，焊縫的加熱和凝固速度都非常快，這使得Mg，Zn 等低熔點強化元素發生燒損，導致焊縫硬度和強度下降。Mg 的沸點為1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸發燒損。燒損現象使得焊縫成型時的晶粒大小嚴重不均勻，從金屬學角度講，大晶粒的存在破壞合金元素的強化作用，導致焊縫的強度明顯比母材低。

防止合金元素的燒損主要從控制合金成分入手，在保證鋁合金質量和接頭要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。

四、鋁合金激光焊接的工藝參數

鋁激光焊接的工藝參數主要有: 功率密度、焊接速度、焦點位置、保護氣體種類及流量等，它們直接決定著焊縫成形。

1.功率密度

激光的功率密度是決定焊縫熔深的最主要因素。當其他工藝參數保持不變時，隨著功率密度的增大，焊縫深寬比增大。因為功率密度增大時，蒸汽壓力能克服熔化成液態金屬的表面張力和靜壓力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量——“小孔效應”。但是如果功率密度過大，使金屬強烈汽化，嚴重燒損合金，焊縫成型組織的晶粒過大，焊縫的硬度和強度均下降。并且，大量的光致等離子體的冷卻和屏蔽作用，使得熔深反而下降。

2.焊接速度

在其他工藝參數不變的情況下，熔深隨焊速的增加而減小，焊接效率隨焊速的增加而提高。但是速度過快，到達焊縫處的線能量密度較低，會使熔深達不到焊接要求；速度過慢，則線能量密度過高，母材過度熔化和燒損，降低接頭性能，甚至引發熱裂紋。因此，對一特定厚度的鋁合金工件，選擇確定激光功率密度之后，存在著既能維持合適的焊縫深寬比又不會使工件過熱的最佳焊速，這可以從以往的生產實踐中總結經驗或者查閱相關文獻獲得。

3.焦點位置

研究表明，鋁合金激光焊接的焦點位置與熔深的關系如圖2所示。我們可以看出，熔深隨焦點位置的變化有一個跳躍性變化過程：當焦點處于偏離工件表面較大(2 mm)時，工件表面光斑尺寸較大，因此光束能量密度較低，屬于以熱傳

導為主的熔化焊，熔深較淺； 而當焦點靠近工件表面某一位置(2 mm)時，工件表面入射光束能量密度值增大到臨界值，產生小孔效應，因此熔深發生跳躍性增加。經試驗得到，當焦點位置在工件表面上方1 mm 處時焊縫熔深最大。

圖2 焦點位置對焊縫熔深的影響

4.保護氣

和電子束焊接相比，激光焊接不需要真空環境，但焊接鋁合金需采用保護氣體，其目的是抑制光致等離子體，并排除空氣使焊縫免受污染。光致等離子體的形成不僅來自被離子化的金屬母材蒸汽，而且和保護氣體本身性質也有很大的關系。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復合速率越高；另一方面，保護氣體本身的電離能應該高，不致因氣體本身的電離而增加電子密度。鋁合金激光焊接傳統上采用的保護氣體主要有三種：Ar、N2、He。理論上He最輕且電離能最高，但是在較低功率、較高焊速下，由于等離子體很弱，不同保護氣體差別很小。研究表明，在相同條件下，使用N2容易誘導小孔，主要是N2和Al 之間可發生放熱反應，生成的Al－N－O 三元化合物對激光的吸收率要高一些，純N2 會在焊縫中產生AlN 脆性相，同時易形成氣孔。而采用惰性氣體保護時，由于質輕而逸出，氣孔形成機率小，因此采用混合氣體保護效果較好。現在也有采用Ar－O2，N2－O2等氣體進行鋁合金激光焊接的研究越來越多。

五、先進的鋁合金激光焊接技術 1.鋁合金的激光-電弧復合焊

現在激光焊接鋁合金還處于發展階段，設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等制約了純激光焊接鋁合金的應用。目前，激光-電弧復合焊在德國和日本等發達國家研究比較多，激光-電弧復合主要是激光與TIG電弧、MIG電弧及等離子體復合，分別如圖3、4所示。這種工藝在汽車制造業中已有一定的應用，如德國大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-M IG焊道，而且還可以用來焊接車體及輪軸。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等問題。這是因為焊接鋁合金時，激光與電弧的相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產生良好的復合效應——兩種熱源同時作用在一個相同區域的疊加效應——高的能量密度導致了高的焊接速度，顯著提高焊接效率。

圖3 激光-TIG復合焊接鋁合金原理圖

圖4 激光-MIG復合焊接鋁合金原理圖

2.鋁合金的雙光束激光焊接

單束激光焊接鋁合金時，由于小孔的塌陷而容易產生氣孔。李俐群[10]等學者研究表明，采用如圖5所示的雙光束焊接鋁合金，焊縫成形美觀、無飛濺或凹坑等缺陷，對焊接參數適應性更好；等離子體穩定性提高；氣孔大大減少。這是因為采用雙光束激光焊接時，第一束激光產生熔池，并對焊接區域附近進行預熱積累熱量。當第二束激光照射該處時，更多的母材能夠熔化，從而使得形成焊縫更寬。同時，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁氣化，防止其塌陷，大大減小了形成氣孔的幾率。雙光束激光焊接鋁合金的技術已經在德國軍用飛機EADS進氣管的焊接上得到了應用。

圖5 雙光束激光焊接鋁合金的原理圖

3.鋁合金激光填絲焊技術

在新興的鋁合金焊接技術中，攪拌摩擦焊需要針對被焊母材的形狀和接口要求設計專用夾具，鋁合金激光填絲技術則解決了對工件裝夾、拼裝要求嚴的問題，而且用較小功率激光器就能實現厚板窄焊道的多層焊。另外通過調節焊絲成分，改善焊縫區組織性能，對裂紋等缺陷更易控制，顯著提高鋁合金焊接穩定性與適應性。鋁合金激光填絲焊示意圖如圖6所示。

圖6 鋁合金激光填絲焊示意圖

六、鋁合金激光焊接的前景展望

前面已經提到，日本和德國等發達國家已經開始將激光焊接鋁合金應用于汽車制造業。由于鋁合金具有高比強度、耐銹蝕、熱穩定性好、易成形、再生性好和簡化結構等一系列優點，在汽車業中倍受青睞。大量的對比研究和反復實踐證明，選用鋁合金材料是實現汽車輕量化的有效途徑。減輕汽車重量以降低能耗、減少污染、提高燃油效率，這是解決汽車節能和環保問題的最有效的措施。而激光焊接技術效率高、熱影響區小、能獲得良好的接頭質量。在鋁合金頗受汽車業青睞的大環境下，激光焊接鋁合金將會成為越來越成熟的工藝，并被推廣至船舶制造行業和航空航天產業。其實，上文也已經提到過，歐洲的空中客車已經在使用激光焊接鋁合金的技術部分取代傳統的鉚接技術。這種自動化程度極高、質量穩定的焊接方式甚至能夠滿足載人航天和可重復使用航天器對焊接結構的可靠性提出了更高的要求。我們可以預見，鋁合金激光焊接技術在近幾年將成為航天焊接研究領域工作者熱點之一。

第三篇：銅鋁焊接技術要點

銅鋁焊接技術要點

銅鋁焊接主要有兩種形式：

第一種：摩擦焊接（兩根銅棒高速旋轉摩擦對壓，通過高速摩擦產生熱能，溶化銅鋁棒，實現焊接）；

第二種：閃光焊接（通過大電流使銅鋁棒同時達到熔點，實現焊接）

-6鋁的熔點：657℃ ；比重系數：2.7膨脹系數：26.3×10/℃ 散

熱系數：2.1

-6銅的熔點：1038℃；比重系數：8.89膨脹系數：17.7×10/℃散

熱系數：3.9

環氧澆注樹脂膨脹系數為（35——50）×10-6 /℃

帶填料環氧澆注樹脂膨脹系數為（30——40）×10-6 /℃

由于銅的膨脹系數小于環氧澆注樹脂膨脹系數，所以線圈不會產生爆裂現象；

鋁的抗拉伸強度：7.5——10kg/mm2銅的抗拉伸強度：23——30kg/mm2

設備對銅的最大拉力為1.27噸，一般說2mm厚的箔拉力調整1.2噸，而鋁箔拉力去銅的1/3就可以了。1.5mm厚的箔產生間隙4mm，放置氣道條位置一般在相當于兩根銅排寬度。

無氣道線圈一般去掉鐵心小級

第四篇：《鋁及鋁合金》教案

《鋁及鋁合金》教學設計

一、教學課題

蘇教版《化學1》專題3第一單元《鋁及鋁合金》，讓學生了解鋁的主要性質，能運用鋁的性質解釋生產、生活中的一些實際問題，培養學生實驗操作能力、觀察能力和分析問題的能力。善于利用互聯網搜索，擴大知識面，加深對知識的理解。

二、教材分析

本節課要求掌握鋁的主要性質，結合知識解決生產、生活中的一些實際問題。

教學目標：

1、理解并掌握鋁的主要性質和用途

2、通過實驗探究和問題討論，了解實驗研究的方法。

3、通過動手實驗及分組討論，激發學生的探究熱情，形成對科學持續的內在興趣。

三、教學方法

教法：分組討論法、實驗探究法、多媒體課件教學、充分運用互聯網技術，搜索相關知識加深理解，激發興趣，提高能力。

學法：學生預習，上網查找相關資料，合作交流，解讀探究。

四、教學過程

軍事的發展其實也離不開化學，制造導彈、飛機的材料都要用到鋁合金。現在就讓我們走進鋁的世界。

[圖片觀察]同學們看，這幅圖(如圖1所示)展示了鋁的很多用途。用途由性質決定，請大家觀察這些圖片，討論、歸納鋁的物理性質。

[分組討論一] 由圖片討論并歸納出鋁的物理性質。[第一次展示高壓鍋] 請看，這是日常生活中常用的鋁制高壓鍋，高壓鍋中都有這樣的一張說明書，請一位同學上來讀一下說明書中關于清洗高壓鍋的注意事項。這位同學讀的內容已經顯示在大屏幕上了(如圖2所示)，請大家分組討論一下，從說明書中推測鋁可能有哪些化學性質？

[分組討論二]從說明書中推測鋁可能具有的化學性質。

[歸納總結]從說明書中可以看出，鋁能與酸、堿等物質反應。是不是這樣呢？我們用實驗來驗證。

[分組實驗] 鋁與酸、堿、鹽的反應。這是點滴板，今天的實驗就在點滴板中進行，主要做三個實驗：鋁與酸、堿、鹽的反應。(如圖3所示)實驗過程中請仔細觀察現象。

[匯報現象]已經完成實驗的小組請舉手。請同學來描述一下實驗現象。[原因分析]同樣是鋁片與硫酸反應，不同小組觀察到的現象為什么不一樣呢？（停頓）原來是硫酸的濃度不同，有的小組發的是稀硫酸，有的發的卻是濃硫酸。請到課本P68中尋找答案。

[啟迪升華]剛才的實驗告訴我們，活潑金屬與酸反應不一定都有氣體產生，這幾組同學觀察非常仔細，沒有主觀臆斷，而是尊重事實，科學探究要的就是這種實事求是的態度。

[分組討論三]常溫下，鋁片在濃硫酸中會“鈍化”，在空氣中能不能也形成致密的氧化膜呢？請結合生活實際來討論一下。

[歸納總結]鐵容易生銹，而鋁難腐蝕。為什么呢？鐵在空氣中被氧化，表面生成的Fe2O3是疏松的，不能阻止了內部的鐵進一步發生反應。鋁比鐵更活潑，但鋁在空氣中生成Al2O3是致密的氧化膜，阻止了內部的鋁進一步發生反應。(如圖4所示)[第二次展示高壓鍋]拿出高壓鍋并敲打，鋁制高壓鍋能否經常用鋼絲球擦洗？

[引導釋疑]擦了不是更亮嗎？(停頓片刻)擦了氧化，再擦再氧化，雖然漂亮，但越擦越薄。

[提出問題]鐵在純氧中劇烈燃燒，火星四射，鋁比鐵活潑，鋁在純氧中也能燃燒嗎？

[教師講解]鋁粉在氧氣中燃燒。利用盛有二氧化錳的廣口瓶，加適量的雙氧水可產生氧氣，用棉花包裹鋁粉，點燃。

[軍事應用]軍事上利用這個反應來制造信號彈、燃燒彈，還可用作火箭推進劑。

[提出問題]通過前面的分組實驗，大家觀察到：鋁不僅與酸溶液反應，也能與強堿溶液產生氣體。鋁與氫氧化鈉、水反應，生成了一種鈉鹽，叫偏鋁酸鈉。反應中鋁元素由0價升高到+3價，那產生的是什么氣體呢？請討論確定一下。

[分組討論四] 鋁與氫氧化鈉溶液反應產生的是什么氣體？

[歸納總結]從元素守恒看，氣體可能是氧氣或氫氣。從化合價看反應中鋁元素的化合價升高了，必然有元素化合價降低，能降低的元素只能是氫元素，生成的是氫氣。是不是呢？請觀察下面的演示實驗(如圖6所示)[演示實驗二]師生合作完成鋁粉與氫氧化鈉溶液反應

實驗

[得出結論]這種氣體可以燃燒，果然是氫氣。

[第三次展示高壓鍋]鋼絲球對高壓鍋是物理損害，而酸堿性食品腐蝕高壓鋁鍋是化學損害，原理是酸、堿先破壞表面氧化膜，繼而再與內部的鋁反應。

[播放視頻]（野外焊接鋼軌）

[提出問題]視頻中焊接鋼軌用到的那袋試劑是什么呢？

[演示實驗三]利用鋁熱反應來焊接鐵釘。下面我來模擬這個實驗，這是埋在沙里的兩根鐵釘，將它們相互靠近，同學們可將這兩根鐵釘想象成兩根鋼軌，再向試管中加入鋁粉和氧化鐵的混合物，加一定量氯酸鉀，氯酸鉀高溫產生氧氣，助燃。插上鎂條，鎂條燃燒可以產生反應需要的高溫。(如圖7所示)

[課堂鞏固練習] 1.鋁在人體中積累可使人慢性中毒，1989年世界衛生組織正式將鋁確定為食品污染源之一而加以控制。鋁在下列場合的使用須加以控制的是

（）①制鋁錠 ②制易拉罐 ③制電線、電纜 ④制包糖果用的鋁箔 ⑤制炊具⑥制防銹油漆

A．①②④⑤⑥

B．②⑤⑥

C．②④⑤

D．③④⑤⑥ 2.相同條件下，等質量的鋁分別與足量硫酸溶液、燒堿溶液反應產生的氫氣的體積比為（）

A．1∶l

B．2∶l

C．3∶D．1∶3 3.鋁合金因堅硬、輕巧、美觀、潔凈、易于加工而成為新型建筑裝潢材料，主要用于制作窗框、卷簾門、防護欄等。下列與這些用途無關的性質是

（）A．不易生銹

B．導電性好

C．密度小

D．強度高

五、教學反思

（1）充分體現“從生活走進化學，從化學走向社會”的教學理念。從生活視角巧妙進入化學視角，調動了學習化學的積極性。

（2）課堂上每個實驗都有震撼力。實驗現象很“刺激”。學生激動、歡呼，對學科知識的理解將是何等深刻。

（3）充分利用互聯網搜索視頻，加強了學生的直觀認識，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果。

第五篇：幾種鋁合金焊接先進工藝

鋁合金焊接的幾種先進工藝:攪拌摩擦焊、激光焊、激光-電弧復合焊、電子束焊。針對于焊接性不好和曾認為不可焊接的合金提出了有效的解決方法,幾種工藝均具有優越性,并可對厚板鋁合金進行焊接。

關鍵詞: 鋁合金 攪拌摩擦焊 激光焊 激光-電弧復合焊 電子束焊

鋁合金焊接的特點

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構產品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結構重量可減輕50 %以上。

鋁合金焊接有幾大難點:

①鋁合金焊接接頭軟化嚴重,強度系數低,這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙;

②鋁合金表面易產生難熔的氧化膜(Al2O3 其熔點為2060 ℃),這就需要采用大功率密度的焊接工藝;

③鋁合金焊接容易產生氣孔;

④鋁合金焊接易產生熱裂紋;

⑤線膨脹系數大,易產生焊接變形;

⑥鋁合金熱導率大(約為鋼的4 倍),相同焊接速度下,熱輸入要比焊接鋼材大2～4 倍。

因此,鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。

鋁合金的先進焊接工藝

針對鋁合金焊接的難點,近些年來提出了幾種新工藝,在交通、航天、航空等行業得到了一定應用,幾種新工藝可以很好地解決鋁合金焊接的難點,焊后接頭性能良好,并可以對以前焊接性不好或不可焊的鋁合金進行焊接。

2.1 鋁合金的攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)是由英國焊接研究所TWI(The Welding Institute)1991 年提出的新的固態塑性連接工藝[1～2 ]。圖1為攪拌摩擦焊接示意圖[3 ]。其工作原理是用一種特殊形式的攪拌頭插入工件待焊部位,通過攪拌頭高速旋轉與工件間的攪拌摩擦,摩擦產生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態,并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動,從而使焊件壓焊在一起。圖2 為攪拌摩擦焊接過程[4 ]。由于攪拌摩擦焊過程中不存在金屬的熔化,是一種固態連接過程,故焊接時不存在熔焊的各種缺陷,可以焊接用熔焊方法難以焊接的有色金屬材料,如鋁及高強鋁合金、銅合金、鈦合金以及異種材料、復合材料焊接等。目前攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應用較多。已經成功地進行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括2000 系列(Al-Cu)、5000 系列(AlMgZn)、8000 系列(Al-Li)等。國外已經.進入工業化生產階段,在挪威已經應用此技術焊接快艇上長為20 m 的結構件,美國洛克希德·馬丁航空航天公司用該項技術焊接了鋁合金儲存液氧的低溫容器火箭結構件。

鋁合金攪拌摩擦焊焊縫是經過塑性變形和動態再結晶而形成,焊縫區晶粒細化,無熔焊的樹枝晶,組織細密,熱影響區較熔化焊時窄,無合金元素燒損、裂紋和氣孔等缺陷,綜合性能良好。與傳統熔焊方法相比,它無飛濺、煙塵,不需要添加焊絲和保護氣體,接頭性能良好。由于是固相焊接工藝,加熱溫度低,焊接熱影響區顯微組織變化小,如亞穩定相基本保持不變,這對于熱處理強化鋁合金及沉淀強化鋁合金非常有利。焊后的殘余應力和變形非常小,對于薄板鋁合金焊后基本不變形。與普通摩擦焊相比,它可不受軸類零件的限制,可焊接直焊縫、角焊縫。傳統焊接工藝焊接鋁合金要求對表面進行去除氧化膜,并在48 h 內進行加工,而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可,并對裝配要求不高。并且攪拌摩擦焊比熔化焊節省能源、污染小。

攪拌摩擦焊鋁合金也存在一定的缺點:

①鋁合金攪拌摩擦焊接時速度低于熔化焊;

②焊件夾持要求高,焊接過程中對焊件要求加一定的壓力,反面要求有墊板;

③焊后端頭形成一個攪拌頭殘留的孔洞,一般需要補焊上或機械切除;

④攪拌頭適應性差,不同厚度鋁合金板材要求不同結構的攪拌頭,且攪拌頭磨損快;

⑤工藝還不成熟,目前限于結構簡單的構件,如平直的結構、圓形結構。攪拌摩擦焊工藝參數簡單,主要有攪拌頭的旋轉速度、攪拌頭的移動速度、對焊件的壓力及攪拌頭的尺寸等。

2.2 鋁合金的激光焊接

鋁及鋁合金激光焊接技術(Laser Welding)是近十幾年來發展起來的一項新技術,與傳統焊接工藝相比,它具有功能強、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區小、焊接變形小、速度高、易于工業自動化等優點,特別對熱處理鋁合金有較大的應用優勢。可提高加工速度并極大地降低熱輸入,從而可提高生產效率,改善焊接質量。在焊接高強度大厚度鋁合金時,傳統的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時形成大深度的匙孔,發生匙孔效應,則可以得到實現。

激光焊接鋁合金有以下優點:

①能量密度高,熱輸入低,熱變形量小,熔化區和熱影響區窄而熔深大;

②冷卻速度高而得到微細焊縫組織,接頭性能良好;

③與接觸焊相比,激光焊不用電極,所以減少了工時和成本;

④不需要電子束焊時的真空氣氛,且保護氣和壓力可選擇,被焊工件的形狀不受電磁影響,不產生X 射線;

⑤可對密閉透明物體內部金屬材料進行焊接;

⑥激光可用光導纖維進行遠距離的傳輸,從而使工藝適應性好,配合計算機和機械手,可實現焊接過程的自動化與精密控制。

現在應用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,對于要求大功率的厚板焊接比較適合。但鋁合金表面對CO2 激光束的吸收率比較小,在焊接過程中造成大量的能量損失。YAG激光一般功率比較小,鋁合金表面對YAG激光束的吸收率相對CO2激光較大,可用光導纖維傳導,適應性強,工藝安排簡單等。

在焊接大厚度鋁合金時,傳統的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時形成大深度的匙孔,發生匙孔效應,則可以得到實現。圖3 為激光焊接時的小孔形狀。圖4 為激光深熔焊示意圖[5 ]。

鋁及鋁合金的激光焊接難點在于鋁及鋁合金對輻射能的吸收很弱,對CO2 激光束(波長為10.6μm)表面初始吸收率1.7 %;對YAG激光束(波長為1.06 μm)吸收率接近5 %。圖5 為不同金屬對激光的吸收率。比較復雜,高頻引弧時引起電極燒損和電弧擺動,起弧后穩定性不強,同時在電弧的高溫狀態下,電極迅速燒損。但激光與等離子弧復合可明顯提高熔深和焊接速度。傳統

Mig，用鋁合金焊絲填充。Tig，氬弧焊（非熔化極）。