鋁焊

今天，人們每天都會和鋁有親密接觸，很少會對這種材料多加思考。單就美國來說，每年就要消耗一千億個鋁質飲料罐。這些鋁罐大約有60%再循環，又做成新的鋁質用品。

在汽車行業，把鋁當成一種優先材料來使用已取得重大進步。一般的現代機動車採用鋁材較以前都有增長。輻射器、引擎塊、傳送外殼、車輪、車身面板、保險杠、空間框架、引擎支架、驅動軸和懸框普遍都是用鋁做成。

除了汽車，我們的家居和辦公大樓建成都更多地採用鋁。包括窗框、水槽、電線、外牆板、房頂。通常傢具 也是由鋁合金 做成的。

要想在當今世界研究認識鋁，應該記住1903年12月17日在北卡羅琳娜萊特兄弟在Kitty Hawk的第一次試飛，發動引擎就是鋁做成的。如果在飛機業的發展中不能使用鋁，那我們今天所熟知的飛機將不存在。鋁極高的承載重量比是今天的巨型飛機能用相對小的引擎飛行的理由所在。

雖然世界上許多其它地區都盛產鋁，但美國才是世界上最大的制鋁商。容器和包裝是鋁最大的市場；交通（汽車、卡車、飛機和火車）是第二大市場。其次是建築 業。今天，從廚房裡使用的烹調用具，到高速公路上的指示牌，鋁無處不在。鋁在日常生活中如此普遍重要，可以想象，鋁已經長期存在。在現實中，把鋁礦轉換成我們熟悉，每天使用的鋁的工藝已出現。鋁的工業生產在十九世紀晚期才開始，這讓這種材料在常見金屬中來得晚些。

自從地球形成以來，鋁就是早已存在的92種金屬元素中的一種。地殼大約8%由鋁構成，只有氧（47%）和硅（27%）的含量超過它。儘管鋁很充足，但直到進入鐵器時代2000年，鋁才脫離礦石狀態。過了無數個千年後（經過物理和化學活動），古老的鋁-硅岩石沉入地面，成為極細的小微粒。這些微粒形成鋁黏土，原始陶瓷 就是由它做成的。地球周圍的寬頻中，硬雨和高溫炙烤、夯實黏土和其他形成鋁礦的大型沉澱物的化物。這種礦石最先在法國的Les Baux發現，叫做“鐵鋁氧石”。當這種礦石提煉時，形成鋁氧化物，也叫做礬土。

幾千年後，人們想要發明和我們熟知的金屬鋁相似的物質，但沒有成功。這種金屬發展遲緩的主要原因是很難從礦石中提取。它在一種化合物中，和氧原子緊密結合。這種化合物不像鐵，在和碳發生反應時不會減少。

1808-1812年間，英國人Humphrey Davy先生懷疑與從天然礦石中提取的鐵混合的是一種新金屬，他首先致力於對此進行研究。Davy把這種新元素命名為“鋁”，它是從它的硫酸氫鹽明礬中提取出來的，古埃及人早已熟知明礬在染料中的用處。1825年， Hans Christian Orsted在丹麥第一次成功在化學品天秤上製成鋁。稍後不久,Friedrich Wohler在德國也成功做到了這一點。最後，在1854年，法國人Henri-Etienne Sainte Clair Deville（把礦石命名為“鐵鋁氧石”的人）找到了通過化學工藝產生鋁的一種方法。即使建造了幾家工廠來製造這種新金屬，但它是如此昂貴，在1855年巴黎博覽會上，樣品都是放在法國皇冠珠寶旁邊向公眾展示。

又過了30多年，製造鋁的一種經濟節約的工藝才出現。1886年，一次神奇的機緣巧合，兩個人（一個在法國，另一個在美國）同時發現了製造鋁的電解工藝，這種工藝直到今天仍在使用。

美國的Charles Martin Hall對生產鋁產生興趣時還是Oberlin（俄亥俄州）大學的學生。他在1885年畢業後繼續使用大學實驗室，並在八個月後發明了他的方法。他最終發明了一種可行的電解工藝，當提純明礬用在稱為冰晶石的溶鹽中溶解，並在直流中電解時，形成熔化鋁。當Hall去為他的這項工藝申請專利時，他發現了一項法國專利，本質和他發明的工藝相同，是由Paul L.T. Heroult發明的。

此項工藝稱為Hall-Heroult工藝。Charles Martin Hall幾次想讓投資人對推廣這一發明感興趣，但都失敗了。之後，他獲得了Alfred E.Hunt和他的幾個朋友的支助。他們一起成立了匹茲堡提煉公司（後來變成美國鋁公司，ALCOA）。了解了鋁的潛力，Hall在美國創建了一個產業，為其他產業的發展作貢獻，尤其是飛機和汽車製造方面。

1888年左右，鋁的工業生產幾乎在美國和歐洲同時開始盛行#-在美國賓夕法尼州匹茲堡使用的是Hall的工藝，在瑞士Neuhausen使用的是Heroult的工藝。到1914年，Hall-Heroult工藝讓鋁的成本不可思議地降了下來。鋁，這種曾用於精美珠寶的珍貴金屬，這種材料廣泛應用，好處很多。

後來，鋁的生產成倍增長。1918年，產量已達到180，000噸。自那時起，鋁長期保持穩定增長。從二十世紀七十年代中期起，鋁的生產量和消耗量平均每年增長大於8%。1952年，西方世界鋁的總消耗量達到200萬噸，，1989年達到2千萬噸。鋁被認為是未來的材料。

在發現生產鋁這種節約成本的材料的合適方法后，下一步就是對這種基礎材料進行加工和改良。

純鋁有一些獨特而重要的特徵。舉個例子，防腐性和電導性。但是，由於純鋁承載率相對較低，所以不是進行結構焊接裝配的最佳材料。人們很快發現，在純鋁中添加相對小量的合金元素，鋁的特性會發生很大改變。生產第一批鋁合金，其中之一就是鋁-銅合金。1910年左右，發現合金家族中的沉澱物硬化現象。許多這些沉澱物硬化合金在發展中的飛機業產生的效益立竿見影。緊跟著鋁-銅合金，許多其它合金也發展起來。研究發現，通過加入像銅（Cu）,錳（Mn）, 鎂（Mg）,硅（Si）和鋅（Zn）和這些元素的混合物，純鋁的各種物理和機械特徵發生了明顯的變化。許多這些新合金都能匹配質量好的碳鋼的承載力——三分之一的重量。

許多新的適合結構應用的鋁合金的發展又提出了一個問題，就是找到合適的連接方法。首先要有合適的母材。但如果沒有連接這一材料的實際可行的方法，把這種材料作為裝配材料也不現實。

鋁合金焊接工藝的發展與碳鋼有所不同。由於原鋁合金有許多元素，每一種合金元素對母材的可焊性不同的影響，所以有必要發展很多不同的填充合金以適應這些不同的合金元素。比如，一些原鋁合金有特殊的化學性，為特定合適的機械和物理特徵設計，而且並沒有最好的可焊性。

這些合金的化學性質凝固特性不好，容易產生凝固裂紋。為了發展合適的焊接工藝，不產生有裂紋的焊縫，必須掌握每種不同的合金的凝固裂紋敏感性。這一焊接發展工作從本身來說就是一個大工程。許多工作由鋁母材製造商完成，因為他們方便知道鋁的可靠焊接方法和工藝，同時也鋁裝配工完成，他們也知道這種新型材料的潛力，很希望使用它。美國焊接發展的兩個先鋒是ALCOA（美國鋁公司）和Kaiser 鋁化學公司，都有出版物；焊接ALCOA鋁最早在1954年出版（見圖1），焊接Kaiser鋁最早在1967年出版。

在現代工業世界競爭時代，結構金屬必須可焊性好。最早適合鋁的焊接技術包括羥基燃料氣焊和電阻焊。鋁弧焊主要局限於SMAW（手工電焊弧），有時叫MMA。這一焊接工藝使用管狀焊條。很快發現，這一工藝並不最適於焊接鋁。主要問題之一就是焊劑殘留引起的腐蝕，尤其是在填充焊縫裡，焊劑留在焊縫后，促進了焊縫的腐蝕。

鋁作為結構金屬的突破是隨著二十世紀四十年代惰性氣體焊接工藝的出現而實現的。比如，GMAW（氣體金屬電弧焊），也叫MIG（熔化極惰性氣體保護電弧焊）；GTAW（氣體鎢極電弧焊），也叫TIG（鎢極惰性氣體保護電弧焊）。隨著在焊接中出現使用惰性氣體保護熔化鋁的焊接工藝，就可能以高速，全方位打出高質量，高承載力焊縫，沒有腐蝕焊劑。

今天，使用各種技術和焊接工藝使鋁和鋁合金可焊性好。最近的兩個工藝是激光束焊（LBW）和攪拌摩擦焊（FSW）。但是，GTAW/TIG和GMAW/MIG焊接工藝仍然是最流行的。

1、雙面同步氬弧焊；筒體內外的2名焊工要同時起弧，向同一方向焊接，配合默契。留有間隙的坡口，裡外的焊工可以彼此看到相互的電弧掌握焊接的速度，沒有間隙的坡口也可以根據透出焊肉的高低來判斷是否速度一致，如果透得多，裡面的焊工速度可以快一點，如果少可以慢一點。裡面的焊工根據坡口的形式可以選擇不送絲，由於外部要熔焊絲，外面焊機的焊接電流一般高出裡面焊機焊接電流的10-20A左右，盡量減少焊接的層數，因為焊層越多，越易產生氣孔。坡口加工的不平度要求均勻，對口間隙要均勻，可以通過點固焊的方式或者加不鏽鋼的間隔板的方法來控制對口間隙。

2、帶不鏽鋼襯環的單面焊接：焊工在外坡口起弧焊接，熔點溫度較高的不鏽鋼襯環迫使內透的焊肉完好成形，保證焊縫內部的表面成形，單面帶襯環的焊縫，避免電弧溫度過高熔化不鏽鋼襯環，在打磨時也應避免打磨到不鏽鋼襯環，造成不鏽鋼材質污染。

1、製冷行業鋁管的套接，中央空調銅與鍍鋅管，不鏽鋼管，鋁管的異種焊接。

2、變電行業的鋁端子，鋁引線，鋁導電排的焊接。

3、電子電器工業的散熱器管，電機，母線的焊接。

4、另用於生產生活中水龍頭、耦合連接器、配套的螺母等等。