如何及为何要在铝中加入合金元素

了解您的合金：成功焊接铝的关键

纯铝通常不用于结构应用。为了生产具有足够强度的铝来制造结构部件，有必要在铝中添加其他元素。那么，这些铝合金中可以添加哪些元素呢？添加这些元素对材料性能有任何影响吗？这些合金的用途是什么？

纯铝为何不适合结构应用

由于其强度特性，选择纯铝（1xxx 系列合金）用于结构制造的情况非常罕见。虽然 1xxx 系列几乎是纯铝，但它们会对应变硬化产生反应，尤其是当它们含有相当数量的杂质（如铁和硅）时。然而，即使在应变硬化条件下，与其他系列铝合金相比，1xxx 系列合金的强度也很低。当选择 1xxx 系列合金用于结构应用时，通常是因为其出色的抗腐蚀性能和/或高导电性。1xxx 系列合金最常见的应用是铝箔、电气母线、金属化焊丝、化学槽和管道系统。

如何及为何要在铝中加入合金元素

向铝中添加合金元素是用于生产各种不同材料（可用在各种各样的结构应用中）的主要方法。

如果我们考虑用于锻造合金的七个指定的铝合金系列，则可以立即确定用于生产每个合金系列的主要合金元素。然后，我们可以进一步研究其中每种元素对铝的影响。此外，我们还增加了一些其他常用元素及其对铝的影响。

系列	主要合金元素
1xxx	铝 - 99.00% 或更高
2xxx	铜
3xxx	锰
4xxx	硅
5xxx	镁
6xxx	镁和硅
7xxx	锌

铝中合金元素的主要影响如下：

铜 (Cu) 2xxx – 铝铜合金通常含有 2% 至 10% 的铜，其他元素的添加量较小。铜可以极大地增加强度，并促进沉淀硬化。在铝中加入铜也会降低延展性和抗腐蚀性。铝铜合金的凝固开裂敏感性会增加。因此，其中一些合金可能在焊接时是最具挑战性的铝合金。这些合金包括一些强度最高的可热处理铝合金。2xxx 系列合金最常见的应用是航空航天、军用车辆和火箭翼。

锰 (Mn) 3xxx – 在铝中加入锰可通过固溶强化来提高铝的强度。它还能改善应变硬化，而不会明显降低延展性或抗腐蚀性。这些是中等强度的非热处理材料，在高温下保持强度，很少用于主要结构应用。3xxx 系列合金最常见的应用是厨具、散热器、空调冷凝器、蒸发装置、热交换器和相关管道系统。

硅 (Si) 4xxx – 在铝中加入硅可降低熔化温度，提高流动性。在铝中仅加入硅会产生一种不可热处理的合金。然而，与镁结合后会产生一种沉淀硬化热处理合金。因此，在 4xxx 系列中既有可热处理合金，也有不可热处理合金。在铝中加入硅通常用于制造铸件。4xxx 系列合金最常见的应用是用于铝熔焊和钎焊的焊丝。

镁 (Mg) 5xxx - 在铝中加入镁可通过固溶强化提高其强度，提升其应变硬化能力。这些合金是强度最高的非热处理铝合金，因此广泛用于结构应用。5xxx 系列合金主要作为薄板和板材生产，偶尔作为挤压件生产。原因是这些合金应变硬化迅速，因此，很难挤出，且成本高昂。5xxx 系列合金的一些常见应用包括卡车和火车车身、建筑物、装甲车、船舶和造船、化学品运输船、压力容器和低温储罐。

镁和硅 (Mg₂Si) 6xxx – 在铝中加入镁和硅可生成复合镁硅化物 (Mg₂Si)。这种化合物的形成使 6xxx 系列具有耐热性。6xxx 系列合金挤压很方便，且经济划算。由于这个原因，6xxx 合金最常出现在各种各样的挤压形状中。这些合金与 5xxx 系列合金形成重要的互补体系。5xxx 系列合金以板材的形式使用，而 6xxx 通常以某种挤压形式连接到板材上。6xxx 系列合金的一些常见应用是扶手、驱动轴、汽车车架部分、自行车架、管状草坪家具、脚手架、加劲板及用于卡车、船只和许多其他结构制造的支架。

锌 (Zn) 7xxx – 在铝中加入锌（与其他一些元素，主要是镁和/或铜）可产生强度最高的可热处理铝合金。锌大大提高了强度，并允许沉淀硬化。其中一些合金容易发生应力腐蚀开裂，因此通常不进行熔焊。该系列中的其他合金通常可进行熔焊，效果很好。7xxx 系列合金的一些常见应用是航空航天、装甲车、棒球棒和自行车架。

铁 (Fe) – 铁是铝中最常见的杂质，人们有意将其添加到一些纯（1xxx 系列）合金中，以略微提高铝强度。

铬 (Cr) – 在铝中加入铬是为了控制晶粒组织，防止铝镁合金中的晶粒长大。它还有助于防止铝镁硅或铝镁锌合金在热处理过程中的再结晶。铬还可以降低应力腐蚀敏感性，提高韧性。

镍 (Ni) – 在铝铜合金和铝硅合金中加入镍是为了提高高温下的硬度和强度，并降低膨胀系数。

钛 (Ti) – 在铝中加入钛主要是作为晶粒细化剂。在钛熔体中加入硼或以含硼为主的 TiB2 合金加入，均可提高钛的晶粒细化效果。钛是铝焊丝中一种常见的添加物，因为它可细化焊缝结构，并有助于防止焊缝开裂。

锆 (Zr) – 在铝中加入锆可形成细小的金属间化合物颗粒沉淀，以抑制再结晶。

Lithium (Li) - 在铝中加入锂可大幅提高铝强度和杨氏模量，提供沉淀硬化，降低密度。

铅 (Pb) 和铋 (Bi) – 在铝中加入铅和铋可以辅助切屑的形成，提高可加工性。这些自由加工的合金通常不可焊接，因为铅和铋的熔点低，会产生较差的机械性能和/或对凝固的裂纹敏感性高。

总结

如今，工业上使用的铝合金种类繁多。目前，在美国铝业协会注册有 400 多种变形合金和 200 多种铸造合金。当然，在铝焊接过程中遇到的最重要的考虑之一是确定要焊接的铝母材合金的类型。如果要焊接的部件的母材类型不能通过可靠的来源获得，则可能很难选择合适的焊接工艺。

对于在不同应用中最可能使用的铝类型（如上文提到的那些），提供一些一般指南。然而，非常重要的是要意识到，对铝合金化学性质的错误假设可能会对焊接性能造成非常严重的影响。强烈建议对所制造的铝的类型进行明确识别，并制定和测试焊接程序，以验证焊接性能。