第一篇：铝及铝合金先进焊接技术探索论文

摘要：铝及铝合金广泛应用于工业生产，近些年来，铝及铝合金焊接技术发展迅速，克服了传统的铝及合金焊接的众多弊端。基于此，本文在概述铝及合金焊接过程中出现问题的基础上，对铝及铝合金先进焊接技术进行了概述，为铝及铝合金工艺的积极开发及高性能铝合金产品的发展提供理论依据。

关键词：铝及铝合金；先进焊接；技术研究

一、前言

铝及铝合金不仅具有良好的耐腐蚀性，而且导热性和导电性俱佳，为此广泛应用于工业生产，包括汽车制造、航空航天等制造业。近些年来，我国的铝及铝合金焊接技术发展迅速，出现了新型焊接技术，包括调制脉冲焊接、穿孔离子焊接、激光焊接及摩擦搅拌焊等，这些新兴的焊接技术，显示出极大的技术优势，为自动化焊接提供了理论基础，基于此，本文在概述铝及合金焊接过程中出现问题的基础上，对铝及铝合金先进焊接技术进行了概述，为铝及铝合金工艺的积极开发及高性能铝合金产品的发展提供理论依据。

二、铝及铝合金焊接概述

铝及铝合金不仅材质轻，而且强度好，具有良好的耐腐蚀性，因此，在各类焊接结构产品中得到了广泛的应用。而在工业焊接的过程中，经常会产生气孔、出现裂纹、接头“等强性”等现象，极大了影响到工业生产制造的质量。首先，焊接过程中产生气孔主要是由氢气导致的，而氢气来源主要来自于各种原因产生的水，避免气孔的主要途径是通过消除熔池吸水来解决的，具体方法包括，焊前的处理，需要焊接材质的干燥，做好焊接前的工件表明杂志的清除工作，确保氩气中含水量低于0.08%；焊接过程中，做好焊接工艺，通过控制熔池高温时间，促进氢的析出，也就是说可采用高温情况下快速焊接，以提高氢的析出。其次，导致焊接裂纹的原因包括以下两方面，第一，熔池存在脆性温度区间，从液态到冷却凝固的时间内，存在某一稳定范围，强度和脆性低，容易出现焊接裂缝；第二，较大的焊接膨胀系数，使得熔池冷却的过程中存在较大的拉伸变形，尤其是在脆性温度区间，增强了冷却凝固过程中裂缝出现的几率，为此，可以通过缩短脆性温度区间，提高焊接工艺及填充其他金属元素等方式，防止焊接过程中出现过多的裂纹。最后，针对非时效强化铝合金焊接过程中，出现等强性问题，退火焊接，接头之间等强，冷却状态下，接头之间非等强；而时效强化铝合金，无论是在退火还是冷却情况下，接头彼此之间都会出现非等强现象。可以通过焊后热处理，加垫板及强调焊接顺序等方式，避免接头非等强的出现。

三、铝及铝合金新兴焊接技术

传统的焊接技术包括TIG焊、MIG焊等，相对来说所需的设备、设施简单，应用时间长，技术纯熟，能够很好的节约成本。但是在实际焊接过程中，经常会出现焊接问题，无法满足高质量、高性能的焊接需求，极大的限制了工业制造的水平。针对传统焊接过程中出现的问题，现代新兴焊接技术将朝着以下方向发展。

（一）焊接技术革新

将微处理、数字化技术等应用于传统的焊接技术，由此产生现代新兴焊接技术，包括双焊枪TIG、调制脉冲焊等，这些新兴的焊接技术，不仅大大提高了焊接效率，而且减少了焊接缝隙。TIG焊，不仅焊接工艺简洁，而且提高了焊缝强度及伸展性，调制脉冲焊，极大的减少焊接过程中气孔的出现，能够有效降低焊纹的敏感性，极大的提高了焊接工艺的内外质量。

（二）高能密度焊

高能密度焊包括激光焊、离子焊、电子束焊等。其中激光焊最早起于1960年左右，主要通过二氧化碳和YAG激光进行焊接，不仅焊接过程中的能量高，穿透力强，焊接速度快，能够实现自动化、精密化控制，而在实际焊接过程中，也会出现多种缺陷，为了克服激光焊接过程中的不足，有研究提出通过复合焊接方式，如结合TIG焊、MIG焊等途径，消除焊接缺陷，扩大了激光焊的应用范围，提高了激光焊的焊接质量；电子束焊起于1950年左右，其中真空电子焊，具有精准度高、效率高、穿透性强等优势，尤其是高能量密度特点，能够极大的缩短热影响区，提高接头处焊接质量，防止接头处焊接裂纹的出现，适用于铝合板较厚情况下的焊接，如航空航天、汽车制造等多领域。等离子焊接起于1980年左右，不仅能量密度极高，而且射流速度快，使得焊接过程中能量集中，焊接过程中的变形小，接头之间等强。焊接的厚度可到2.5cm，极大的提高了焊接的质量。现阶段，等离子焊接主要应用于航天产品项目中，相比于欧美国家，我国的等离子焊起步较晚，技术发展尚处于摸索阶段，未来还有很长一段时间的路需要走。

（三）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊接最早起于1991年的英国，历经20多年的发展，搅拌摩擦焊技术发展相对成熟，已被广泛应用于工业生产。焊接搅拌焊技术不仅成本相对较低，而且适应性强，尤其是接头处的综合力学性能，使得焊接质量的自动化程度提高，对人的依赖性下降，其最大的不足时，焊接过程中的机械力大，对焊接工件的刚性要求极高。而作为一项固态焊接技术，尤其适应于现代焊接水平要求，具有显著的经济效率，也会逐步的取代溶焊技术，成为为了铝合金焊接的主要技术手段。

四、小结

铝及其合金焊接技术广泛应用于工业生产，而焊接技术的不断发展，焊接质量、焊接性能不断提高，极大了改善了传统焊接技术的诸多不足，促进了铝合金构建的制造水平。基于此，本文以传统铝及铝合金焊接过程中的出现的问题为出发点，对现代新兴铝及铝合金焊接技术进行了概述，为铝及铝合金工艺的积极开发及高性能铝合金产品的发展提供理论依据。

参考文献：

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第二篇：铝合金激光焊接技术

一、铝合金激光焊接的发展

铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

不过，铝合金本身的特性使得其相关的焊接技术面临着一些亟待解决的问题：表面难溶的氧化膜、接头软化、易产生气孔、容易热变形以及热导率过大等。以往的生产实践中，铝合金的焊接常用钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。虽然这两种焊接方式能量密度较大，焊接铝合金时能获得良好的接头，但仍然存在熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。用这些传统的、应用于黑色金属的焊接方法焊接铝合金，并不能达到工业上高效、无缺陷、性能佳的要求，于是人们开始寻求新的焊接方法，20世纪中后期激光技术逐渐开始应用于工业。欧洲空中客车公司生产的A340飞机机身，就采用激光焊接技术取代原有的铆接工艺，使机身的重量减轻18 %左右，制造成本降低了近25 %。德国奥迪公司A2和A8全铝结构轿车也获益于铝合金激光焊接技术的开发和应用。这些成功的事例大大促使对激光焊接铝合金的研究，激光技术已经成为了未来铝合金焊接技术的主要发展方向，因为激光焊接具有其独特的优点：

(1)能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝。

(2)冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好。

(3)焊接能量可精确控制，可靠性高，针对不同的要求有较高的适应性。(4)可进行微型焊接或实现远距离传输，不需要真空装置，利于大批量自动化生产。

二、激光焊接铝合金的难点及解决措施 1.铝合金表面的高反射性和高导热性

这一特点可以用铝合金的微观结构来解释。由于铝合金中存在密度很大的自由电子，自由电子受到激光（强烈的电磁波）强迫震动而产生次级电磁波，造成强烈的反射波和较弱的透射波，因而铝合金表面对激光具有较高的反射率和很小

吸收率。同时，自由电子的布朗运动受激而变得更为剧烈，所以铝合金也具有很高的导热性。

针对铝合金对激光的高反射性，国内外学者都作了大量研究，试验结果表明，进行适当的表面预处理如喷砂处理、砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大铝合金对光束能量的吸收。另外，从焊接结构设计方面考虑，在铝合金表面人工制孔或采用光收集器形式接头，开V形坡口或采用拼焊(拼接间隙相当于人工制孔)方法，都可以增加铝合金对激光的吸收，获得较大的熔深。另外，还可以利用合理设计焊接缝隙来增加铝合金表面对激光能量的吸收(如图1)。从图上可以直观的反应出，将焊缝和激光束的位置关系由图1(a)改为图1(b)或图1(c)，使激光束与缝壁有一定角度后，激光束能够在缝隙内多次反射，形成一个人工小孔，增加了焊件对激光能量的吸收。

图1 改变焊缝几何形状

2.小孔的诱导和维持

小孔的诱导和维持是铝合金激光焊接中的特有困难，这是由铝合金材料特性和激光光学特性造成的。激光焊接的过程中，小孔可看成是铝合金的黑体，能大大提高材料对激光的吸收率，为母材获得更多的能量耦合，这有利于提高焊接接头的质量。但由于铝合金的高反射性和高导热性，要诱导小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而铝元素以及铝合金中的Mg、Zn、Li沸点低、易蒸发且蒸汽压大，虽然这有助于小孔的形成，但等离子体的冷却作用（等离子体对能量的屏蔽和吸收，减少了激光对母材的能量输入）使得等离子体本身“过热”，却阻碍了小孔维持连续存在。

由于能量密度阈值的高低本质上受其合金成分的控制，因此可以通过控制工艺参数，选择确定激光功率保证合适的热输入量，有助于获得稳定的焊接过程。另外，能量密度阈值一定程度上还受到保护气体种类的影响。研究表明，激光焊接铝合金时使用N2气时可较容易地诱导出小孔,而使用He气则不能诱导出小孔。这是因为N2和Al之间可发生放热反应，生成的Al-N-O 三元化合物提高了对激光吸收率。

三、激光焊接铝合金容易产生的缺陷及消除方法 1.气孔

铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔，焊缝气孔的形成机理比较复杂，一般认为存在两类气孔:氢气孔和由于小孔的破灭而产生的气孔。氢气孔是由于氢（主要来自表层的湿气与微量水）在熔池金属中的可溶性引起的，激光焊接冷却速度极快，导致氢的溶解度急剧下降形成氢气孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面张力大于蒸气压力，不能维持稳定而塌陷，液态金属来不及填充就造成孔洞。另外，低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔，表面氧化膜在焊接过程中溶解到熔池中也会形成气孔。

从氢气孔的形成原理可知，表层物质是氢元素的主要来源，因此选择正确的焊前表面预处理可以有效地减少氢气孔的产生。对于由小孔塌陷引发的气孔，则要求选择适当的保护气体并合理控制流量流速，在条件允许下采用高功率、高速度、大离焦量(负值)的焊接方式，可以进一步消除气孔的产生。

2.热裂纹

铝合金的焊接裂纹都是热裂纹，与冷却时间（或焊接速度）密切有关，主要有结晶裂纹和液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在晶界处形成低熔点共晶化合物导致的，焊缝金属氧化生成的Al2O3和AlN也会成为微裂纹的扩展源。液化裂纹是熔化的铝合金在凝固过程中局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果。

目前常用的消除热裂纹的方法是使用填充材料，即填丝，这能有效地防止焊接热裂纹，提高接头强度。此外，调整激光能量的输入方式，合理选择脉冲点焊时的脉冲波形，焊缝熔化凝固重复进行，以降低熔池凝固时的凝固速度，这种在凝固过程中增加热循环的控制方法同样可以减少结晶裂纹。

3.Mg、Zn等元素的烧损

使用激光焊接铝合金时，焊缝的加热和凝固速度都非常快，这使得Mg，Zn 等低熔点强化元素发生烧损，导致焊缝硬度和强度下降。Mg 的沸点为1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸发烧损。烧损现象使得焊缝成型时的晶粒大小严重不均匀，从金属学角度讲，大晶粒的存在破坏合金元素的强化作用，导致焊缝的强度明显比母材低。

防止合金元素的烧损主要从控制合金成分入手，在保证铝合金质量和接头要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。

四、铝合金激光焊接的工艺参数

铝激光焊接的工艺参数主要有: 功率密度、焊接速度、焦点位置、保护气体种类及流量等，它们直接决定着焊缝成形。

1.功率密度

激光的功率密度是决定焊缝熔深的最主要因素。当其他工艺参数保持不变时，随着功率密度的增大，焊缝深宽比增大。因为功率密度增大时，蒸汽压力能克服熔化成液态金属的表面张力和静压力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量——“小孔效应”。但是如果功率密度过大，使金属强烈汽化，严重烧损合金，焊缝成型组织的晶粒过大，焊缝的硬度和强度均下降。并且，大量的光致等离子体的冷却和屏蔽作用，使得熔深反而下降。

2.焊接速度

在其他工艺参数不变的情况下，熔深随焊速的增加而减小，焊接效率随焊速的增加而提高。但是速度过快，到达焊缝处的线能量密度较低，会使熔深达不到焊接要求；速度过慢，则线能量密度过高，母材过度熔化和烧损，降低接头性能，甚至引发热裂纹。因此，对一特定厚度的铝合金工件，选择确定激光功率密度之后，存在着既能维持合适的焊缝深宽比又不会使工件过热的最佳焊速，这可以从以往的生产实践中总结经验或者查阅相关文献获得。

3.焦点位置

研究表明，铝合金激光焊接的焦点位置与熔深的关系如图2所示。我们可以看出，熔深随焦点位置的变化有一个跳跃性变化过程：当焦点处于偏离工件表面较大(2 mm)时，工件表面光斑尺寸较大，因此光束能量密度较低，属于以热传

导为主的熔化焊，熔深较浅； 而当焦点靠近工件表面某一位置(2 mm)时，工件表面入射光束能量密度值增大到临界值，产生小孔效应，因此熔深发生跳跃性增加。经试验得到，当焦点位置在工件表面上方1 mm 处时焊缝熔深最大。

图2 焦点位置对焊缝熔深的影响

4.保护气

和电子束焊接相比，激光焊接不需要真空环境，但焊接铝合金需采用保护气体，其目的是抑制光致等离子体，并排除空气使焊缝免受污染。光致等离子体的形成不仅来自被离子化的金属母材蒸汽，而且和保护气体本身性质也有很大的关系。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，保护气体本身的电离能应该高，不致因气体本身的电离而增加电子密度。铝合金激光焊接传统上采用的保护气体主要有三种：Ar、N2、He。理论上He最轻且电离能最高，但是在较低功率、较高焊速下，由于等离子体很弱，不同保护气体差别很小。研究表明，在相同条件下，使用N2容易诱导小孔，主要是N2和Al 之间可发生放热反应，生成的Al－N－O 三元化合物对激光的吸收率要高一些，纯N2 会在焊缝中产生AlN 脆性相，同时易形成气孔。而采用惰性气体保护时，由于质轻而逸出，气孔形成机率小，因此采用混合气体保护效果较好。现在也有采用Ar－O2，N2－O2等气体进行铝合金激光焊接的研究越来越多。

五、先进的铝合金激光焊接技术 1.铝合金的激光-电弧复合焊

现在激光焊接铝合金还处于发展阶段，设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等制约了纯激光焊接铝合金的应用。目前，激光-电弧复合焊在德国和日本等发达国家研究比较多，激光-电弧复合主要是激光与TIG电弧、MIG电弧及等离子体复合，分别如图3、4所示。这种工艺在汽车制造业中已有一定的应用，如德国大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-M IG焊道，而且还可以用来焊接车体及轮轴。铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值等问题。这是因为焊接铝合金时，激光与电弧的相互影响，可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应——两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应——高的能量密度导致了高的焊接速度，显著提高焊接效率。

图3 激光-TIG复合焊接铝合金原理图

图4 激光-MIG复合焊接铝合金原理图

2.铝合金的双光束激光焊接

单束激光焊接铝合金时，由于小孔的塌陷而容易产生气孔。李俐群[10]等学者研究表明，采用如图5所示的双光束焊接铝合金，焊缝成形美观、无飞溅或凹坑等缺陷，对焊接参数适应性更好；等离子体稳定性提高；气孔大大减少。这是因为采用双光束激光焊接时，第一束激光产生熔池，并对焊接区域附近进行预热积累热量。当第二束激光照射该处时，更多的母材能够熔化，从而使得形成焊缝更宽。同时，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁气化，防止其塌陷，大大减小了形成气孔的几率。双光束激光焊接铝合金的技术已经在德国军用飞机EADS进气管的焊接上得到了应用。

图5 双光束激光焊接铝合金的原理图

3.铝合金激光填丝焊技术

在新兴的铝合金焊接技术中，搅拌摩擦焊需要针对被焊母材的形状和接口要求设计专用夹具，铝合金激光填丝技术则解决了对工件装夹、拼装要求严的问题，而且用较小功率激光器就能实现厚板窄焊道的多层焊。另外通过调节焊丝成分，改善焊缝区组织性能，对裂纹等缺陷更易控制，显著提高铝合金焊接稳定性与适应性。铝合金激光填丝焊示意图如图6所示。

图6 铝合金激光填丝焊示意图

六、铝合金激光焊接的前景展望

前面已经提到，日本和德国等发达国家已经开始将激光焊接铝合金应用于汽车制造业。由于铝合金具有高比强度、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、再生性好和简化结构等一系列优点，在汽车业中倍受青睐。大量的对比研究和反复实践证明，选用铝合金材料是实现汽车轻量化的有效途径。减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率，这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施。而激光焊接技术效率高、热影响区小、能获得良好的接头质量。在铝合金颇受汽车业青睐的大环境下，激光焊接铝合金将会成为越来越成熟的工艺，并被推广至船舶制造行业和航空航天产业。其实，上文也已经提到过，欧洲的空中客车已经在使用激光焊接铝合金的技术部分取代传统的铆接技术。这种自动化程度极高、质量稳定的焊接方式甚至能够满足载人航天和可重复使用航天器对焊接结构的可靠性提出了更高的要求。我们可以预见，铝合金激光焊接技术在近几年将成为航天焊接研究领域工作者热点之一。

第三篇：铜铝焊接技术要点

铜铝焊接技术要点

铜铝焊接主要有两种形式：

第一种：摩擦焊接（两根铜棒高速旋转摩擦对压，通过高速摩擦产生热能，溶化铜铝棒，实现焊接）；

第二种：闪光焊接（通过大电流使铜铝棒同时达到熔点，实现焊接）

-6铝的熔点：657℃ ；比重系数：2.7膨胀系数：26.3×10/℃ 散

热系数：2.1

-6铜的熔点：1038℃；比重系数：8.89膨胀系数：17.7×10/℃散

热系数：3.9

环氧浇注树脂膨胀系数为（35——50）×10-6 /℃

带填料环氧浇注树脂膨胀系数为（30——40）×10-6 /℃

由于铜的膨胀系数小于环氧浇注树脂膨胀系数，所以线圈不会产生爆裂现象；

铝的抗拉伸强度：7.5——10kg/mm2铜的抗拉伸强度：23——30kg/mm2

设备对铜的最大拉力为1.27吨，一般说2mm厚的箔拉力调整1.2吨，而铝箔拉力去铜的1/3就可以了。1.5mm厚的箔产生间隙4mm，放置气道条位置一般在相当于两根铜排宽度。

无气道线圈一般去掉铁心小级

第四篇：《铝及铝合金》教案

《铝及铝合金》教学设计

一、教学课题

苏教版《化学1》专题3第一单元《铝及铝合金》，让学生了解铝的主要性质，能运用铝的性质解释生产、生活中的一些实际问题，培养学生实验操作能力、观察能力和分析问题的能力。善于利用互联网搜索，扩大知识面，加深对知识的理解。

二、教材分析

本节课要求掌握铝的主要性质，结合知识解决生产、生活中的一些实际问题。

教学目标：

1、理解并掌握铝的主要性质和用途

2、通过实验探究和问题讨论，了解实验研究的方法。

3、通过动手实验及分组讨论，激发学生的探究热情，形成对科学持续的内在兴趣。

三、教学方法

教法：分组讨论法、实验探究法、多媒体课件教学、充分运用互联网技术，搜索相关知识加深理解，激发兴趣，提高能力。

学法：学生预习，上网查找相关资料，合作交流，解读探究。

四、教学过程

军事的发展其实也离不开化学，制造导弹、飞机的材料都要用到铝合金。现在就让我们走进铝的世界。

[图片观察]同学们看，这幅图(如图1所示)展示了铝的很多用途。用途由性质决定，请大家观察这些图片，讨论、归纳铝的物理性质。

[分组讨论一] 由图片讨论并归纳出铝的物理性质。[第一次展示高压锅] 请看，这是日常生活中常用的铝制高压锅，高压锅中都有这样的一张说明书，请一位同学上来读一下说明书中关于清洗高压锅的注意事项。这位同学读的内容已经显示在大屏幕上了(如图2所示)，请大家分组讨论一下，从说明书中推测铝可能有哪些化学性质？

[分组讨论二]从说明书中推测铝可能具有的化学性质。

[归纳总结]从说明书中可以看出，铝能与酸、碱等物质反应。是不是这样呢？我们用实验来验证。

[分组实验] 铝与酸、碱、盐的反应。这是点滴板，今天的实验就在点滴板中进行，主要做三个实验：铝与酸、碱、盐的反应。(如图3所示)实验过程中请仔细观察现象。

[汇报现象]已经完成实验的小组请举手。请同学来描述一下实验现象。[原因分析]同样是铝片与硫酸反应，不同小组观察到的现象为什么不一样呢？（停顿）原来是硫酸的浓度不同，有的小组发的是稀硫酸，有的发的却是浓硫酸。请到课本P68中寻找答案。

[启迪升华]刚才的实验告诉我们，活泼金属与酸反应不一定都有气体产生，这几组同学观察非常仔细，没有主观臆断，而是尊重事实，科学探究要的就是这种实事求是的态度。

[分组讨论三]常温下，铝片在浓硫酸中会“钝化”，在空气中能不能也形成致密的氧化膜呢？请结合生活实际来讨论一下。

[归纳总结]铁容易生锈，而铝难腐蚀。为什么呢？铁在空气中被氧化，表面生成的Fe2O3是疏松的，不能阻止了内部的铁进一步发生反应。铝比铁更活泼，但铝在空气中生成Al2O3是致密的氧化膜，阻止了内部的铝进一步发生反应。(如图4所示)[第二次展示高压锅]拿出高压锅并敲打，铝制高压锅能否经常用钢丝球擦洗？

[引导释疑]擦了不是更亮吗？(停顿片刻)擦了氧化，再擦再氧化，虽然漂亮，但越擦越薄。

[提出问题]铁在纯氧中剧烈燃烧，火星四射，铝比铁活泼，铝在纯氧中也能燃烧吗？

[教师讲解]铝粉在氧气中燃烧。利用盛有二氧化锰的广口瓶，加适量的双氧水可产生氧气，用棉花包裹铝粉，点燃。

[军事应用]军事上利用这个反应来制造信号弹、燃烧弹，还可用作火箭推进剂。

[提出问题]通过前面的分组实验，大家观察到：铝不仅与酸溶液反应，也能与强碱溶液产生气体。铝与氢氧化钠、水反应，生成了一种钠盐，叫偏铝酸钠。反应中铝元素由0价升高到+3价，那产生的是什么气体呢？请讨论确定一下。

[分组讨论四] 铝与氢氧化钠溶液反应产生的是什么气体？

[归纳总结]从元素守恒看，气体可能是氧气或氢气。从化合价看反应中铝元素的化合价升高了，必然有元素化合价降低，能降低的元素只能是氢元素，生成的是氢气。是不是呢？请观察下面的演示实验(如图6所示)[演示实验二]师生合作完成铝粉与氢氧化钠溶液反应

实验

[得出结论]这种气体可以燃烧，果然是氢气。

[第三次展示高压锅]钢丝球对高压锅是物理损害，而酸碱性食品腐蚀高压铝锅是化学损害，原理是酸、碱先破坏表面氧化膜，继而再与内部的铝反应。

[播放视频]（野外焊接钢轨）

[提出问题]视频中焊接钢轨用到的那袋试剂是什么呢？

[演示实验三]利用铝热反应来焊接铁钉。下面我来模拟这个实验，这是埋在沙里的两根铁钉，将它们相互靠近，同学们可将这两根铁钉想象成两根钢轨，再向试管中加入铝粉和氧化铁的混合物，加一定量氯酸钾，氯酸钾高温产生氧气，助燃。插上镁条，镁条燃烧可以产生反应需要的高温。(如图7所示)

[课堂巩固练习] 1.铝在人体中积累可使人慢性中毒，1989年世界卫生组织正式将铝确定为食品污染源之一而加以控制。铝在下列场合的使用须加以控制的是

（）①制铝锭 ②制易拉罐 ③制电线、电缆 ④制包糖果用的铝箔 ⑤制炊具⑥制防锈油漆

A．①②④⑤⑥

B．②⑤⑥

C．②④⑤

D．③④⑤⑥ 2.相同条件下，等质量的铝分别与足量硫酸溶液、烧碱溶液反应产生的氢气的体积比为（）

A．1∶l

B．2∶l

C．3∶D．1∶3 3.铝合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料，主要用于制作窗框、卷帘门、防护栏等。下列与这些用途无关的性质是

（）A．不易生锈

B．导电性好

C．密度小

D．强度高

五、教学反思

（1）充分体现“从生活走进化学，从化学走向社会”的教学理念。从生活视角巧妙进入化学视角，调动了学习化学的积极性。

（2）课堂上每个实验都有震撼力。实验现象很“刺激”。学生激动、欢呼，对学科知识的理解将是何等深刻。

（3）充分利用互联网搜索视频，加强了学生的直观认识，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。

第五篇：几种铝合金焊接先进工艺

铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光-电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。

关键词: 铝合金 搅拌摩擦焊 激光焊 激光-电弧复合焊 电子束焊

铝合金焊接的特点

铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。

铝合金焊接有几大难点:

①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍;

②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为202_ ℃),这就需要采用大功率密度的焊接工艺;

③铝合金焊接容易产生气孔;

④铝合金焊接易产生热裂纹;

⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形;

⑥铝合金热导率大(约为钢的4 倍),相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4 倍。

因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

铝合金的先进焊接工艺

针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

2.1 铝合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)是由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ]。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ]。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ]。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括202_ 系列(Al-Cu)、5000 系列(AlMgZn)、8000 系列(Al-Li)等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。

搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:

①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;

②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板;

③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除;

④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;

⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

2.2 铝合金的激光焊接

铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding)是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点:

①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;

②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;

③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;

④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线;

⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;

⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。

现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。

在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5 ]。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10.6μm)表面初始吸收率1.7 %;对YAG激光束(波长为1.06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度。传统

Mig，用铝合金焊丝填充。Tig，氩弧焊（非熔化极）。