3003鋁合金板為AL-Mn系合金，是應用最廣的一種防銹鋁，這種合金的強度不高（稍高于工業純鋁），不能熱處理強化，故采用冷加工方法來提高它的力學性能：在退火狀態有很高的塑性，在半冷作硬化時塑性尚好，冷作硬化時塑性低，耐腐蝕好，焊接性良好，可切削性能不良。用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蝕性可焊性好的零件部件，或既要求有這些性能又需要有比1XXX系合金強度高的工作，如廚具、食物和化工產品處理與貯存裝置，運輸液體產品的槽、罐，以薄板加工的各種壓力容器與管道。

2力學性能

  抗拉強度 Ϭb (MPa) ：140-180 條件屈服強度Ϭ0.2 (MPa) ≥115 3化學性能  耐蝕性：3003鋁合金的耐蝕性很好，接近工業純鋁的耐蝕性，對大氣、淡水、海水、食品、有機酸、汽油、中性無機鹽水溶液等均有良好的耐蝕性，在稀酸中的耐蝕性也很好。

   在冷變形狀態時，3003鋁合金有剝落腐蝕傾向，變形越大，剝落越嚴重。由于陽極氧化后色彩不均勻，故一般不進行陽極化處理。

4鋁及鋁合金的焊接特點 

（1） 鋁的強氧化能力 鋁在空氣中及焊接時極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點高、非常穩定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產生氣孔。焊接前應采用化學或機械方法進行嚴格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過程加強保護，防止其氧化。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，去除氧化膜。氣焊時，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時，可加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護，或者采用大規范的熔化極氣體保護焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。 

（2） 較大的熱導率和比熱容  鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內部，因而焊接鋁及鋁合金時，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著，為了獲得高質量的焊接接頭，應當盡量采用能量集中、功率大的能源，有時也可采用預熱等工藝措施。 

（3） 較大的線膨脹系數 鋁及鋁合金的線膨脹系數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應力較大，因此，需采取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。生產中可采用調整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生。在耐蝕性允許的情況下，可采用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5％時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結晶溫度范圍變小，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應減小。根據生產經驗，當含硅5％～6％時可不產生熱裂，因而采用SAlSi 條(硅含量4.5％～6％)焊絲會有更好的抗裂性。 

（4） 鋁對光、熱的反射能力較強，固、液轉態時，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。 

（5） 容易形成氣孔 鋁及鋁合金在液態能溶解大量的氫，固態幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，對氫的來源要嚴格控制，以防止氣孔的形成。 

（6） 合金元素易蒸發、燒損，使焊縫性能下降。 

（7） 接頭不等強度  鋁及鋁合金的熱影響區由于受焊接熱循環作用而發生軟化，強度降低，使接頭與母材金屬無法達到等強度。工業純鋁及非熱處理強化鋁合金的強度約為母材金屬的75%~100%；熱處理強化鋁合金的接頭強度較小，只有母材金屬的40%~50%。

（8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構體，加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細化晶粒。

5 焊接方法

（1）鋁合金的攪拌摩擦焊  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。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。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(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(Al-Zn)、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。

攪拌摩擦焊鋁合金的優點: 

①            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。 

②            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。

③            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。 

④            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）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。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1.06μm) 吸收率接近5%。不同金屬對激光的吸收率。由于吸收率小,熱導率高,在實際鋁合金焊接過程中,一定要保證良好的光束聚焦,同時還要用高功率密度的高能激光束進行照射。鋁合金激光焊接時,產生深熔焊,激光功率必須達到一個特定的閾值,這就對激光器提出一定的要求,也是激光焊接的一個難點。鋁合金的電離能低,部分牌號焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴散,焊接穩定性差。焊接鋁合金就一定要求激光束的能量密度高和光束的聚焦性能好。鋁合金又是典型的共晶合金,在激光焊接的快速凝固過程中更容易產生熱裂紋。激光焊接熔池深寬比大,氣泡不易上浮析出,容易產生氣孔。液態鋁合金的流動性好,表面張力低,焊接過程的不穩定造成焊接熔池劇烈震蕩,易產生咬邊、成形不連續,嚴重時造成焊接過程中的小孔突然閉合而在焊縫中產生直徑較大的工藝孔洞(Process Holes),或小孔在閉合前由向外噴發的等離子體將液態金屬吹出熔池而形成所謂的噴射孔洞(Blowholes)

(3) 鋁合金的電子束焊接 

電子束焊是指在真空環境下,利用會聚的高速電子流轟擊工件接縫處產生的熱能, 使被焊金屬熔合的一種焊接方法。電子束作為焊接熱源的突出特點是功率密度高、穿透能力強、精確、快速、可控、保護效果好。對于鋁合金電子束焊接,由于能量密度高可大大減小熱影響區,提高焊接接頭強度,避免熱裂紋等缺陷的產生。由于能量密度高,穿透能力強可對難以焊接的鋁合金厚板進行焊接。 

①同傳統電弧焊接鋁合金相比,電子束焊能量密度高3-4個數量級,與另外一種高能量密度焊接工藝——激光焊接相當。因此焊接接頭的熱影響區非常小,接頭強度較傳統焊接方法提高很多

②電子束的穿透性能好,可對大厚度的鋁合金進行施焊,焊后接頭力學性能良好。 鋁合金焊縫金屬的抗裂性能隨著焊接能量密度的增加和熱輸入的減少而增加[13]。所以鋁合金電子束焊接接頭的抗裂性能要比采用傳統焊接方法的焊接接頭高很多,一般要比氬弧焊焊縫高出1-1.5倍。 

③鋁合金電子束焊焊后殘余應力小,變形小,對薄板焊后幾乎可做到不變形。

④電子束焊要求在真空條件下完成,真空是最好的保護手段,在這種條件下可以得到純凈的焊縫金屬,避免了空氣或保護氣體的污染。電子束焊接鋁合金在真空重熔時,焊縫中雜質含量微乎其微,焊縫氣體含量降低接近一半,從而焊縫塑性、韌性大大提高。

⑤          電子束可控性好,可以方便地進行掃描、偏轉、跟蹤等,易于焊接過程的自動化,并且通過電子束掃描熔池可以消除缺陷,提高接頭質量。

  電子束焊接獲得優良的焊縫的最有效方法是焊接過程中同時對剛剛焊過的焊縫進行掃描。回掃間距決定晶粒細化的可控程度,凝固組織可由粗大的柱狀晶轉化為細小等軸晶。對AlMg0.4Si1.2合金進行掃描焊接與無掃描焊接相比,晶體主軸長度減少到無掃描焊接時的1/5;焊縫硬度提高80%,接近母材水平。鋁合金焊縫金屬晶粒細化程度對接頭性能有重要影響。采用具有回掃運動的電子束掃描焊接,可減少合金元素的損失,細化焊縫組織,使之變為細小的等軸晶,并提高硬度。對于已經成核生長的晶體,如果電子束掃描間距過小在電子束掃描時產生重熔,但導致電子束回掃細化晶粒的作用減弱。掃描頻率fs和焊接速度v、焊縫金屬晶體主軸長度L的關系。 

①          鋁合金電子束焊時對電子束流非常敏感,尤其是對于大厚度鋁合金板焊接時,電子束流小時不能焊透,大時產生下塌,出現凹坑。 

②          鋁合金電子束焊接的另外一個難點是焊接氣孔。鋁合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3和MgO,容易吸收大量的水分是鋁合金焊縫中氣孔的主要來源。鋁合金表面氧化膜比重接近基體,容易進入焊縫產生夾雜、氣孔。尤其是防銹鋁合金電子束焊,氣孔問題較為嚴重。傳統TIG焊鋁合金時通常采用大的熱輸入量并在較低的焊接速度下進行焊接,促使氫從熔池中逸出,而電子束焊接鋁合金時速度快,熱輸入量小,氫來不及從熔池中逸出,容易形成氣孔。通常電子束焊鋁合金采用表面下聚焦和較窄的焊縫以及掃描重熔的方法來防止氣孔的產生。 

③另外,電子束焊接要求在真空條件下進行,所以對鋁合金大型結構件施焊困難。

④電子束易受周圍環境電磁場的影響,設備比較復雜,費用比較昂貴,所以還沒有達到大規模工業化生產。

6 焊接工序 

對3003鋁合金板采用攪拌摩擦焊，焊接工藝的基本內容包括:焊前清理、焊前檢驗、焊接材料、焊接參數、焊后檢驗。 

焊前準備：在試驗之前對 3003 鋁合金板進行處理，先用400 號碳化硅砂紙打磨，保持鋁合金表面光潔，之后用丙酮去除表面油污，再用15%的NaOH溶液處理，溫度為 50~60℃，時間為15 s左右，然后用清水清洗，再用1∶3的稀硝酸溶液處理，時間約為10 s左右，最后依次用清水、乙醇清洗，自然晾干備用。 

焊前檢驗：主要是對焊前準備的檢查，是貫徹預防為主的方針，最大限度避免或減少焊接缺陷的產生，保證焊接質量的積極有效措施。 焊接材料：無需焊條、焊劑等。

  焊接參數：旋轉速度R、焊接速度V、焊接壓力P、攪拌頭傾角等。

焊后檢驗：對焊縫進行X射線無損檢測，評定是否有焊接缺陷、質量問題。

如果是產品采用激光進行對焊、疊焊后檢查方法同上，但采用激光補焊后，在進行細微打磨以后，可直觀對是否有氣孔等焊接效果進行檢測，可采用加吹保護氣體及重復焊接解決！

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2015-042701