铝焊接史

　　今天，人们每天都会和铝有亲密接触，很少会对这种材料多加思考。单就美国来说，每年就要消耗一千亿个铝质饮料罐。这些铝罐大约有60%再循环，又做成新的铝质用品。

　　在汽车行业，把铝当成一种优先材料来使用已取得重大进步。一般的现代机动车采用铝材较以前都有增长。辐射器、引擎块、传送外壳、车轮、车身面板、保险杠、空间框架、引擎支架、驱动轴和悬框普遍都是用铝做成。 

　　 除了汽车，我们的家居和办公大楼建成都更多地采用铝。包括窗框、水槽、电线、外墙板、房顶。通常家具也是由铝合金做成的。

　　要想在当今世界研究认识铝，应该记住1903年12月17日在北卡罗琳娜莱特兄弟在Kitty Hawk的第一次试飞，发动引擎就是铝做成的。如果在飞机业的发展中不能使用铝，那我们今天所熟知的飞机将不存在。铝极高的承载重量比是今天的巨型飞机能用相对小的引擎飞行的理由所在。

　　虽然世界上许多其它地区都盛产铝，但美国才是世界上最大的制铝商。容器和包装是铝最大的市场；交通（汽车、卡车、飞机和火车）是第二大市场。其次是建筑业。今天，从厨房里使用的烹调用具，到高速公路上的指示牌，铝无处不在。铝在日常生活中如此普遍重要，可以想象，铝已经长期存在。在现实中，把铝矿转换成我们熟悉，每天使用的铝的工艺近来已出现。铝的工业生产在十九世纪晚期才开始，这让这种材料在常见金属中来得晚些。

　　金属铝背后的故事

　　自从地球形成以来，铝就是早已存在的92种金属元素中的一种。地壳大约8%由铝构成，只有氧（47%）和硅（27%）的含量超过它。尽管铝很充足，但直到进入铁器时代2000年，铝才脱离矿石状态。过了无数个千年后（经过物理和化学活动），古老的铝-硅岩石沉入地面，成为极细的小微粒。这些微粒形成铝黏土，原始陶瓷就是由它做成的。地球周围的宽带中，硬雨和高温炙烤、夯实黏土和其他形成铝矿的大型沉淀物的化物。这种矿石最先在法国的 Les Baux发现，叫做“铁铝氧石”。当这种矿石提炼时，形成铝氧化物，也叫做矾土。

　　几千年后，人们想要发明和我们现在熟知的金属铝相似的物质，但没有成功。这种金属发展迟缓的主要原因是很难从矿石中提取。它在一种化合物中，和氧原子紧密结合。这种化合物不像铁，在和碳发生反应时不会减少。

　　1808-1812年间，英国人Humphrey Davy先生怀疑与从天然矿石中提取的铁混合的是一种新金属，他首先致力于对此进行研究。Davy把这种新元素命名为“铝”，它是从它的硫酸氢盐明矾中提取出来的，古埃及人早已熟知明矾在染料中的用处。1825 年， Hans Christian Orsted在丹麦第一次成功在化学品天秤上制成铝。稍后不久,Friedrich Wohler在德国也成功做到了这一点。最后，在1854年，法国人Henri-Etienne Sainte Clair Deville（把矿石命名为“铁铝氧石”的人）找到了通过化学工艺产生铝的一种方法。即使建造了几家工厂来制造这种新金属，但它是如此昂贵，在1855年巴黎博览会上，样品都是放在法国皇冠珠宝旁边向公众展示。

　　又过了30多年，制造铝的一种经济节约的工艺才出现。1886年，一次神奇的机缘巧合，两个人（一个在法国，另一个在美国）同时发现了制造铝的电解工艺，这种工艺直到今天仍在使用。

　　美国的Charles Martin Hall对生产铝产生兴趣时还是Oberlin（俄亥俄州）大学的学生。他在1885年毕业后继续使用大学实验室，并在八个月后发明了他的方法。他最终发明了一种可行的电解工艺，当提纯明矾用在称为冰晶石的溶盐中溶解，并在直流中电解时，形成熔化铝。当Hall去为他的这项工艺申请专利时，他发现了一项法国专利，本质和他发明的工艺相同，是由Paul L.T. Heroult发明的。

　　此项工艺现在称为Hall-Heroult工艺。Charles Martin Hall几次想让投资人对推广这一发明感兴趣，但都失败了。之后，他获得了Alfred E.Hunt和他的几个朋友的支助。他们一起成立了匹兹堡提炼公司（后来变成美国铝公司，ALCOA）。了解了铝的潜力，Hall在美国创建了一个产业，为其他产业的发展作贡献，尤其是飞机和汽车制造方面。

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　　1888年左右，铝的工业生产几乎在美国和欧洲同时开始盛行#-在美国宾夕法尼州匹兹堡使用的是Hall的工艺，在瑞士 Neuhausen使用的是Heroult的工艺。到1914年，Hall-Heroult工艺让铝的成本不可思议地降了下来。铝，这种曾用于精美珠宝的珍贵金属，现在这种材料广泛应用，好处很多。

　　后来，铝的生产成倍增长。1918年，产量已达到180，000吨。自那时起，铝长期保持稳定增长。从二十世纪七十年代中期起，铝的生产量和消耗量平均每年增长大于8%。1952年，西方世界铝的总消耗量达到200万吨，，1989年达到2千万吨。铝被认为是未来的材料。

　　焊接铝的发展

　　在发现生产铝这种节约成本的材料的合适方法后，下一步就是对这种基础材料进行加工和改良。

　　纯铝有一些独特而重要的特征。举个例子，防腐性和电导性。但是，由于纯铝承载率相对较低，所以不是进行结构焊接装配的最佳材料。人们很快发现，在纯铝中添加相对小量的合金元素，铝的特性会发生很大改变。生产第一批铝合金，其中之一就是铝-铜合金。1910年左右，发现合金家族中的沉淀物硬化现象。许多这些沉淀物硬化合金在发展中的飞机业产生的效益立竿见影。紧跟着铝-铜合金，许多其它合金也发展起来。研究发现，通过加入像铜（Cu）,锰（Mn）, 镁（Mg）,硅（Si）和锌（Zn）和这些元素的混合物，纯铝的各种物理和机械特征发生了明显的变化。许多这些新合金都能匹配质量好的碳钢的承载力——三分之一的重量。

　　许多新的适合结构应用的铝合金的发展又提出了一个问题，就是找到合适的连接方法。首先要有合适的母材。但如果没有连接这一材料的实际可行的方法，把这种材料作为装配材料也不现实。

　　铝合金焊接工艺的发展与碳钢有所不同。由于原铝合金有许多元素，每一种合金元素对母材的可焊性不同的影响，所以有必要发展很多不同的填充合金以适应这些不同的合金元素。比如，一些原铝合金有特殊的化学性，为特定合适的机械和物理特征设计，而且并没有最好的可焊性。

　　这些合金的化学性质凝固特性不好，容易产生凝固裂纹。为了发展合适的焊接工艺，不产生有裂纹的焊缝，必须掌握每种不同的合金的凝固裂纹敏感性。这一焊接发展工作从本身来说就是一个大工程。许多工作由铝母材制造商完成，因为他们方便知道铝的可靠焊接方法和工艺，同时也铝装配工完成，他们也知道这种新型材料的潜力，很希望使用它。美国焊接发展的两个先锋是ALCOA（美国铝公司）和Kaiser 铝化学公司，都有出版物；焊接ALCOA铝最早在1954年出版（见图1），焊接Kaiser铝最早在1967年出版（见图2）。

　　在现代工业世界竞争时代，结构金属必须可焊性好。最早适合铝的焊接技术包括羟基燃料气焊（见图3）和电阻焊。铝弧焊主要局限于 SMAW（手工电焊弧），有时叫MMA。这一焊接工艺使用管状焊条。很快发现，这一工艺并不最适于焊接铝。主要问题之一就是焊剂残留引起的腐蚀，尤其是在填充焊缝里，焊剂留在焊缝后，促进了焊缝的腐蚀。

　　铝作为结构金属的突破是随着二十世纪四十年代惰性气体焊接工艺的出现而实现的。比如，GMAW（气体金属电弧焊），也叫MIG（熔化极惰性气体保护电弧焊）；GTAW（气体钨极电弧焊），也叫TIG（钨极惰性气体保护电弧焊）。随着在焊接中出现使用惰性气体保护熔化铝的焊接工艺，就可能以高速，全方位打出高质量，高承载力焊缝，没有腐蚀焊剂。

　　今天，使用各种技术和焊接工艺使铝和铝合金可焊性好。最近的两个工艺是激光束焊（LBW）和搅拌摩擦焊（FSW）。但是，GTAW/TIG和GMAW/MIG焊接工艺仍然是最流行的。