铝合金材料的应用及其加工成形技术

铝合金材料的应用及其加工成形技术

林创明

清远市华鸿铜业有限公司广东清远511545

摘要：随着科学技术的进步以及经济的飞速发展，节能、环保已经成为当今社会发展的主题。铝合金作为轻质金属结构材料，具有耐蚀、比强度高、易加工及回收成本低、回收率高等优点，广泛应用在航空航天、交通、电力、化工等领域，被誉为绿色环保材料。随着我国工业的快速发展，对铝合金需求日益增多，目前在金属材料的应用中铝合金仅次于钢铁位居第二，而且在越来越多的领域逐渐替代钢铁。本文主要介绍了铝合金材料的基本性能和应用领域，着重分析讨论了铝合金材料成形技术和存在的问题。在此基础上，就铝合金材料的应用前景进行了探讨。

关键词：铝合金材料；应用及其加工；成形技术

1导言

在铝合金材料数控加工领域，对残余应力以及变形机理的研究始终是急需待解决的问题。为了更好的加速我国铝合金材料数控加工行业的发展，本文分析了现阶段我国在该领域的研究现状，以及该项研究为我国工业化进程所带来的发展意义。为了更好的加速铝合金工业对于残余应力以及变形机理的研究进程，本文通过对削力模型的确定，构建了新型的7050-T451研究模型，并通过实验证明7050-T451研究模型在残余应力分析速度以及推导变形机理所运用的数学推导公式上，与传统模型进行对比，都具有应用可行性。

2防锈铝合金的焊接特点

由于铝合金密度低，熔点低，热导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，使铝合金在焊接过程中会产生一系列的困难。主要问题是：a）氧化铝合金表面极易形成一层难熔的氧化膜（Al2O3），其熔点为2050℃，而母材仅为660℃，密度也比母材高，焊接时若不能将其及时有效清除，则会产生未焊透、未熔合、焊缝夹杂。b）气孔铝及铝合金在熔融状态下氢的溶解度为0.0069mL/g，而在高温凝固状态下为0.00036mL/g，前后相差近20倍。在焊接熔池凝固和冷却的过程中，冷却速度为钢的4～7倍，此时析出大量的过饱和气体，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。c）粗晶问题铝没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。d）焊缝下塌铝合金对光、热的反射能力较强，由固态转变为液态时，无颜色的变化，熔化与否不易观察，而且高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。e）热裂纹铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的2倍，在拘束条件下焊接时体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，易于产生较大的焊接应力从而导致裂纹。f）热导率大其热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的2倍多。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的热源，有时也可采用预热等工艺措施。

3铝合金的典型应用

由于铝合金具有密度小、强度高、导热性能好、装饰性好等优点，在航空航天、交通、包装、建筑、电子等领域获得广泛应用。

3.1航空航天领域

铝合金是飞机的主要结构材料。飞机上的蒙皮和起落架都可以用铝合金制造。波音767客机采用的铝合金占到了机体结构重量的81%。铝合金也是航天领域中的重要材料，如“阿波罗”号飞船的“土星”5号运载火箭各级的燃料箱、仪器舱等都用铝合金制造的。

3.2交通领域

随着汽车工业的快速发展，汽车轻量化是节能减排的重要途径。铝合金作为一种具备多种优良性能的轻质材料，成为目前汽车轻量化技术发展中的首选材料。铸造铝合金主要用于铸造发动机气缸体、轮毂等零件。变形铝合金主要用于制造车门、行李箱等车身面板、保险杠、座位等结构件以及仪表板等装饰件。汽车内外板上用铝合金板代替钢板可使车身减重约40%-50%，可见铝合金对车减重效果显著，利于节能减排。

3.3包装领域

铝合金可用于制备易拉罐、盖、瓶、桶、包装薄等，广泛应用于饮料、化妆品、食品、药品、香烟、工业产品等包装。

3.4建筑领域

建筑装饰用铝材铝合金因其良好的抗蚀性、足够的强度、优良的工艺性能和焊接性能、广泛用于建筑物构架、门窗、吊顶等。对铝合金着色后，制成各种装饰品，作为装饰材料。

3.5电子领域

由于铝合金具有较好的导电性，可用于制备各种电线、导体等。由于铝合金具备坚固耐用、方便着色、散热效果好、综合成本不断下降等优势，在手机、平板电脑、移动电源、电视机等领域获得大量应用，如制备壳体、电子元件等。在2016年上述领域对铝材的需求约为12万吨，2018年有望增至近20万吨。综上所述，由于铝合金具有良好力学、导电、导热性能，在我们的生活当中获得了广泛应用，为社会发展起到了重要作用。

4铝合金的加工成形技术

铝合金成形方法主要包括铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、3D打印等。目前，主流的铝合金成形方法主要为铸造、轧制和挤压，新兴的成形方法为3D打印。下面着重介绍这四种成形方法。

4.1铝合金铸造

铸造就是将铝合金熔化成熔体，利用其良好的流动性和可填充性，将铝合金浇铸到各种模具中，制造形状复杂、壁厚较薄或要求气密的承受中等载荷的零件。铸造出的铝合金零件，如缸体、支架、箱体、轮毂等，可用于航空航天和交通等领域。

4.2轧制成形

轧制是锭坯依靠摩擦力被拉进旋转的轧辊间，借助于轧辊施加的压力，使其横断面减小，形状改变，厚度变薄而长度增加的一种塑性变形过程。根据产品品种不同，可分为板、带材轧制，棒材轧制，管材轧制等。根据轧制温度分为热轧和冷轧，热轧是在金属高温时进行轧制成形，以此保证产品质量的稳定，同时明显降低了能耗，提高了生产效率，从而获得良好的经济效益。热轧主要用于生产厚板，其特点是效率高、性能优良，用于制备易拉罐、汽车车身板及航空航天用带材的冷轧坯料；冷轧主要是用于生产铝合金薄板、铝箔毛料等，为了提高生产效率和产品质量，可用多机架连续冷轧的方法生产。

4.3挤压成形

挤压是将锭坯装入挤压筒中，通过挤压轴对金属施加压力，使其从给定形状和尺寸的模孔中挤出，产生塑性变形而获得所要求的挤压产品的一种加工方法。挤压成形能显著提高铝合金的变形能力，改善铝合金的组织、性能。采用挤压工艺不仅可生产形状简单的管、棒、带材产品，还可以生产断面形状非常复杂的实心和空心型材，以及阶段变断面和逐渐变断面型材。挤压成形制备的铝合金线材可用于制备导线等，挤压成形的铝管材可用于制备导电管、暖水管、建筑用铝管等。

4.43D打印成形

3D打印是一种新兴的成形技术，金属零件3D打印技术基本原理是利用三维建模软件建立成形件的三维数据模型，然后利用切片软件对三维数据模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，随后控制高能激光束按照每层的轮廓对金属粉末进行扫描熔化，层层叠加形成三维金属零件。该技术免去了开模具、部件组装等复杂的过程，可以一次成形，具有快速柔性、高效等特点。国内外已经使用3D打印技术生产了铝合金航天部件，3D打印的铝制无人机时速达到141公里/小时。3D打印的铝合金零件在航空航天、武器装备、模具制造等领域具有广阔应用前景。

5结语

铝合金焊接技术作为铝合金在工业领域中扩大应用的关键技术之一，必然会得到进一步的发展。综述了各种焊接防锈铝合金的方法及各自的特点，有的方法已经在实际应用中得到了大量应用，有的则是在实验研究阶段，有待进一步开发和研究。应用范围较大的脉冲和非脉冲MIG、TIG焊会随着微处理器和数字信号处理芯片（DSP）为核心的全数字化焊机的不断进步而使更多以前只停留在理论上的技术变为现实。高能量密度焊接在要求高质量的铝合金生产部门会得到越来越广泛应用。

参考文献：

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