CHINESE JOURNAL OF RARE METALS 1999年第23卷第5期 鋁/空氣電池用鋁陽(yáng)極的研究 許文江王向東闞素榮薛紅霞 摘要：研究了鋁/空氣電池用鋁陽(yáng)極中添加合金元素的作用， 鎵、 銦、 鉍、 錫能增大陽(yáng)極的開路電壓， 鎂、 鉍、 鈰可增大陽(yáng)極的抗蝕性。 以高純鋁 () 為基體制得的兩種鋁陽(yáng)極合金A1、 A2基本上達(dá)到了堿性鋁/空氣電池的要求。 以普通鋁 () 為基體制得的鋁合金A3作為鋁陽(yáng)極， 其電化學(xué)性能良好。 關(guān)鍵詞：鋁陽(yáng)極空氣電池 Study on Aluminium Anode for Aluminium-air Battery Xu Wenjiang, Wang Xiangdong, Kan Surong and Xue Hongxia (General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 10088, China) Abstract：The effect of addition rare metal in aluminium anode was studied. The results indicate that gallium, indium, bismuth and tin can increase open circuit voltage of anode; and magnesium, bismuth, cerium can reduce corrosion velocity of anode. Two aluminium anodes with high pure aluminium () and rare metals such as gallium, magnesium, bismuth has been made. These anodes have good electrochemical quality and can meet demand of alkaline aluminium-air battery. The anode with industrial aluminium () was also made, which has better electrochemical quality. Key Words:Aluminium, Anode, Air-battery 由于環(huán)境問題的壓力及石油資源的有限性， 促使各國(guó)政府和汽車制造商尋找石油資源的替代品， 制造“零污染”汽車。 由此電動(dòng)汽車日益受到人們的關(guān)注， 成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。 發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵是其動(dòng)力 —— 電池電源的開發(fā)， 電池的技術(shù)水平基本上決定了現(xiàn)代電動(dòng)汽車的發(fā)展水平。 汽車制造廠家和化學(xué)電源研究人員開發(fā)了鉛酸、 鎳鎘鎳氫、 鈉硫等動(dòng)力電池， 這些電池有些已基本成熟， 但在續(xù)駛里程和動(dòng)力性能方面與內(nèi)燃機(jī)相比還有很大差距。 由于鋁/空氣電池具有高重量比能量、 大重量比功率密度 (見表1)， 能提供同內(nèi)燃機(jī)可比的動(dòng)力性， 而且其機(jī)械充電所耗充電時(shí)間和添加汽油燃料時(shí)間相差不大， 鋁資源也相當(dāng)豐富， 因此鋁/空氣電池作為動(dòng)力電源， 受到美國(guó)能源部、 加拿大Alcan公司等許多研究機(jī)構(gòu)的重視。 表1電動(dòng)汽車電源用各種電池性能比較 電池 鉛酸 鎳鎘鎳氫 鈉硫電池 鋰電池 空氣電池重量比能量/Whkg-1比功率密度/Wkg-1體積比能量/WhL-130～4070～90140～170130～17040080～100100～200250～400150～20080～10080～1001120～15070～90...特點(diǎn)成熟， 成本低成本稍高， 鎘污染危險(xiǎn)性大成本高， 研究中復(fù)雜性 然而不論是酸性電池還是堿性電池， 純鋁乃至高純鋁都不能直接作為電池的陽(yáng) 極。 這是基于以下兩個(gè)原因： 金屬鋁表面覆蓋著一層氧化膜， 致使鋁的陽(yáng)極過電位升高， 降低了陽(yáng)極的電壓效率， 也即降低了電池的輸出功效； 在含有腐蝕性離子的溶液或強(qiáng)堿溶液中， 鋁的溶解速度相當(dāng)快， 產(chǎn)生大量的氫氣， 導(dǎo)致陽(yáng)極的法拉第效率極低［1］。 為了克服純鋁作為陽(yáng)極的缺陷， 可采取以下兩種辦法。 一是將鋁和其它合金元素制成二元、 三元乃至多元合金。 這些合金中的活性元素可降低接觸過電勢(shì)， 而且這些元素提高了析氫過電位， 降低了自腐蝕速度。 二是在電解液中添加抑制劑， 比如NaSnO3等， 以降低過電勢(shì)和自腐蝕性［2］。 鋁/空氣電池陽(yáng)極的研究目標(biāo)為： ① 開路電勢(shì) V (對(duì)Hg/HgO) 以上。 ② 開路自腐蝕速度 (電流) 小于10 mA/cm2。 ③ 在100～600 mA/cm2電流密度下電壓按U (對(duì)Hg/HgO) = I穩(wěn)定工作， 這里的電流密度單位為A/cm2。 ④ 陽(yáng)極和空氣陰極及電解液管理系統(tǒng)匹配［3］。 至今， 所有成熟的鋁陽(yáng)極合金都是以高純鋁 () 乃至以上的特純鋁為基體制成的， 使鋁陽(yáng)極合金的成本很高， 阻礙了鋁/空氣電池的商業(yè)化和進(jìn)一步發(fā)展。 在工業(yè)級(jí)鋁中雜質(zhì)含量很高， 它使陽(yáng)極的自腐蝕成倍增加， 大大降低了陽(yáng)極的庫(kù)侖效率。 近期的研究指出， 可采用在合金中加入錳來抵銷鐵的作用。 陽(yáng)極材料中鐵是極具危害的元素， 但在電解鋁中鐵是不可避免的雜質(zhì)。 不存在錳時(shí)， 鐵以FeAl3形式存在， FeAl3對(duì)周圍的鋁基體顯示陽(yáng)極性， 因此在電極內(nèi)部形成電化學(xué)活性區(qū)域， 降低了電池的庫(kù)侖效率。 當(dāng)存在錳時(shí)， 鐵以FeMnAl6形式存在， 它在電化學(xué)性質(zhì)上和周圍的鋁基體類似， 因此從本質(zhì)上降低了電化學(xué)活性， 提高了庫(kù)侖效率。 本試驗(yàn)重點(diǎn)研究鋁陽(yáng)極合金的特性、 合金元素添加量和熔煉因素等的影響， 也對(duì)普通鋁陽(yáng)極合金進(jìn)行了探討。 1試驗(yàn)方法 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)裝置示意圖見圖1， 試驗(yàn)電池中電解液用化學(xué)純NaOH配制， 濃度為4 mol/L。 調(diào)節(jié)變阻器R控制電池回路電流， 由電流表A讀出工作電流 (mA)， 電壓表V2讀出電池輸出電壓， V1讀出鋁陽(yáng)極的開路或極化電壓。 所有的鋁陽(yáng)極電壓相對(duì)于參比電極 Hg/HgO測(cè)得。 圖1試驗(yàn)裝置示意圖 1 — 空氣陰極； 2 — 鋁陽(yáng)極； 3 — Hg/HgO參比電極； 4 — 4 mol/L NaOH溶液 控制條件 控制鋁陽(yáng)極面積小于空氣陰極面積的1/10， 減少空氣陰極極化的影響。 控制鋁陽(yáng)極和空氣陰極的間距為2～5 mm， 減少電解液的歐姆內(nèi)阻。 每次測(cè)定更換新的電解液。 測(cè)定開路電壓和自腐蝕時(shí)， 計(jì)算陽(yáng)極兩面的面積； 測(cè)定電池極化時(shí)的陽(yáng)極利用率時(shí)， 鋁陽(yáng)極一面涂蠟， 只計(jì)算一面的面積。 試驗(yàn)中各合金添加劑均用化學(xué)純級(jí)以上的化學(xué)試劑。 測(cè)定過程 在小型敞口的坩堝爐中熔煉鋁， 熔煉溫度750～800℃， 熔體容器用氧化鋁坩堝。 首先熔化鋁， 再依次按量加入合金元素， 攪拌、 恒溫10～20 min， 倒入銅模中鑄 錠， 自然冷卻。 其中添加鎂時(shí)， 將鎂粉碎為小粒， 以鋁箔密封包好， 用不銹鋼夾子直接壓入鋁溶液中。 鑄成錠的鋁合金放入坩堝爐中熱處理， 控制熱處理溫度300～350℃， 時(shí)間2 h， 使合金均勻化， 晶粒細(xì)化。 清理熱處理后的鋁合金錠表面使之光潔， 作成規(guī)則的長(zhǎng)方體作為鋁陽(yáng)極待用。 結(jié)果計(jì)算 首先測(cè)定鋁陽(yáng)極合金的開路電壓和自腐蝕速度， 這兩個(gè)參數(shù)優(yōu)良者， 再測(cè)其極化性能和其它電化學(xué)特性。 開路電壓和極化電壓由電壓表V1讀出。 自腐蝕參數(shù)由一定時(shí)間內(nèi)陽(yáng)極的失重計(jì)算而得。 I自=1000 mF/ hS(1) 稀有金屬/990511 式中： m為失重質(zhì)量， g； F為法拉第常數(shù)， C/mol； h是時(shí)間， s； S為陽(yáng)極面積， cm2； I自為自腐蝕電流， mA/cm2。 在有工作電流極化下陽(yáng)極的利用率 η=I極化h/(mF/)(2)式中： I極化為陽(yáng)極極化電流， A； m是失重質(zhì)量， g; F為法拉第常數(shù)， C/mol； h是時(shí)間， s； η為陽(yáng)極效率， %。 2結(jié)果和分析 二元合金的性質(zhì) 二元合金的性質(zhì)見表2。 由表看出， 純鋁中加入鎵、 銦、 鉍、 錫增加了鋁的開路電壓， 因而它們都是活性元素； 純鋁中加入鈰、 鑭降低了鋁的開路電壓， 而鎂對(duì)開路電壓影響不大。 表2二元鋁合金的性質(zhì) 合金 開路電壓 (對(duì)Hg/HgO)/V 自腐蝕電流密度/.[1**********]局部鈍化鈍化 注： 添加合金元素濃度ω ; 電解液4 mol/L NaOH 除添加鎂、 鈰外所有的二元合金都使腐蝕加大， 所以要兼顧增加開路電壓和降低自腐蝕性， 二元合金顯然達(dá)不到要求。 圖2是合金元素添加量對(duì)合金性能的影響， 可以看出， 添加合金元素的量在以下時(shí)， 合金元素對(duì)開路電壓和自腐蝕影響不大， 而大于時(shí)， 開路電壓和自腐蝕增大不多。 對(duì)于銦、 錫也有類似的結(jié)果。 因而在制備合金時(shí)鎵、 銦、 錫的添加量一般控制在～。 圖2合金元素添加量對(duì)合金性能的影響 (Al-Ga) 1 — 開路電壓； 2 — 自腐蝕電流密度 (4 mol/L NaOH) Al-Mg、 Al-Ce合金有一定的鈍化作用， 表明鎂和鈰增加了鋁的抗蝕性。 但鈰使開路電壓降低較大。 Al-Bi合金有獨(dú)特的特性。 在低含量 (3%) 時(shí)， 加入鉍可使鋁的開路電壓增加， 但發(fā)生鈍化現(xiàn)象。 綜上所述， 添加鎵、 銦、 錫、 鉍可增加鋁的開路電壓， 而添加鎂、 鉍、 鈰可增加鋁的抗蝕性。 多元合金的研究 根據(jù)二元合金的研究結(jié)果， 以高純鋁 () 為基體， 通過試驗(yàn)比較， 篩選制成了Al、 A2兩種鋁合金作為堿性鋁/空氣電池的鋁陽(yáng)極合金。 Al： ; A2： 。 圖3、 4是鋁及有關(guān)合金的自腐蝕電流和開路電壓， 圖5是鋁合金的極化曲線。 其中BDW合金是由加拿大Alcan公司開發(fā)研制的， 該合金已商業(yè)化； RX-808合金是由Reynolds公司開發(fā)的。 由圖3～5可以看出， 合金A1和A2的電化學(xué)性能良好， 基本上可滿足鋁/空氣電池的需要。 其中A1合金的開路和極化電壓稍高一些， 而A2合金的抗蝕性好一些。 圖3鋁及有關(guān)合金的腐蝕情況 (4 mol/L NaOH) 圖4鋁及有關(guān)合金的開路電壓 (4 mol/L NaOH) 圖5鋁合金極化曲線 (4 mol/L NaOH) 圖6是以A2合金作為鋁/空氣電池的陽(yáng)極， 測(cè)得電池的輸出電壓與電流密度的關(guān)系。 表3是通過計(jì)算得到的陽(yáng)極利用率。 這些結(jié)果均令人滿意［4，5］。 圖6單體電池工作電壓和電流密度的關(guān)系 (4 mol/L NaOH) 表3不同電流密度下的陽(yáng)極利用率 稀有金屬/990511 (4 mol/L NaOH) 電流密度/[1**********] 陽(yáng)極效率/% 普通鋁陽(yáng)極合金 根據(jù)二元合金研究的結(jié)果， 在普通鋁 () 中加入鈰、 鉍來增加其抗蝕作用， 自腐蝕明顯降低， 但相應(yīng)的開路電壓也降低。 在Al-Bi合金中， 鉍含量超過5%時(shí)陽(yáng)極發(fā)生鈍化。 以鉍和錳來增加鋁的抗蝕性， 用普通鋁基體制成鋁合金A3： 。 該合金的開路電壓達(dá) V (對(duì)Hg/Hg)， 自腐蝕速度為34 mA/cm2， 其極化曲線如圖7。 表4普通鋁的二元合金性能 (4 mol/L NaOH) 名稱 Al () Al-Bi (1%) Al-Ce (1%)自腐蝕電流密度 開路電壓 (對(duì)Hg/HgO)/> 圖7鋁合金極化曲線 (4 mol/L NaOH) A3合金是目前鋁陽(yáng)極合金中性能較好的一種， 但與空氣電池鋁陽(yáng)極合金的目標(biāo)相比尚有一定差距。 今后應(yīng)進(jìn)一步研究， 特別是從微觀結(jié)構(gòu)上觀察鋁中鐵的存在形態(tài)， 以采取合適的辦法抵消鐵的影響［6］。 3結(jié)論 稀有金屬/990511 1. 鋁陽(yáng)極合金中添加鎵、 銦、 鉍、 錫等活性元素， 可增大陽(yáng)極的開路電壓， 提高電池的功率因素。 2. 添加鎂、 鉍、 鈰可增加陽(yáng)極的抗蝕性， 提高電池的庫(kù)侖效率， 但輸出電壓有一定降低。 3. 以高純鋁 () 為基體制得了兩種鋁陽(yáng)極合金A1、 A2， 基本上達(dá)到了堿性鋁/空氣電池的要求。 4. 以普通鋁 () 為基體制得的鋁合金A3作為鋁陽(yáng)極， 其電化學(xué)性能良好。 但今后應(yīng)加強(qiáng)普通鋁陽(yáng)極合金的研究， 特別是從結(jié)構(gòu)上查明合金中鐵的存在形態(tài)。 作者簡(jiǎn)介：許文江，男，32歲，碩士，工程師；聯(lián)系地址：北京市新街口外大街2號(hào)。 作者單位：北京有色金屬研究總院， 北京100088 參考文獻(xiàn) A S and Rudd E J. The Development of Aluminium -air Battery for Electric Vehicles, in: Proc 24th IECEC, V3, 1989, 1331 D D. J. Appl. Electrochem., 1990, 20(3): 405 J F et al. The Aluminium-air Battery for Electric Vehicles Propulsion, in: Proc 15th IECEC, V2, 1980, 1487 4.劉稚惠， 李振亞. 電源技術(shù)， 1992， (5)： 6 5.日本公開特許公報(bào) (A)， 昭62-37885， 1987 D S and Scott D H. USP4554131, 1985 收稿日期：1998-06-30 鋁/空氣電池用鋁陽(yáng)極的研究 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數(shù)：許文江， 王向東， 闞素榮， 薛紅霞， Xu Wenjiang， Wang Xiangdong， Kan Surong， Xue Hongxia北京有色金屬研究總院,北京100088稀有金屬CHINESE JOURNAL OF RARE METALS1999,23(5)7次 A E J The Development of Aluminium -air Battery for Electric Vehicles[外文會(huì)議] 1989 D D 查看詳情 1990(03) J F The Aluminium-air Battery for Electric Vehicles Propulsion 1980 4.劉稚惠.李振亞 查看詳情 1992(05) 5.查看詳情 1987 D D H 查看詳情 1985 1.郭瑞敏.楊占紅 鋁-空氣電池鈣鈦礦型氧電極的研究[期刊論文]-電源技術(shù) 2007(6) 2.張燕.宋玉蘇 堿性介質(zhì)中Al-Ga-Sn-Mg的陽(yáng)極行為研究[期刊論文]-腐蝕與防護(hù) 2005(4) 3.付承華 堿液中鋰水電池緩蝕劑的研究[學(xué)位論文]碩士 2005 4.付承華 堿液中鋰水電池緩蝕劑的研究[學(xué)位論文]碩士 2005 5.舒方霞 鋁-空氣燃料電池鋁基合金陽(yáng)極的制備及性能測(cè)試[學(xué)位論文]碩士 2004 6.張勝濤 鉛、鎳、鋁、鋅和銅電極改性的研究[學(xué)位論文]博士 2003 7.王華清.周上祺.陳昌國(guó).尤興波 鋅-空氣電池陽(yáng)極材料的研究(Ⅰ)[期刊論文]-電源技術(shù) 2002(z1) 本文鏈接：.

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1、關(guān)于建設(shè)項(xiàng)目竣工運(yùn)營(yíng)后的新增資產(chǎn)，下列說法中正確的是（）。

A新增資產(chǎn)按資產(chǎn)性質(zhì)分為固定資產(chǎn)、流動(dòng)資產(chǎn)和無形資產(chǎn)三大類B分期分批交付生產(chǎn)或使用的工程，待工程全部交付使用后，一次性計(jì)算新增固定資產(chǎn)價(jià)值C凡購(gòu)置的達(dá)到固定資產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不需安裝的工器具，應(yīng)在交付使用后計(jì)入新增固定資產(chǎn)價(jià)值D企業(yè)庫(kù)存現(xiàn)金、存貨及建設(shè)單位管理費(fèi)中未計(jì)入固定資產(chǎn)的各項(xiàng)費(fèi)用等，應(yīng)在交付使用后計(jì)入新增流動(dòng)資產(chǎn)價(jià)值

2、某建設(shè)項(xiàng)目由兩個(gè)單項(xiàng)工程組成，其竣工決算的有關(guān)費(fèi)用如下表所示。已知該項(xiàng)目建設(shè)單位管理費(fèi)、土地征用費(fèi)、建筑設(shè)計(jì)費(fèi)、工藝設(shè)計(jì)費(fèi)分別為100、120、60、40萬(wàn)元。則單項(xiàng)工程B的新增固定資產(chǎn)價(jià)值是（）萬(wàn)元。

3、關(guān)于招標(biāo)控制價(jià)的相關(guān)規(guī)定，下列說法中正確的是（）。

A國(guó)有資金投資的工程建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)編制招標(biāo)控制價(jià)B招標(biāo)控制價(jià)應(yīng)在招標(biāo)文件中公布，僅需公布總價(jià)C招標(biāo)控制價(jià)超過批準(zhǔn)概算3%以內(nèi)時(shí)，招標(biāo)人不必將其報(bào)原概算審批部門審核D當(dāng)招標(biāo)控制價(jià)復(fù)查結(jié)論超過原公布的招標(biāo)控制價(jià)3%以內(nèi)時(shí)，應(yīng)責(zé)成招標(biāo)人改正

4、關(guān)于缺陷責(zé)任與保修責(zé)任的說法，正確的是（）。

A缺陷責(zé)任期自合同竣工日起計(jì)算B發(fā)包人在使用過程中發(fā)現(xiàn)已接收的工程存在新的缺陷的，由發(fā)包人自行修復(fù)C缺陷責(zé)任期最長(zhǎng)不超過3年D保修期自實(shí)際竣工日起計(jì)算

5、關(guān)于招標(biāo)控制價(jià)及其編制，下列說法中正確的是（）。

A招標(biāo)人不得拒絕高于招標(biāo)控制價(jià)的投標(biāo)報(bào)價(jià)B當(dāng)重新公布招標(biāo)控制價(jià)時(shí)，原投標(biāo)截止期不變C經(jīng)復(fù)核認(rèn)為招標(biāo)控制價(jià)誤差大于±3%時(shí)，投標(biāo)人應(yīng)責(zé)成招標(biāo)人改正D投標(biāo)人經(jīng)復(fù)核認(rèn)為招標(biāo)控制價(jià)未按規(guī)定編制的，應(yīng)在招標(biāo)控制價(jià)公布后5日內(nèi)提出投訴

6、根據(jù)《建設(shè)工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范》（GB 50500－2013），下列關(guān)于工程量清單項(xiàng)目編碼的說法中，正確的是（）。

A第三級(jí)編碼為分部工程順序碼，由三位數(shù)字表示B第五級(jí)編碼應(yīng)根據(jù)擬建工程的工程量清單項(xiàng)目名稱設(shè)置，不得重碼C同一標(biāo)段含有多個(gè)單位工程，不同單位工程中項(xiàng)目特征相同的工程應(yīng)采用相同編碼D補(bǔ)充項(xiàng)目編碼以“B”加上計(jì)算規(guī)范代碼后跟三位數(shù)字表示，并應(yīng)從001起順序編制。

7、單位工程概算按其工程性質(zhì)可分為單位建筑工程概算和單位設(shè)備及安裝工程概算兩類，下列屬于單位設(shè)備及安裝工程概算的是（）。

A通風(fēng)、空調(diào)工程概算B工器具及生產(chǎn)家具購(gòu)置費(fèi)概算C電氣、照明工程概算D弱電工程概算

8、設(shè)計(jì)概算一經(jīng)批準(zhǔn)一般不得進(jìn)行調(diào)整，其總投資反映（）時(shí)的價(jià)格水平。

A項(xiàng)目立項(xiàng)B可行性研究C概算編制D項(xiàng)目施工

9、經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，完成10m3某分項(xiàng)工程需消耗某種材料，其中損耗量，則該種材料的損耗率為（）。

10、正常施工條件下， 完成單位合格建筑產(chǎn)品所需某材料的不可避免損耗量為 ， 已知該材料的損耗率為 ， 則其總消耗量為（ ） Kg。

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鋁，是一種化學(xué)元素。它的化學(xué)符號(hào)是Al，它的原子序數(shù)是13。鋁元素在地殼中的含量?jī)H次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。在金屬品種中，僅次于鋼鐵，為第二大類金屬。至19世紀(jì)末，鋁才嶄露頭角，成為在工程應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力的金屬，且風(fēng)行一時(shí)。航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨(dú)特性質(zhì)，這就大大有利于這種新金屬鋁的生產(chǎn)和應(yīng)用。 鋁的應(yīng)用極為廣泛。性狀 鋁是銀白色輕金屬。有延性和展性。商品常制成棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。鋁粉和鋁箔在空氣中加熱能猛烈燃燒,并發(fā)出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液,不溶于水。相對(duì)密度。熔點(diǎn)660℃。沸點(diǎn)2327℃。 鋁合金鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。 純鋁的密度小（ρ=），大約是鐵的 1/3，熔點(diǎn)低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材?？垢g性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài) σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。 添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，σb 值分別可達(dá) 24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值 σb/ρ）勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。 鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量?jī)H次于鋼。 鋁合金分兩大類：鑄造鋁合金，在鑄態(tài)下使用；變形鋁合金，能承受壓力加工，?？杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。 鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。形變鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。不可熱處理強(qiáng)化型不能通過熱處理來提高機(jī)械性能，只能通過冷加工變形來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等?？蔁崽幚韽?qiáng)化型鋁合金可以通過淬火和時(shí)效等熱處理手段來提高機(jī)械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。 一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能。 鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中鋁硅合金又有簡(jiǎn)單鋁硅合金（不能熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能較低，鑄造性能好），特殊鋁硅合金（可熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能較高，鑄造性能良好）， 1．鋁及鋁合金的焊接特點(diǎn) （1）鋁在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點(diǎn)高、非常穩(wěn)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(chǎn)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學(xué)或機(jī)械方法進(jìn)行嚴(yán)格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接過程加強(qiáng)保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時(shí)，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，去除氧化膜。氣焊時(shí)，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時(shí)，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(hù)，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。 （2）鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導(dǎo)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(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時(shí)，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(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時(shí)也可采用預(yù)熱等工藝措施。 （3）鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)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。在鋁硅合金中含硅時(shí)熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動(dòng)性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含硅5%～6%時(shí)可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi條（硅含量～6%)焊絲會(huì)有更好的抗裂性。 （4）鋁對(duì)光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時(shí)判斷難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。 （5）鋁及鋁合金在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)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?；≈鶜夥罩械乃?、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(duì)氫的來源要嚴(yán)格控制，以防止氣孔的形成。 （6）合金元素易蒸發(fā)、燒損，使焊縫性能下降。 （7）母材基體金屬如為變形強(qiáng)化或固溶時(shí)效強(qiáng)化時(shí)，焊接熱會(huì)使熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降。 （8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)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(xì)化晶粒。 2．焊接方法 幾乎各種焊接方法都可以用于焊接鋁及鋁合金，但是鋁及鋁合金對(duì)各種焊接方法的適應(yīng)性不同，各種焊接方法有其各自的應(yīng)用場(chǎng)合。氣焊和焊條電弧焊方法，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。氣焊可用于對(duì)焊接質(zhì)量要求不高的鋁薄板及鑄件的補(bǔ)焊。焊條電弧焊可用于鋁合金鑄件的補(bǔ)焊。惰性氣體保護(hù)焊（TIG或MIG）方法是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊。熔化極氣體保護(hù)焊、脈沖熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)用越來越廣泛（氬氣或氬/氦混合氣）。 焊接設(shè)備的發(fā)展情況鋁合金攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢(shì) 在中國(guó)，北京航空制造工程研究所和英國(guó)TWI的攪拌試探焊技術(shù)合作中心――中國(guó)攪拌摩擦焊中心在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)方法研究，材料應(yīng)用研究、開發(fā)，攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和銷售等方面，都取得很大的進(jìn)展。 （1）目前，中心正在針對(duì)攪拌摩擦焊在航天火箭筒體制造，航空飛機(jī)框架、蒙皮和結(jié)構(gòu)間的攪拌摩擦焊制造，船舶輕合金制造以及高速列車的鋁合金型材的快速制造等方面正在展開全面的研究和工程攻關(guān)。另外，在承攬國(guó)防科研和總裝課題的同時(shí)，還加強(qiáng)了和企業(yè)、大學(xué)的橫向聯(lián)合及技術(shù)合作。 （2）在攪拌摩擦焊設(shè)備的制造方面已經(jīng)設(shè)計(jì)出3大類6類種形式的攪拌摩擦焊設(shè)備，并且在2003年3月為哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華東船舶工業(yè)學(xué)院制造交付了2臺(tái)專業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備。 （3）在工程應(yīng)用方面，鋁合金攪拌摩擦焊將在輸變電、高速列車、新一代戰(zhàn)斗機(jī)及新型運(yùn)載火箭等方面首先得到應(yīng)用。 鋁合金由于重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。 目前，生產(chǎn)中常用MIG 焊、TIG 焊方法來焊接鋁合金材料。雖然使用這2種方法能夠得到良好的焊接接頭，但是，這2種方法卻有熔透能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。近年來，很多科技工作者開始探討焊接鋁合金的新方法，如激光焊、雙光束激光焊、激光-電弧復(fù)合焊及摩擦攪拌焊等，下面主要介紹前3種焊接方法的主要特點(diǎn)。 1 鋁合金的雙光束激光焊 激光單獨(dú)焊接鋁合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生由于鑰孔塌陷而產(chǎn)生的氣孔。針對(duì)這個(gè)問題，人們又研究了雙束激光焊，發(fā)現(xiàn)雙束激光焊有相對(duì)較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比，能提高鑰孔的穩(wěn)定性，可以明顯地降低氣孔敏感性。其原因在于雙束激光焊接時(shí)第一束激光產(chǎn)生熔池，并對(duì)附近區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，累積的熱量使第二束激光照射該處時(shí)，可以熔化更多的母材，從而形成較寬的焊縫。此外，由于第二束激光可以把第一束激光形成的鑰孔后壁氣化，避免了鑰孔的塌陷，所以形成氣孔的幾率就要小一些。 2 鋁合金的激光一電弧復(fù)合焊 雖然用激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢(shì)，但仍存在較大的局限性，如設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發(fā)展了激光-電弧復(fù)合焊接工藝。激光-電弧復(fù)合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的復(fù)合。目前，該工藝在德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究比較多，并在汽車業(yè)中已有一定的應(yīng)用，如大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-MIG焊道，而且激光復(fù)合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國(guó)內(nèi)在該工藝的研究和應(yīng)用上基本還是空白。 鋁合金激光-電弧復(fù)合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率以及深熔焊的閾值問題，是極具前景的鋁合金焊接工藝之一，目前工藝還不成熟，處于研究探索階段。 用激光和電弧復(fù)合焊接方法來焊接鋁合金時(shí)，激光與電弧相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)。能顯著提高焊接效率，這主要基于2種效應(yīng)：一方面是高的能量密度導(dǎo)致了高的焊接速度；另一方面是2種熱源同時(shí)作用在一個(gè)相同區(qū)域的疊加效應(yīng)。這種復(fù)合工藝的優(yōu)勢(shì)很多，潛力很大，在未來的汽車生產(chǎn)中必將具有廣泛的應(yīng)用前景。 3 鋁合金的激光焊 隨著大功率、高性能激光加工設(shè)備的不斷開發(fā)，鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展很快，是未來焊接鋁合金的主要發(fā)展方向之一。目前，鋁合金激光焊接已經(jīng)被使用在車體部件的連接上，在Audi A2(全鋁結(jié)構(gòu))上，就有30m 激光焊縫。 與傳統(tǒng)的TIG、MIG 焊相比，用激光來焊接鋁合金具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大的焊縫。 (2)冷卻速度快，能得到組織微細(xì)的焊縫，故焊接接頭性能良好。 (3)焊接速度快、功能多、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高且不需要真空裝置，所以在焊接精度、效率、自動(dòng)化等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。 激光焊接是一種高能密度的焊接工藝，焊接鋁合金可以有效防止傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷，強(qiáng)度系數(shù)提高很大。但激光器功率一般都比較低，對(duì)鋁合金厚板焊接困難，同時(shí)鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率很低，以及要達(dá)到深熔焊時(shí)存在閾值問題，所以工藝上有一定難度。