背景
通常，金属结构的设计者已经学会了使用钢设计。然而，在用铝设计时，工程师不得将设计基于与钢或任何其他材料的现有经验。合金选择，适当的关节设计和最佳焊接过程的选择可以全部是基材的函数。虽然铝显然遵守与所有其他材料相同的机械定律，但在焊接时必须与钢不同地接近。铝结构不一定更难以设计或焊接而不是钢结构，它们刚刚不同。
不要只选择最强的合金
铝经常被选择为结构材料的应用，节省重量是重要的。通常情况下，设计师会选择最坚固的合金。这是一个糟糕的设计实践，原因有几个。首先，许多结构的关键设计限制往往是挠度，而不是强度。在这种情况下，决定设计的是弹性模量，而不是拉伸性能。大多数铝合金的模量，无论强弱，都大致相同(是钢的弹性模量的三分之一)，所以使用最强的合金没有任何好处。第二，也是最重要的一点，许多最坚固的铝合金用传统技术是不可焊接的。
当我们说铝合金是“可焊的”或“不可焊的”时，我们通常指的是合金焊接时不产生热裂的能力。极易发生热裂的合金不适合用于结构(承载)应用，通常归入不可焊类。铝合金的热裂主要是由于合金和焊缝的化学作用。对于几乎每一种合金添加物，裂纹敏感性随合金含量的增加而变化，如图1所示。可焊合金的成分大大高于或低于最大开裂敏感性。在某些情况下，如6061，如果焊接时没有填充材料，其裂纹敏感性非常高，在添加高硅或高镁填充金属后，焊缝裂纹敏感性可以降低到可接受的水平。额外的硅或镁将凝固焊缝金属推低到开裂敏感性水平以下。在其他合金中，如7075，不可能设计出能产生抗裂纹化学反应的焊接填充合金。这些被认为是不可焊接的。
图1
合金分为两组：热处理合金和不可热处理合金。对于这些中的每一个也给出了对焊接性的相对评估。
非热处理合金由1XXX, 3XXX, 4XXX和5XXX系列组成。热处理不可能使这些合金增强。它们只能通过冷加工(也称为应变硬化)来加强。1XXX合金，如1100、1188或1350，本质上是纯铝(99+%纯度)。它们相对柔软和脆弱，具有良好的耐腐蚀性，通常用于要求高导电性的地方，如母线或作为导体。它们也用于某些需要高度耐腐蚀的应用场合。所有这些合金都易于焊接。
3XXX系列合金添加了不同水平的锰(Mn)，以增强其强度并改善其对冷加工的反应。它们具有中等强度，良好的耐腐蚀性，易于焊接。它们被用于空调和制冷系统，非结构建筑装饰和其他应用。
4XXX系列合金加入了硅(Si)作为合金元素，以降低熔点并增加其熔融状态的流动性。这些合金用于焊接和钎焊填充材料以及砂型和压铸件。它们是所有铝合金中对裂纹最不敏感的。
5XXX系列合金添加了镁(Mg)，以增加其强度和加工硬化能力。它们通常非常耐腐蚀，在任何不可热处理的合金中具有最高的强度。这些合金中镁含量的增加导致强度水平的提高。这些合金通常以板、板和带材的形式存在，是最常见的结构铝合金。它们通常不作为挤压型材提供，因为它们是昂贵的挤压。在大多数情况下，无论是否使用填充金属，它们都很容易焊接。然而，在2.5% Mg左右有一个Al-Mg开裂峰，所以焊接合金如5052时必须小心。它不应该是自动焊接的(即，没有添加填充金属)。焊接时应使用Mg含量较高的焊料金属，如5356，以降低裂纹敏感性。
可热处理合金包括2XXX, 6XXX和7XXX合金族。2XXX系列合金是高强度Al-Cu合金，主要用于航空航天应用。在某些环境中，它们的耐腐蚀性较差。一般来说，本系列中的大多数合金被认为是不可焊接的。该系列中不可焊合金的一个主要例子是2024合金，它的高强度吸引了设计师。这种合金通常用于机身，几乎总是铆接。它对裂纹极其敏感，几乎不可能用标准技术成功焊接。
2XXX系列中只有两种常见的结构合金是可焊的:2219和2519。2219合金非常容易焊接，并已广泛焊接在制造美国航天飞机的外部储罐。由于铜含量较高(约6%)，该合金具有良好的可焊性。一种与之密切相关的合金，也是非常可焊的，是2519。它是为制造装甲车辆而开发的。尽管这一规则有详细的例外情况，但设计师可能应该考虑2XXX系列中的所有其他合金都是不可焊接的。
6xxx系列合金是结构工作中最常遇到的合金。它们相对强壮（虽然不如2xxx或7xxx系列，但具有良好的耐腐蚀性。它们通常作为挤出提供。实际上，如果设计者指定挤出，则几乎肯定会作为6xxx合金提供。6xxx合金也可以作为片材，板和棒供应，并且是最常见的热处理结构合金。尽管本系列中的所有合金往往是敏感的，但它们都被认为是可焊接的，并且实际上是每天焊接。然而，必须使用正确的焊接填充金属来消除裂化。另外，如果焊接，这些合金通常会破裂，如果没有，或不足，填充金属添加剂。
7XXX合金通常会绊倒设计师。它们是非常高强度的Al-Zn或Al-Zn- mg - cu合金，通常用于航空航天制造，并以板材、板材、锻件和棒材以及挤压件的形式提供。除了以下提到的少数例外，设计师应假设7XXX合金不可焊接。这些合金中最常见的是7075，它不应该被焊接用于结构应用。此外，这些合金在许多环境中往往腐蚀性能较差。
7xxx系列中的一些缩小了一般规则并是可焊接的。这些是合金7003和7005，它们通常被视为挤压和7039，其最常被视为片状或板。今天这些合金的一些常见用途是自行车框架和棒球棒，两者都是焊接的。这些合金易于焊接，有时可以在6xxx和5xxx合金上的焊接条件下提供强度优势。
对于2XXX和7XXX合金不可焊接这一一般规则，还有一个例外。有许多厚铸造和/或变形板合金设计作为注塑工业的模板材料。这些合金，包括Alca Plus, Alca Max和QC-7，化学性质都非常接近7075或2618。设计者应绝对避免在这些合金上进行结构焊接。然而，焊接通常是在这些合金上进行，以纠正加工错误，模具腐蚀等。这是可以接受的，因为只有较低的应力，在这样的焊缝，实际上，焊缝经常在压缩。
本讨论试图提出以下几点:
首先，在设计任何一种结构时，不要在最近的铝合金列表中滚动，然后选择最强的
要知道，有些合金，通常是较强的，是不可焊接的。确保所选的合金易于焊接
认识到某些合金或合金族比其他合金更适合某些应用
另外一个警告:当焊接铝时，设计者不能假设起始材料的性能和焊缝的性能是相等的。
为什么焊缝不如原来的贱金属坚固?
钢结构的设计者通常认为焊缝与母材一样坚固，负责制造结构的焊接工程师希望焊缝与正在使用的钢一样坚固。在设计和制造铝结构时，人们很容易假设情况也是如此，但事实并非如此。在大多数情况下，铝合金的焊缝比被焊接的合金弱，往往是一个显著的程度。
Non-Heat-Treatable合金
这类合金(即1XXX、3XXX、4XXX和5XXX系列)采用冷加工工艺生产:轧制、拉伸等。在冷加工过程后，合金被指定为F回火(预制态)。然后，合金通常进行后续的退火热处理，在这之后，它们被归类为O型回火(退火)。许多合金是在这种情况下出售的。因此，轧制后退火的5083板的正确名称是5083 - o。这些合金的一个吸引人的特性是，如果在退火后进行冷加工，它们的强度可以显著提高。图2显示了不同数量的冷加工对几种合金的影响。例如，合金5086的屈服强度从大约18 ksi (125 MPa)提高到40 ksi (275 MPa)，现在被称为应变硬化。这种合金的完整名称为5056-H36。H调温的名称可能有些复杂，因为它是用来指定若干处理变量的。但是，最后一个数字表示合金的冷加工程度，9表示最高。
图2
在使用非热处理合金设计焊接结构时，一个常见的错误是，忽略性能列表，忽略O回火材料，选择最高回火的合金，因为它明显更强。这似乎是有意义的，但它往往不是，因为焊接热作为一个局部退火操作，显著削弱热影响区(HAZ)的焊缝。如果绘制屈服或拉应力与距离焊缝，如图3所示的曲线。如果设计是基于应变硬化性能，许用设计应力通常会高于HAZ的实际屈服点。虽然这看起来可能与直觉相反，但事实是:无论一个人开始什么回火，HAZ中的性能将是O回火退火材料由于焊接操作的性能。因此，设计必须基于退火性能，而不是应变硬化性能。由于这一点，它通常没有意义购买更昂贵的应变硬化回火焊接制造。在设计和指定合金时，必须采用O型回火和高规格。
图3
一个明显的问题是，在焊接应变硬化材料后，是否可以采取任何措施来恢复材料的性能。不幸的是，答案几乎总是否定的。硬化这些材料的唯一方法是通过机械变形，这几乎是不实际的焊接结构。
可热处理合金
当焊接可热处理的合金时，情况有些不同。对合金进行热处理，首先将材料加热到大约1000°F(540°C)，保持温度较短时间，然后在水中淬火。该操作的目的是将所有添加的合金溶解在溶液中，并保持在室温下。这种情况下的合金被称为T4回火，其强度明显高于O回火状态下的相同合金。根据合金的不同，室温下的“自然时效”会随着时间的推移导致强度进一步增加。这需要几天，最多几个星期。在那之后，性能将在几十年内保持稳定。如果购买T4材料，它是稳定的，在一生中性能不会改变。
然而，大多数合金都经过额外的热处理以获得最高的力学性能。这种热处理包括将材料保持在大约400°F(205°C)几个小时。在此期间，先前热处理中溶解的合金添加物以受控的方式析出，从而增强合金。在这种条件下的材料被指定为T6(人工时效)回火，这是最常见的热处理合金回火。
同样，完整的回火标识系统实际上比这复杂得多，但了解T4和T6回火将有助于克服一些最常见的错误，当设计铝焊接。值得注意的是，可热处理合金在热处理后也可以应变硬化，这可能会使回火名称进一步复杂化。
记住，时效处理是在大约400°F(205°C)下进行的。任何电弧焊工艺都会使HAZ比这热得多。因此，焊接是对HAZ的附加热处理。一些合金经历额外的固溶热处理，而其他合金在HAZ中过度时效。这将导致材料性能的退化，特别是当焊接态性能与T6性能相比时。例如，ASTM B209中规定的6061 - T6的最小抗拉强度为40 ksi (275 MPa)。大多数制造规范要求焊接时的最低抗拉强度为24 ksi (165 MPa)，这是一个显著的退化。
如在为非可热处理合金设计时，设计者不得使用设计中的父材质属性。必须使用现实的焊接性能。难以概括这些属性是什么。它们从合金改变为合金，并强烈地依赖于合金的起始回火上。大多数设计代码含有铝合金的焊接性能，应使用这些代码。
然而，利用热处理合金，存在一些方法来恢复父母的一些材料特性。图4示出了距离焊缝6061的拉伸应力与距离的曲线图，在焊接（AW）和焊接后老化（PWA）条件下，揭示T4和T6材料的曲线。PWA条件表示随后在约400°F（205℃）的1小时后的焊缝。焊接后衰老改善了T4和T6原料的机械性能。事实上，通常在焊接过程后焊接在T4条件和焊接后时效更好。
图4
有一个最后的替代方案可以讨论。If after welding, the structure is given a complete heat treatment (i.e., solution treat at 1000°F [540°C], quench, age at 400°F [205°C]), all of the material properties (even in the weld) will be recovered and T6 properties will be obtained. This practice is frequently followed on small structures such as bicycle frames, but it is impractical for larger structures. Furthermore, the quenching usually causes enough distortion of the structure that a straightening operation is necessary before aging.
结论
在焊接铝结构的设计中，往往没有考虑到钢与铝之间的差异。总结一下，常见的错误包括:
并非所有铝合金都是可焊接的。通常，最焊接合金也是最强的合金
焊缝很少会像母材那样坚固
对于非热处理合金，不论初始材料回火，热影响区均具有O回火退火性能
对于热处理合金，用焊接性能明显低于T6合金脾气的性质
后焊接后热处理可以帮助恢复热处理合金中焊缝的机械性能
