今天，人們每天都會(huì)和鋁有親密接觸，很少會(huì)對(duì)這種材料多加思考。單就美國來說，每年就要消耗一千億個(gè)鋁質(zhì)飲料罐。這些鋁罐大約有60%再循環(huán)，又做成新的鋁質(zhì)用品。{TodayHot}

    在汽車行業(yè)，把鋁當(dāng)成一種優(yōu)先材料來使用已取得重大進(jìn)步。一般的現(xiàn)代機(jī)動(dòng)車采用鋁材較以前都有增長。輻射器、引擎塊、傳送外殼、車輪、車身面板、保險(xiǎn)杠、空間框架、引擎支架、驅(qū)動(dòng)軸和懸框普遍都是用鋁做成。

    除了汽車，我們的家居和辦公大樓建成都更多地采用鋁。包括窗框、水槽、電線、外墻板、房頂。通常家具也是由鋁合金做成的。

    要想在當(dāng)今世界研究認(rèn)識(shí)鋁，應(yīng)該記住1903年12月17日在北卡羅琳娜萊特兄弟在Kitty Hawk的第一次試飛，發(fā)動(dòng)引擎就是鋁做成的。{HotTag}如果在飛機(jī)業(yè)的發(fā)展中不能使用鋁，那我們今天所熟知的飛機(jī)將不存在。鋁極高的承載重量比是今天的巨型飛機(jī)能用相對(duì)小的引擎飛行的理由所在。

    雖然世界上許多其它地區(qū)都盛產(chǎn)鋁，但美國才是世界上最大的制鋁商。容器和包裝是鋁最大的市場；交通（汽車、卡車、飛機(jī)和火車）是第二大市場。其次是建筑業(yè)。今天，從廚房里使用的烹調(diào)用具，到高速公路上的指示牌，鋁無處不在。鋁在日常生活中如此普遍重要，可以想象，鋁已經(jīng)長期存在。在現(xiàn)實(shí)中，把鋁礦轉(zhuǎn)換成我們熟悉，每天使用的鋁的工藝近來已出現(xiàn)。鋁的工業(yè)生產(chǎn)在十九世紀(jì)晚期才開始，這讓這種材料在常見金屬中來得晚些。

    金屬鋁背后的故事

    自從地球形成以來，鋁就是早已存在的92種金屬元素中的一種。地殼大約8%由鋁構(gòu)成，只有氧（47%）和硅（27%）的含量超過它。盡管鋁很充足，但直到進(jìn)入鐵器時(shí)代2000年，鋁才脫離礦石狀態(tài)。過了無數(shù)個(gè)千年后（經(jīng)過物理和化學(xué)活動(dòng)），古老的鋁-硅巖石沉入地面，成為極細(xì)的小微粒。這些微粒形成鋁黏土，原始陶瓷就是由它做成的。地球周圍的寬帶中，硬雨和高溫炙烤、夯實(shí)黏土和其他形成鋁礦的大型沉淀物的化物。這種礦石最先在法國的Les Baux發(fā)現(xiàn)，叫做“鐵鋁氧石”。當(dāng)這種礦石提煉時(shí)，形成鋁氧化物，也叫做礬土。

    幾千年后，人們想要發(fā)明和我們現(xiàn)在熟知的金屬鋁相似的物質(zhì)，但沒有成功。這種金屬發(fā)展遲緩的主要原因是很難從礦石中提取。它在一種化合物中，和氧原子緊密結(jié)合。這種化合物不像鐵，在和碳發(fā)生反應(yīng)時(shí)不會(huì)減少。

    1808-1812年間，英國人Humphrey Davy先生懷疑與從天然礦石中提取的鐵混合的是一種新金屬，他首先致力于對(duì)此進(jìn)行研究。Davy把這種新元素命名為“鋁”，它是從它的硫酸氫鹽明礬中提取出來的，古埃及人早已熟知明礬在染料中的用處。1825年， Hans Christian Orsted在丹麥第一次成功在化學(xué)品天秤上制成鋁。稍后不久,Friedrich Wohler在德國也成功做到了這一點(diǎn)。最后，在1854年，法國人Henri-Etienne Sainte Clair Deville（把礦石命名為“鐵鋁氧石”的人）找到了通過化學(xué)工藝產(chǎn)生鋁的一種方法。即使建造了幾家工廠來制造這種新金屬，但它是如此昂貴，在1855年巴黎博覽會(huì)上，樣品都是放在法國皇冠珠寶旁邊向公眾展示。

    又過了30多年，制造鋁的一種經(jīng)濟(jì)節(jié)約的工藝才出現(xiàn)。1886年，一次神奇的機(jī)緣巧合，兩個(gè)人（一個(gè)在法國，另一個(gè)在美國）同時(shí)發(fā)現(xiàn)了制造鋁的電解工藝，這種工藝直到今天仍在使用。

    美國的Charles Martin Hall對(duì)生產(chǎn)鋁產(chǎn)生興趣時(shí)還是Oberlin（俄亥俄州）大學(xué)的學(xué)生。他在1885年畢業(yè)后繼續(xù)使用大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并在八個(gè)月后發(fā)明了他的方法。他最終發(fā)明了一種可行的電解工藝，當(dāng)提純明礬用在稱為冰晶石的溶鹽中溶解，并在直流中電解時(shí)，形成熔化鋁。當(dāng)Hall去為他的這項(xiàng)工藝申請(qǐng)專利時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)法國專利，本質(zhì)和他發(fā)明的工藝相同，是由Paul L.T. Heroult發(fā)明的。

    此項(xiàng)工藝現(xiàn)在稱為Hall-Heroult工藝。Charles Martin Hall幾次想讓投資人對(duì)推廣這一發(fā)明感興趣，但都失敗了。之后，他獲得了Alfred E.Hunt和他的幾個(gè)朋友的支助。他們一起成立了匹茲堡提煉公司（后來變成美國鋁公司，ALCOA）。了解了鋁的潛力，Hall在美國創(chuàng)建了一個(gè)產(chǎn)業(yè)，為其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作貢獻(xiàn)，尤其是飛機(jī)和汽車制造方面。

    1888年左右，鋁的工業(yè)生產(chǎn)幾乎在美國和歐洲同時(shí)開始盛行#-在美國賓夕法尼州匹茲堡使用的是Hall的工藝，在瑞士Neuhausen使用的是Heroult的工藝。到1914年，Hall-Heroult工藝讓鋁的成本不可思議地降了下來。鋁，這種曾用于精美珠寶的珍貴金屬，現(xiàn)在這種材料廣泛應(yīng)用，好處很多。

    后來，鋁的生產(chǎn)成倍增長。1918年，產(chǎn)量已達(dá)到180，000噸。自那時(shí)起，鋁長期保持穩(wěn)定增長。從二十世紀(jì)七十年代中期起，鋁的生產(chǎn)量和消耗量平均每年增長大于8%。1952年，西方世界鋁的總消耗量達(dá)到200萬噸，，1989年達(dá)到2千萬噸。鋁被認(rèn)為是未來的材料。

    焊接鋁的發(fā)展

    在發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)鋁這種節(jié)約成本的材料的合適方法后，下一步就是對(duì)這種基礎(chǔ)材料進(jìn)行加工和改良。

    純鋁有一些獨(dú)特而重要的特征。舉個(gè)例子，防腐性和電導(dǎo)性。但是，由于純鋁承載率相對(duì)較低，所以不是進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接裝配的最佳材料。人們很快發(fā)現(xiàn)，在純鋁中添加相對(duì)小量的合金元素，鋁的特性會(huì)發(fā)生很大改變。生產(chǎn)第一批鋁合金，其中之一就是鋁-銅合金。1910年左右，發(fā)現(xiàn)合金家族中的沉淀物硬化現(xiàn)象。許多這些沉淀物硬化合金在發(fā)展中的飛機(jī)業(yè)產(chǎn)生的效益立竿見影。緊跟著鋁-銅合金，許多其它合金也發(fā)展起來。研究發(fā)現(xiàn)，通過加入像銅（Cu）,錳（Mn）, 鎂（Mg）,硅（Si）和鋅（Zn）和這些元素的混合物，純鋁的各種物理和機(jī)械特征發(fā)生了明顯的變化。許多這些新合金都能匹配質(zhì)量好的碳鋼的承載力——三分之一的重量。

    許多新的適合結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鋁合金的發(fā)展又提出了一個(gè)問題，就是找到合適的連接方法。首先要有合適的母材。但如果沒有連接這一材料的實(shí)際可行的方法，把這種材料作為裝配材料也不現(xiàn)實(shí)。

    鋁合金焊接工藝的發(fā)展與碳鋼有所不同。由于原鋁合金有許多元素，每一種合金元素對(duì)母材的可焊性不同的影響，所以有必要發(fā)展很多不同的填充合金以適應(yīng)這些不同的合金元素。比如，一些原鋁合金有特殊的化學(xué)性，為特定合適的機(jī)械和物理特征設(shè)計(jì)，而且并沒有最好的可焊性。

    這些合金的化學(xué)性質(zhì)凝固特性不好，容易產(chǎn)生凝固裂紋。為了發(fā)展合適的焊接工藝，不產(chǎn)生有裂紋的焊縫，必須掌握每種不同的合金的凝固裂紋敏感性。這一焊接發(fā)展工作從本身來說就是一個(gè)大工程。許多工作由鋁母材制造商完成，因?yàn)樗麄兎奖阒�道鋁的可靠焊接方法和工藝，同時(shí)也鋁裝配工完成，他們也知道這種新型材料的潛力，很希望使用它。美國焊接發(fā)展的兩個(gè)先鋒是ALCOA（美國鋁公司）和Kaiser 鋁化學(xué)公司，都有出版物；焊接ALCOA鋁最早在1954年出版（見圖1），焊接Kaiser鋁最早在1967年出版。

     在現(xiàn)代工業(yè)世界競爭時(shí)代，結(jié)構(gòu)金屬必須可焊性好。最早適合鋁的焊接技術(shù)包括羥基燃料氣焊和電阻焊。鋁弧焊主要局限于SMAW（手工電焊�。�，有時(shí)叫MMA。這一焊接工藝使用管狀焊條。很快發(fā)現(xiàn)，這一工藝并不最適于焊接鋁。主要問題之一就是焊劑殘留引起的腐蝕，尤其是在填充焊縫里，焊劑留在焊縫后，促進(jìn)了焊縫的腐蝕。

    鋁作為結(jié)構(gòu)金屬的突破是隨著二十世紀(jì)四十年代惰性氣體焊接工藝的出現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)的。比如，GMAW（氣體金屬電弧焊），也叫MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊）；GTAW（氣體鎢極電弧焊），也叫TIG（鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊）。隨著在焊接中出現(xiàn)使用惰性氣體保護(hù)熔化鋁的焊接工藝，就可能以高速，全方位打出高質(zhì)量，高承載力焊縫，沒有腐蝕焊劑。

    今天，使用各種技術(shù)和焊接工藝使鋁和鋁合金可焊性好。最近的兩個(gè)工藝是激光束焊（LBW）和攪拌摩擦焊（FSW）。但是，GTAW/TIG和GMAW/MIG焊接工藝仍然是最流行的。