鋁合金焊接新技術(shù)

張文明，劉茂增，柏久陽

（沈陽大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

0 前言

鋁合金在航空航天、交通工具、機械制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時，鋁合金的很多焊接缺陷也暴露出來，并帶來了嚴重的后果，因此提高其焊接性能、保證焊接質(zhì)量具有極其重要的意義。

1 鋁合金的焊接性分析

1.1 鋁合金的優(yōu)點

鋁合金的密度低，經(jīng)熱處理強化后，其強度會大大增強，特別適合用于輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)。鋁合金為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，在溫度降低時，不發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，其強度、韌性、延性有所提高。鋁合金的工藝性良好，易于扎壓、擠壓、沖壓等，適于制成各種截面形狀的鋁材和各種形狀的型材。

1.2 鋁合金的焊接難點

鋁合金焊接接頭容易軟化，強度系數(shù)較低；鋁合金的表面容易氧化，產(chǎn)生阻礙焊接的氧化膜；鋁合金的熱導(dǎo)率高，焊接時需求的熱量高；鋁合金的線膨脹系數(shù)高，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋。

2 鋁合金的焊接方法

2.1 鋁合金TIG焊

TIG焊是以鎢極作為焊接時的電極，用氬氣作為保護氣體進行電弧焊接的方法，其特點為：

（1）鎢極電弧較為穩(wěn)定，即使是小電流，電弧仍可保持穩(wěn)定，特別適合鋁合金薄板的焊接。

（2）交流TIG焊時，利用其陰極處理作用，能夠很好地破壞和清除合金表面的氧化膜，促進其焊接性。

（3）氬氣作為保護氣體，能夠有效隔絕周圍的空氣，保護好熔池及其母材的熱影響區(qū)，而且其本身不與任何金屬發(fā)生反應(yīng)。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進步，TIG焊的焊機及其電源不斷地改進和完善，其電弧表現(xiàn)得更加柔和、安靜，焊接質(zhì)量越來越高。TIG焊將會在中小厚度的鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接中扮演重要的角色。

2.2MIG焊

MIG焊是以連續(xù)送進的焊絲作為焊接時的電極，以惰性氣體作為保護氣體進行的焊接方法。

MIG焊的特點：

（1）可焊接的鋁材范圍較廣，而且成本相對較低，生產(chǎn)率高。對于普通的MIG焊，可以使用粗焊絲進行大厚度板的焊接，而脈沖MIG焊則能實現(xiàn)其他方法不能實現(xiàn)的超薄板的焊接。

（2）焊接位置全面，容易實現(xiàn)自動化。MIG焊可調(diào)參數(shù)多，可以不斷改變過渡形式，從而實現(xiàn)全位置焊接。因此，適合自動化焊接。

在鋁合金的焊接應(yīng)用中，MIG焊因其特點已經(jīng)廣泛地推廣應(yīng)用于各個部門，尤其是在大厚度鋁合金結(jié)構(gòu)中。隨著微點控制技術(shù)的發(fā)展，MIG焊的發(fā)展應(yīng)用又有了廣闊的前景。

2.3 電子束焊（EBW）

電子束焊是指真空環(huán)境下，利用匯聚的高速電子流轟擊焊件的連接部分產(chǎn)生熱能使金屬熔化的焊接方法。工作原理如圖1所示[1-2]。

圖1 電子束焊原理Fig.1 The scheme of election beam welding

電子束焊的特點：

（1）有較強的破壞清除鋁合金表面的氧化膜的作用。因為高速電子轟擊金屬表面時會產(chǎn)生集中的能量，產(chǎn)生很高的溫度和大量金屬蒸汽，該蒸汽會對氧化膜表面產(chǎn)生機械作用促使其分解。

（2）電子束焊功率密度大、穿透力強、焊縫熔深大，所以特別適合對較厚的鋁合金進行焊接，與弧焊相比還節(jié)省能量。

（3）焊接速度快、熱影響區(qū)小、變形小，提高了接頭強度，避免了裂紋的產(chǎn)生，熱處理后其強度更高[3]。

電子束焊已經(jīng)在大厚度構(gòu)建和特殊材料的焊接中得到應(yīng)用，但是其焊接環(huán)境和工藝參數(shù)控制的難度嚴重阻礙了其應(yīng)用。相信隨著對太空開發(fā)步伐的加快，真空環(huán)境將會為電子束焊提供一個更廣闊的舞臺，成為空間結(jié)構(gòu)焊接和修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。

2.4 激光焊

激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。所用的激光器有兩種:固體激光器（YAG激光器）和氣體激光器（CO2激光器）。

激光焊的特點：

（1）與電子束焊相比，功率密度更大、熱量更集中，因而工件產(chǎn)生的變形極小，熱影響區(qū)小，特別適合精密焊接和細微焊接。

（2）特別適合于難熔及熱物理性能差異懸殊大的焊件間的焊接。

（3）可借助反光鏡使光束到達一般焊接方法無法焊接的部位，降低了一些難以施焊部位焊接的成本。

（4）可獲得深寬比大的焊縫，焊接厚件時減少了開坡口的工序，降低了成本和工序。

激光作為現(xiàn)代高科技的產(chǎn)物，已經(jīng)成功在現(xiàn)代工業(yè)中得到應(yīng)用。盡管鋁合金的反射作用給其激光焊接帶來了很多麻煩，但是激光焊無與倫比的優(yōu)勢以及工藝的柔性吸引著技術(shù)人員不斷攻克難關(guān)，使其在飛機、汽車、輪船等制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相信在對加工技術(shù)要求更加嚴格的21世紀，激光焊將會給零部件的焊接帶來更完善的未來。

2.5 激光電弧焊

激光電弧焊是在激光焊的基礎(chǔ)上，復(fù)合了電弧作為輔助能源，通過激光和電弧的相互影響，克服了每一種方法自身的不足，產(chǎn)生了良好的焊接特性。

激光電弧焊的特點：

（1）有效利用了激光的能量。先用電弧將母材熔化，大大降低了金屬表面對激光的反射，提高了母材對激光的吸收率，降低了能量的損失。

（2）穩(wěn)定電弧。只有電弧時，電弧表現(xiàn)得不穩(wěn)定，隨著速度的提高，電弧的漂移將嚴重影響焊接質(zhì)量。而激光產(chǎn)生的等離子體與電弧相互作用促進了電弧的穩(wěn)定，提高了焊接質(zhì)量，避免了速度過快時的缺陷。

隨著科技的發(fā)展，人們對材料性能要求越來越高，對加工精度要求日益嚴格。同時人們對工作環(huán)境要求越來越高，傳統(tǒng)的焊接方法已經(jīng)難以滿足這些要求。激光電弧焊在提供給人們一個好的工作環(huán)境的同時，兼?zhèn)淞穗娀『图す獾膬?yōu)點，以及它們復(fù)合后產(chǎn)生的新的特性，完全可以滿足人們的要求。

2.6 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是1991年英國TWI焊接研究所發(fā)明的一項高效、低成本、低耗的摩擦焊接技術(shù)。其原理圖如圖2所示[4]。

攪拌摩擦焊的優(yōu)點：

（1）消除了氣孔產(chǎn)生的根源——煉化結(jié)晶，解決了鋁合金熔焊的氣孔問題。

（2）鋁及鋁合金攪拌摩擦焊時經(jīng)歷了塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶，細化了焊縫金屬組織，提高接頭性能。

（3）它是固態(tài)的連接技術(shù)，不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪聲等污染，屬于綠色加工方法。

圖2 攪拌焊原理Fig.2 the scheme of stir welding

經(jīng)過十多年的發(fā)展，攪拌摩擦焊已成功的應(yīng)用于航空、航天、汽車和輪船等諸多輕合金結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域，因其巨大的潛力，各國都在對其進行大力度的開發(fā)和應(yīng)用。尤其以美國和歐洲在航空航天領(lǐng)域，歐洲、日本和澳大利亞在造船業(yè)方面的力度最大，而我國則剛處于起步階段。

2.7 各種焊接技術(shù)的特點及應(yīng)用總結(jié)

鋁合金的焊接技術(shù)及應(yīng)用特點見表1。

表1 鋁合金的焊接技術(shù)及應(yīng)用Tab.1 The welding technology and application of aluminum alloy

3 結(jié)論

未來，隨著鋁合金更廣泛的應(yīng)用，其焊接技術(shù)也會得到更大的進步，就其前面所提到的焊接技術(shù)而言，TIG焊的焊接接頭性能會低一些，所以其焊接缺陷率高，同時穿透能力差。但是隨著電子技術(shù)進步，其焊接電流和設(shè)備的完善，其將會在中薄厚度的鋁合金焊接中占有一席之地。而電子束焊、激光焊以及激光電弧焊盡管其焊接性能得到了很大的提高，但是其焊接設(shè)備的復(fù)雜、投資大將會嚴重制約其發(fā)展，所以未來這三種焊接方法的發(fā)展方向之一就是降低其焊接成本和復(fù)雜程度。相比其他焊接技術(shù)而言，攪拌摩擦焊以其優(yōu)異的性能在未來會得到更大程度的應(yīng)用和發(fā)展。

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[1]劉春飛，張益坤.電子束焊接技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及展望[J].航天制造技術(shù)，2003（2）：33-36.

[2]王 靜.鋁合金電子束焊接技術(shù)[J].電焊機，2011，41（8）：110-115.

[3]王亞榮，黃文榮，雷華東.焊后熱處理對2A14高強鋁合金電子束焊接頭組織及力學(xué)性能的影響[J].機械工程學(xué)報，2011，41（8）：112-115.

[4]欒國紅，郭德倫，張?zhí)飩}，等.鋁合金的攪拌摩擦焊[J].焊接技術(shù)，2003，32（1）：1-4.

[5]周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.