鋁及鋁合金焊接工藝的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

姜桂柯

摘要：對鋁及鋁合金焊接特點進行分析，比較了TIG、MIG、PAW不同焊接方法焊接鋁及其合金時的優(yōu)缺點。通過攪拌摩擦焊及變極性焊接兩種焊接工藝的介紹，結(jié)合本企業(yè)產(chǎn)品，對兩種焊接方法的應(yīng)用進行了展望。

關(guān)鍵詞：鋁合金 攪拌摩擦焊 攪拌頭 變極性 TIG/PAW

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低密度、高強度金屬材料越來越多地得到應(yīng)用，鋁合金以其低溫特性、質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空航天、機車和民用工業(yè)中，成為一種重要的加工材料。

在鋁合金的加工過程中，鋁合金的焊接是其中一個重要的加工環(huán)節(jié)。鋁合金導(dǎo)熱快在空氣中容易被氧化，其表面形成一層致密、難熔、體積質(zhì)量大的氧化膜，阻礙基體金屬的熔合。所以對于鋁合金焊接必須可靠清理其表面致密氧化膜，才能保證正常的焊接。

目前鋁合金的焊接方法有交流TIG、直流氬弧TIG、熔化極氣體保護焊MIG、穿孔變極性等離子焊接、真空電子束和激光以及攪拌摩擦焊等，但應(yīng)用較多的仍然是交流TIG和MIG兩種方法，其余的不是工藝或設(shè)備不成熟，就是設(shè)備價格昂貴、應(yīng)用場合受限制等因素而沒有得到廣泛應(yīng)用。在此通過對鋁及其合金焊接特點及常用焊接方法的分析，對目前比較先進的鋁合金焊接技術(shù)一攪拌摩擦焊和變極性焊接進行簡要介紹。

1.鋁及其合金的焊接特點

1.1.采用熱量集中的焊接特點

從物理性能上看，鋁及其合金具有導(dǎo)熱性強而熱量大，線膨脹系數(shù)大，熔點低和高溫強度小等特點。焊接時，首先必須采用能量集中的熱源，以保證熔合良好；其次，要采用墊板和夾具，以保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。例如，純鋁在370～C左右時強度不超過9.8N/mm2，因此焊接時不能采用懸空方式，否則會因支持不住溶池液態(tài)金屬的重量而破壞焊縫成形。

1.2.有氧化膜，焊接時需要陰極清理

從化學(xué)性質(zhì)上看，鋁及其合金表面極易形成難熔的氧化膜（三氧化二鋁的熔點2050°C），而鋁只有660°C，所以焊接時必須先除氧化膜，否則會造成焊縫金屬夾渣及未熔合。

1.3.溶池不易觀察

鋁及其合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，并無顏色的變化，因此也不易確定接縫的坡口是否熔化，造成焊接操作上的困難。

1.4.焊縫氣孔傾向大

首先，液態(tài)鋁對氧的溶解速度比固態(tài)下大20倍左右，加上鋁導(dǎo)熱快，氣體來不及逸出而造成氣孔；其次，三氧化二鋁易吸附水分而使焊縫產(chǎn)生氣孔；母材及焊絲未清理干凈（油和水）、保護氣體不純也是造成氣孔的一個方面。

1.5.焊接接頭的等強性

鋁合金焊接后接頭軟化，表現(xiàn)在強度或塑性有所下降，這種接頭的性能上的薄弱環(huán)節(jié)，可以存在于焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)三個區(qū)域中的一個區(qū)域之中。

總之，由于鋁合金焊接的敏感性，往往存在著檢驗工序多、氣孔率高、焊接變形大以及接頭強度系數(shù)低（只達母材的60%-80%）等缺點。

2.常用焊接方法的特點

鋁及其合金常用的電弧焊接方法主要有交流鎢極氬弧焊（TIC）和熔化極氣體保護焊（MIG）。

2.1.鋁合金的交流TIG焊接

2.1.1.對于交流TIG焊接，最常用的是交流方波。即用電源輸出的交流負半波對鋁合金氧化膜進行破碎處理（也稱為“陰極破碎”），正半波對鋁合金進行熔化焊接。

2.1.2.交流TIG焊接的優(yōu)、缺點

優(yōu)點：交流TIG一般適用于焊接薄板（3mm以下）；具有電弧穩(wěn)定、成形美觀、焊件變形小、操作靈活等優(yōu)點；最適合于焊接尺寸較精密的小零件。

缺點：由于受鎢極允許電流密度的限制，它的熔透能力小，對于厚板需要開坡口，采用多層焊，由此導(dǎo)致熱輸入量大，焊接變形大，接頭性能下降，尤其是塑性性能；對工件及焊絲的清理要求高。

2.2.熔化極氣體保護焊（MIG）接的優(yōu)、缺點

優(yōu)點：適用于焊接厚度8mm以上的鋁或鋁合金的板材；生產(chǎn)效率是TIG的3-5倍。

缺點：氣孔傾向比TIG焊大；焊接線能量大，焊接變形大；同樣對工件及焊絲的清要求高。

總之，以上兩種焊接方法具有工藝要求高，對焊接材料的要求高，容易產(chǎn)生氣孔，接頭性能下降等問題。

3.鋁及其合金的攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種新興的固態(tài)連接方法。通過攪拌針和軸肩與工件之間的摩擦熱，在攪拌針的附近形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的作用下填充人攪拌針后所形成的空腔內(nèi)，從而實現(xiàn)可靠的連接。它不僅具有傳統(tǒng)摩擦焊接的優(yōu)點，而且突破了傳統(tǒng)摩擦焊接只能焊接軸類零件的限制，可以焊接板類零件，實現(xiàn)多種接頭形式，不同位置的焊接。

與傳統(tǒng)焊接方法相比，攪拌摩擦焊具有以下特點：

3.1.焊接過程無熔化，因此無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷；

3.2.無需保護氣體和填絲；

3.3.殘余變形小、應(yīng)力低；

3.4.接頭組織性能優(yōu)于熔焊；

3.5.全機械化操作，效率高。

由于攪拌摩擦焊的焊接溫度低于合金元素的熔點，從而避免了合金內(nèi)易揮發(fā)元素和低熔點元素的損失，接頭內(nèi)不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷，因此適用于熔化溫度較低、塑性較好的有色金屬鋁、銅的焊接。對于焊接材料而言，攪拌磨擦焊可以焊接所有牌號的鋁合金，包括可以熔焊的5000、6000系列鋁合金和熔焊難以焊接的2000、7000、鋁鋰合金材料；同時攪拌磨擦焊還可以實現(xiàn)不同種材料的連接。正常情況下，攪拌磨擦焊不需要焊絲和保護氣，焊接過程消耗較少，焊接接頭強度可以達到母材金屬的80%以上。

攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵，最優(yōu)攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質(zhì)量接頭的前提。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成。攪拌頭的幾何外形和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入方式，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式，對于給定板厚的材料來說，焊接質(zhì)量和效率主要取決于攪拌頭的外形和幾何設(shè)計。因而設(shè)計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵。

4.鋁及其合金的變極性焊接

變極性焊接能夠在保證最佳焊接質(zhì)量的同時，提高焊接效率、降低焊接變形，同時使弧焊方式按照實際需要的陰極清理強度和密度進行鋁合金焊接。鋁及其合金的變極性焊接有變極性TIG焊接、變極性等離子焊接。

4.1.鋁合金的變極性TIG焊接

變極性電源可以分別設(shè)置正向焊接電流、反向清理電流和清理密度。變極性區(qū)別于交流的最大特點是：變極性的電源是直流，而不是交流。變極性控制部分只是在程序設(shè)定的時段內(nèi)將焊接電流迅速反向，并同時定義其輸出的大小，使之具備反向陰極清理的功能。在反極性階段，電源可以采用更高的電

流迅速破碎鋁合金表面的氧化膜。

在焊接過程中由于鎢極的燒損情況與鎢極正向電流的時間和大小有關(guān)，變極性電源通過短時間和大電流來滿足陰極清理，使得鎢極端頭能保持錐狀，有利于電弧能量的集中。為了保證鎢極承受大電流的能力，交流TIG焊時鎢極則需要被預(yù)制成滴球狀，降低了電弧能量的集中程度。由于電源良好的輸出特性，采用變極性焊接電源進行鋁合金焊接，可以獲得焊接熔深大、熱影響區(qū)窄、接頭的強度和塑性指標高等焊接效果。

采用變極性TIG焊接工藝，可以一次焊透至少6mm厚度的鋁合金。

4.2.鋁合金的變極性等離子焊接

鋁合金的變極性等離子焊接是在變極性TIG焊接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。產(chǎn)生于美國20世紀80年代，主要用于航天產(chǎn)品的焊接。目前國內(nèi)也逐漸在航天及民用產(chǎn)品中應(yīng)用此工藝。

變極性等離子焊接具有很高的能量密度和電弧射流速度，射流速度可達到300-2000m/s（普通電弧射流速度為80-150 m/s）；具有壓縮電弧特性，使其在焊接過程中具有穿孔焊接的特點；等離子弧柱挺度好，熱量集中，因而可以得到很好的熔深；等離子焊縫窄，熱影響區(qū)小，鋁合金接頭強度高；正面焊接和陰極霧化的時間可以以0.1ms設(shè)置，加大清理和焊接的密度，容易保證焊接的質(zhì)量和效率；更好地延長鎢極的使用壽命，降低焊縫夾鎢的風(fēng)險。

采用變極性等離子焊接工藝，可以一次焊透至少16mm的鋁合金（對某些鋁合金，如采用He或He+Ar氣體，一次可焊透25mm），并能實現(xiàn)雙面成形，具有焊縫氣孔少、焊接變形小和接頭強度高（達到母材的0.8-1.0）等優(yōu)點。

變極性TIG焊接需要控制的焊接參數(shù)較少，而對變極性等離子焊接系統(tǒng)相對變極性TIG需要控制的焊接參數(shù)較多，并且控制精度和響應(yīng)速度要求更加嚴格。能夠?qū)崿F(xiàn)變極性等離子焊接的變極性電源與控制系統(tǒng)，可以輕松實現(xiàn)變極性TIG焊接。由于等離子焊槍較重，焊接過程要求平穩(wěn)，所以變極性等離子焊接只適合于自動焊接。其設(shè)備主要包括等離子焊接電源、等離子焊槍、自動送絲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能溫控水箱、焊接工裝等。

5.結(jié)論

5.1.攪拌摩擦焊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及其合金等難以熔焊金屬的優(yōu)質(zhì)高效連接，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、船舶、電力、建筑、汽車和裝飾行業(yè)所用鋁、鎂、銅及其合金的連接。

5.2.在國外，變極性TIG/PAW焊接已經(jīng)是非常成熟的工藝，被廣泛應(yīng)用于對焊接質(zhì)量有嚴格要求的厚大鋁合金件的精密焊接。

5.3.目前，隨著工廠電控產(chǎn)品和城市軌道車輛市場份額的加大，對鋁合金箱體和鋁合金車體的焊接制造技術(shù)及焊接質(zhì)量要求會越來越高，常用的焊接方法已經(jīng)不能滿足效率及質(zhì)量的要求。攪拌磨擦焊和變極性焊接方法會隨著鋁合金材料的大量使用而得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

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