鋁合金焊接技術(shù)現(xiàn)狀研究

王澤蔭

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

相對(duì)于鋼鐵材料，鋁合金具有比強(qiáng)度高、相對(duì)密度小、塑性和韌性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且具有減輕重量、降低油耗、節(jié)約能源、減少污染等綠色環(huán)保的作用。所以在交通運(yùn)輸工具、航空航天器、電子元器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等的制作[1-3]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在高鐵、城市軌道交通、汽車、航空、電子、機(jī)械等行業(yè)，鋁合金的需求量越來(lái)越大[4,5]。與日益增長(zhǎng)的鋁合金用量相比，鋁合金的焊接設(shè)備及工藝顯得有些落后，已經(jīng)成為制約鋁合金材料在上述領(lǐng)域大面積應(yīng)用的主要瓶頸。

1 鋁合金焊接時(shí)存在的問題

除了上述特點(diǎn)外，鋁合金還具有化學(xué)性能活潑、易氧化、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)，導(dǎo)致鋁合金在焊接過程中容易出現(xiàn)以下問題：

（1）氧化

鋁合金易被氧化生成Al2O3，Al2O3熔點(diǎn)為2054℃，比鋁合金的熔點(diǎn)高很多，Al2O3的真密度為3.973g/cm3，大于鋁合金本身的密度。由于Al2O3以及其它雜質(zhì)的存在，所以在焊接時(shí)，容易在焊縫中產(chǎn)生夾渣缺陷,降低了焊縫的力學(xué)性能。

（2）焊接變形

鋁合金具有彈性模量低、導(dǎo)熱和熱膨脹系數(shù)大[6-10]的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致在焊接過程中，材料的形變應(yīng)力大，在形變應(yīng)力的作用下，焊件將會(huì)出現(xiàn)橫向、縱向、波浪、彎曲、扭曲等多種變形。

（3）晶粒粗大

鋁合金熱導(dǎo)率高，所以在焊接過程中，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)金屬大量吸收熱量，導(dǎo)致晶粒增長(zhǎng)速度加快，晶粒粗大[11]。

（4）氣孔

焊接過程中，由于弧柱區(qū)保護(hù)氣體的密封不嚴(yán)以及保護(hù)性氣體中存在微量水分，熔池金屬吸收了周圍環(huán)境中的H元素，結(jié)合形成H2泡。來(lái)不及逸出的H2氣泡殘留在焊縫中形成氫氣孔。

（5）裂紋

鋁合金焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)存在的低熔點(diǎn)共晶體在受熱后易熔化，熔化后的液態(tài)低熔點(diǎn)共晶體流失后，在晶界和亞晶界處留下縫隙，即裂紋。

（6）接頭軟化

鋁合金在焊接過程中，熔池液態(tài)金屬冷卻速度快，極易凝固，凝固后形成α固溶體和非平衡共晶相[12]，并且隨著冷卻速度的進(jìn)一步增大，晶界處形成的網(wǎng)狀共晶組織使接頭的強(qiáng)度和塑性降低，導(dǎo)致接頭軟化。

（7）焊縫下塌

液態(tài)鋁的表面張力較小，焊接過程中不容易托住熔池，從而產(chǎn)生焊縫下塌現(xiàn)象。

2 傳統(tǒng)的鋁合金焊接技術(shù)

2.1 非熔化極惰性氣體保護(hù)焊

非熔化極惰性氣體保護(hù)焊的典型方式是鎢極氬弧焊[13]。鎢極氬弧焊的正負(fù)兩極分別由鎢極和被焊工件構(gòu)成[14]，鎢極的常用材料是純鎢或活化鎢，其工作原理是在氬氣或氦氣的保護(hù)下，當(dāng)接通電源時(shí)，鎢極與工件間形成電弧熱，在電弧熱的作用下熔化母材和填充焊絲[15]，凝固后形成焊接接頭。

按操作方式不同，非熔化極惰性氣體保護(hù)焊分為：手工鎢極氬弧焊和機(jī)械化鎢極氬弧焊。

以氬氣作為保護(hù)氣體的TIG焊具有熱量集中、焊件變形小、焊縫金屬純度高、力學(xué)性能好、焊接電弧穩(wěn)定等特點(diǎn)，但TIG的載流能力較小，焊縫熔深淺，只適用于薄板的焊接。

雙TIG焊可對(duì)焊件正反兩面同時(shí)施焊，與TIG焊相比，具有焊接電弧更集中、熔深更大、熱影響區(qū)更窄、焊件變形更小、不容易產(chǎn)生裂紋[16]等特點(diǎn)，適合于中厚板的焊接。

活性TIG焊，又稱為A-TIG焊，是在焊接之前在工件表面涂覆一層活性劑（SiO2、TiO2、Cr2O3等）來(lái)改變電阻大小，提高熱輸入，增大焊縫的熔深和熔寬，改善焊縫的外觀質(zhì)量。

鎢極氬弧焊隨著鎢極的燒損容易對(duì)焊縫形成鎢污染，且鎢極的價(jià)格昂貴。

2.2 熔化極氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）的正負(fù)電極分別由填充材料（焊絲）和被焊工件構(gòu)成，其工作原理是當(dāng)接通電源時(shí)，正負(fù)電極間短路產(chǎn)生電弧熱，在電弧熱的作用下將填充材料和被焊工件熔化形成焊縫。

根據(jù)保護(hù)氣體性質(zhì)的不同，又將熔化極氣體保護(hù)焊分為兩類：熔化極惰性氣體和熔化極活性氣體保護(hù)焊。

熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Metal Inertia Gas，MIG）的保護(hù)氣體主要是氦氣和氬氣，焊接時(shí)熔化極惰性氣體保護(hù)焊不會(huì)產(chǎn)生熔渣，減少了焊后清渣的工序，生產(chǎn)效率高，適用范圍廣，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。根據(jù)熔滴過渡形式的不同，熔化極惰性氣體保護(hù)焊適用于焊接各種厚度的板材。

熔化極惰性氣體保護(hù)焊由于其熱輸入量較大，所以在焊接時(shí)易變形、產(chǎn)生裂紋和燒穿現(xiàn)象；相對(duì)來(lái)說，惰性氣體的價(jià)格較貴，因此焊接成本較高。

熔化極活性氣體保護(hù)焊（Metal Active Gas Arc Welding，MAG），又稱為混合氣體保護(hù)焊，它是在氬氣中加入一定比例的CO2，或者同時(shí)加入一定比例的CO2和O2。因加入的活性氣體具有較強(qiáng)的氧化性,所以不適用于活潑金屬如鋁、鎂、銅等及其合金的焊接。

3 新型鋁合金焊接技術(shù)

3.1 激光焊接（LBW）技術(shù)

激光焊接（Laser Beam Welding，LBW）是以激光束為熱源，以惰性氣體（氦氣、氬氣、氮?dú)猓楸Ｗo(hù)氣的一種非接觸式焊接方法。激光焊接的核心部件是激光器，激光器的種類較多，在焊接技術(shù)中采用的是CO2激光器和Nd:YAG激光器。

激光焊接的熔深大小、焊接過程的穩(wěn)定程度都與材料對(duì)激光能量的吸收率有關(guān)，吸收率越高，獲得的焊縫熔深越大，焊接過程越穩(wěn)定，反之，則會(huì)出現(xiàn)未熔合、未焊透、焊接過程中斷等缺陷。材料對(duì)激光能量的吸收率與材料的電阻系數(shù)和材料的表面狀態(tài)有關(guān)。

激光焊接技術(shù)在焊接過程中不需使用電極，其熱輸入量較小，相變范圍和變形量也較小，具有焊接速度快、焊接變形小、接頭質(zhì)量好、焊縫深寬比大等優(yōu)點(diǎn)。

目前，使用激光焊焊接鋁合金材料仍存在很多難點(diǎn)：一是鋁合金對(duì)激光的反射率較高，導(dǎo)致鋁合金對(duì)激光能量的吸收率較低，不利于金屬的熔化，產(chǎn)生焊接缺陷的可能性較大。提高激光能量吸收率的措施主要有工件的陽(yáng)極氧化和噴砂處理、小孔誘導(dǎo)、改變激光器的參數(shù)來(lái)增加激光密度等；二是易產(chǎn)生氫氣孔，產(chǎn)生氫氣孔的原因有焊接區(qū)周圍空氣的入侵、焊接材料吸潮、工件和焊材表面的雜質(zhì)、焊接工藝參數(shù)的影響等，防止氫氣孔產(chǎn)生的措施是切斷氫氣來(lái)源，制定合理的焊接工藝。

另外，激光焊接的設(shè)備昂貴，生產(chǎn)成本高。

為了克服或減少激光焊接的不足，可將激光焊與電弧焊、等離子弧焊、攪拌摩擦焊等方法結(jié)合起來(lái)，形成復(fù)合焊技術(shù)。

3.2 超聲輔助焊接技術(shù)

超聲輔助焊接技術(shù)是將超聲能量引入到熔池中，利用超聲波的機(jī)械振動(dòng)、聲空化、聲流等非線性效應(yīng)，使熔池產(chǎn)生受迫振動(dòng)，起到穩(wěn)定電弧、減少缺陷、改善接頭質(zhì)量的作用。

超聲能量在電弧焊中主要有以下作用：一是壓縮電弧，從而提高電弧的剛性和指向性，以更為集中的電弧能量增加焊縫的熔深；二是利用超聲能量產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)打斷正在生長(zhǎng)的等軸晶粒，使得熔池中的晶粒數(shù)量增多，體積變小，從而起到細(xì)化晶粒、組織成分均勻、焊縫力學(xué)性能增強(qiáng)的作用；三是利用超聲波產(chǎn)生的沖擊力在焊縫區(qū)形成位錯(cuò)，形成塑性應(yīng)變層，從而釋放焊縫處由熱作用引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，減小焊接變形；四是利用超聲波產(chǎn)生的聲空化、聲流以及熱效應(yīng)，減小焊縫處的溫度梯度差異，使得焊縫處的溫度分布和組織分布更加均勻，從而減小由相變殘余應(yīng)力引起的焊接變形。

目前應(yīng)用較多的超聲輔助焊接技術(shù)主要有超聲輔助電弧焊和超聲輔助激光焊。

超聲輔助焊采用氬氣做為保護(hù)氣體，電源極性接法為直流反極性接法。

在采用超聲輔助激光焊時(shí)，需先用砂紙、無(wú)水乙醇打磨擦拭工件表面，并在風(fēng)干后的24小時(shí)內(nèi)完成焊接。

超聲輔助焊的設(shè)備復(fù)雜，成本較高，操作難度大，使其在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

3.3 攪拌摩擦焊 （FSW）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）的工作原理是用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌頭對(duì)焊接材料進(jìn)行摩擦，用摩擦產(chǎn)生的熱量來(lái)軟化母材，并使之熔合形成焊縫。

攪拌摩擦焊焊接時(shí)通過摩擦產(chǎn)生的熱量低于焊接材料的熔點(diǎn)，因此焊接材料沒有被熔化，也就不存在焊接材料二次結(jié)晶的過程，不會(huì)產(chǎn)生晶粒粗大、氣孔、接頭軟化、焊縫下塌陷缺陷，攪拌摩擦焊的焊后殘余應(yīng)力和變形較小，焊接接頭的晶粒細(xì)小，強(qiáng)度和硬度較高。另外，攪拌摩擦焊焊接過程中不產(chǎn)生煙塵和飛濺，也不需要添充材料和保護(hù)氣體，生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低。

攪拌摩擦焊的關(guān)鍵部件是攪拌頭，焊接不同的材料類型、材料厚度、焊縫形狀所選用的攪拌頭的幾何形狀和幾何參數(shù)各不相同，攪拌頭在焊接時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度、傾角、偏移量、軸肩下壓量、攪拌頭與工件的相對(duì)移動(dòng)速度等，都會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。在焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適的焊接設(shè)備，制定合理的焊接工藝。

根據(jù)鋁合金種類的不同，鋁合金的攪拌摩擦焊可分為不可熱處理和可熱處理兩種類型。

可熱處理的鋁合金在進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，焊接區(qū)的強(qiáng)度會(huì)顯著降低，同時(shí)會(huì)使得一些低熔點(diǎn)的共晶體液化，形成液化裂紋，通過降低攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度，可減少液化裂紋的產(chǎn)生。另外，由于焊接熱輸入量小，攪拌摩擦焊對(duì)母材的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響較小。攪拌摩擦焊的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其在鋁合金焊接方面的應(yīng)用越來(lái)越廣范。

攪拌摩擦焊不僅可以用于同種材料的焊接，還可對(duì)異種金屬材料進(jìn)行焊接，比如對(duì)鋁合金與銅合金、鋁合金與鎂合金之間進(jìn)行焊接，這也是攪拌摩擦焊應(yīng)用廣泛的原因之一。

4 總結(jié)

（1）焊接設(shè)備與工藝對(duì)金屬材料在各行業(yè)的應(yīng)用起著制約性的作用，對(duì)鋁合金焊接設(shè)備與工藝的研究是鋁合金廣泛應(yīng)用與市場(chǎng)化的前提。

（2）隨著科技水平的不斷提高，應(yīng)用于鋁合金焊接的新設(shè)備、新工藝也在逐步發(fā)展，目前相對(duì)成熟的有激光焊（LBW）、超聲輔助焊、攪拌摩擦焊，但這些技術(shù)也存在不同程度的不足之處，需要進(jìn)一步的完善與優(yōu)化。

（3）未來(lái)鋁合金材料的焊接發(fā)展方向應(yīng)主要從設(shè)備和工藝著手。

（4）隨著市場(chǎng)需求的增大和變化，新型材料也將被研發(fā)和應(yīng)用，焊接技術(shù)的發(fā)展也應(yīng)隨之提高，發(fā)展的方向必然是智能高效、綠色環(huán)保的。