鋁合金焊接方法綜述

解 旭，翟鑫鈺

(1.寧波震?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 寧波 315613；2.南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211800)

隨著航空航天、海洋工程、車輛工程等工業(yè)的發(fā)展，鋁合金得到了廣泛應用。由于鋁合金具有密度低、強度高等特點，已經(jīng)成為制造業(yè)常用的的主要輕質材料之一。由于其導熱系數(shù)和膨脹系數(shù)大且易氧化，傳統(tǒng)的熔焊技術在焊接鋁合金時容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋和明顯的焊接變形[1-2]。針對這些問題，大量學者對傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊進行改進。隨著焊接技術的發(fā)展，產(chǎn)生了新的焊接方法，如摩擦焊、復合焊等。

本文回顧了將各種焊接方法應用于鋁合金的早期研究，并歸納總結了多種改進方法，對鋁合金焊接的未來發(fā)展進行了展望。

1 鎢極氬弧焊(TIG焊)

鎢極氬弧焊是一種傳統(tǒng)的焊接方法。鎢熔點高，焊接時以鎢棒作為非消耗電極。氬氣化學性質穩(wěn)定，使用氬氣進行保護，可以減少焊接時鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)的氧化，從而獲得優(yōu)質的焊縫。國內外學者對其研究起步很早。1992年，李亞江[3]對Al-Si-Cu系鑄造鋁合金TIG焊的焊縫及熱影響區(qū)的金相組織進行觀察研究，表明TIG焊接或補焊鑄造鋁合金，可獲得組織性能滿意的優(yōu)質焊接接頭。1996年，南京晨光機器廠[4]研發(fā)了雙槍自動TIG焊設備，具有預熱和凈化接口等功能，在拼焊鋁合金的縱焊縫時，可獲得優(yōu)異的焊縫質量。

1.1 可變極性TIG焊(VP-TIG焊)

鋁合金表面存在一層致密的Al2O3膜。氧化膜的熔點遠高于母材，在焊接時會產(chǎn)生氣孔和夾渣，嚴重影響焊縫質量。針對這一問題，直流電源反接可以起到陰極清理作用，從而形成光潔美觀的焊縫[5]。該方法在去除氧化鋁膜方面雖然有優(yōu)勢，但是由于電弧的陰極溫度比陽極溫度低，陰極反接的焊縫熔深較淺，且此時鎢極的載流能力較低，極易造成鎢極的嚴重燒損[6]。交流電可以兼具正接和反接的特點，但一般交流電的正負周期難以調節(jié)，實際應用效果不好。

可變極性TIG焊(VP-TIG焊)最早應用于20世紀90年代，是美國航天局(NASA)在制造航天飛機過程中開發(fā)出的一種新型焊接方法，主要針對壁厚較大的鋁合金材料焊接。韓永全[7]分別采用正弦波和方波變極性TIG焊對鋁合金試板進行了焊接試驗，對比其焊縫寬度和清理寬度，結果如圖1所示。較小焊接參數(shù)條件下正弦波變極性比方波變極性電弧穩(wěn)定性差。

清華大學劉博[8]針對變極性TIG焊過程中出現(xiàn)的熄弧和電弧燃燒不穩(wěn)定問題，提出了在電流換向期間采用恒占空比控制新方法。該方法有效提高了換向時的電流響應速度，提高了變極性電流換向過程和電弧燃燒的穩(wěn)定性。

1.2 活性TIG焊(A-TIG焊)

普通的TIG焊存在熔深太淺的問題，對于厚板需要開坡口，多層焊接?；钚訲IG焊是在TIG焊之前，先在焊材表面添加一層活性劑然后施焊。相比于普通TIG焊，A-TIG焊在相同焊接工藝條件下可以獲得更大的焊縫熔深，減少焊接層數(shù)，簡化焊接過程，提高生產(chǎn)效率。A-TIG焊由烏克蘭巴頓焊接研究所發(fā)明，最初用于鈦合金焊接，后經(jīng)大量學者研究，研制出了適合鋁合金的活性劑。

(a)正弦波變極性波形 (b)方波變極性波形圖1 EP比對焊縫成形的影響規(guī)律Fig.1 Influence law of EP ratio on weld forming

栗慧[9]在對2219鋁合金進行TIG焊時，分別添加單組分AlF3活性劑、單組分LiF活性劑、3組分AlF3+30%LiF+10%KF-AlF3活性劑和4組分AlF3+30%LiF+10%KF-AlF3+10%K2SiF6活性劑。觀察焊縫表面成形以及熔深情況，實驗結果如圖2所示，活性劑有助于去除鋁合金表面的氧化膜，4組分活性劑的焊縫表面成型質量最佳，AlF3單組分活性劑可顯著增大焊縫熔深。

(a)無活性劑；(b)AlF3；(c)LiF；(d)3組分；(e)4組分圖2 采用不同活性劑的焊縫熔深Fig.2 Weld depth with different active agents

Ahmadi E[10]以2219鋁合金為焊材，研究SiO2、TiO2和MoO3三種活性劑對焊接接頭熔透、形貌和力學性能的影響。試驗結果表明，使用活性劑可顯著提高焊縫的熔透率和熔深比，其中，SiO2活性劑的滲透效果最大。

2 熔化極氬弧焊(MIG焊)

MIG焊同樣是一種傳統(tǒng)的焊接方法。1993年祝樹燕[11]研究了鋁管頭接頭的MIG焊工藝，獲得了良好的接頭性能，說明MIG焊適用于鋁合金焊接。1998年吉林省長春市長春客車廠[12]采用雙脈沖MIG焊方法焊接鋁合金車體，取得較好的焊接質量，成功地制造出鋁合金車體。

由于MIG焊會熔化電極，熔滴過渡對焊縫成形有著重要影響，因此，對MIG焊的研究和改進多在于熔滴過渡技術。

2.1 脈沖過渡技術

脈沖過渡是起步較早的一種熔滴過渡技術，在一定的平均電流下，焊接電源輸出的電流以一定的頻率和幅值變化，來控制熔滴有節(jié)奏地過渡到熔池。鐵道部戚墅堰機車車輛工藝研究所[13]于2000年研制了一種脈沖MIG焊機，讓熔滴在焊接過程中以小滴射流形式過渡，電弧挺度好，熔滴過渡均勻。雙脈沖技術即在電流脈沖上疊加脈沖送絲。姚屏[14]等設計了一種鋁合金雙脈沖MIG焊控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)波形穩(wěn)定，可靠性好，脈沖起到的熔池攪拌作用能有效減少氣孔等缺陷，最終焊縫為魚鱗紋焊縫。

2.2 冷金屬過渡技術(CMT)

冷金屬過渡技術(CMT)是 Fronius 公司基于短路過渡的原理在MIG焊基礎上開發(fā)的一種新型的數(shù)字化焊接方法。與傳統(tǒng)MIG焊通過增大電流來增加電磁力促使熔滴過渡的方式不同，CMT技術在“零”電流狀態(tài)下采用焊絲回抽的方法輔助熔滴短路過渡，能夠有效降低焊接熱輸入。

許多學者對這兩種熔滴過渡技術進行了比較。南車青島四方機車車輛股份有限公司[15]對鋁合金厚板進行CMT焊接和脈沖MIG焊，研究其對接接頭的疲勞性能，對疲勞斷口進行掃描電鏡觀察。結果表明，相比于脈沖MIG工藝，CMT技術熱輸入量低，接頭組織性能更好。Cornacchia[16]研究了傳統(tǒng)的熔化極惰性氣體保護焊(MIG)，冷金屬過渡(CMT)和光纖激光-MIG混合不同焊接技術對鋁合金擠壓件接頭的組織和力學性能的影響。通過各種冶金方法對接頭進行表征分析，研究表明，CMT和光纖激光-MIG復合焊接的質量要比傳統(tǒng)的MIG高。Koli Y[17]針對CMT焊、脈沖協(xié)同MIG焊(MIGP)和標準MIG焊(MIGM)的焊縫幾何形狀進行比較研究。實驗以4043鋁合金焊絲作為填充材料，在6061鋁合金板進行堆焊，輸入電流參數(shù)為80A、100A和120A，焊接速度為7.5mm/s、10.5mm/s和13.5mm/s。結果表明，CMT具有高稀釋度和低熱量輸入的滲透性，可以顯著減少殘余應力。

2.3 冷金屬過渡加脈沖(CMT+P)

將脈沖過渡和冷金屬過渡相結合，就形成了現(xiàn)今常用的CMT+P焊接模式。Liu[18]將冷金屬過渡加脈沖(CMT+P)電弧應用于4043鋁合金零件的增材制造中。對不同焊接工藝參數(shù)的零件性能和微觀結構進行了表征分析。實驗結果表明，以8mm/s的焊接速度和4.0m/min的送絲速度進行焊接適合于薄壁零件的制造，并且可以采用往復掃描方法來制造厚壁零件。CMT+P模式的薄壁孔比CMT模式的孔少。CMT+P模式的薄壁和厚壁部分分別顯示出最大拉伸強度172MPa和178MPa。界面處和粗枝晶中的硬度降低，而細化晶粒區(qū)域中的硬度增加。Jiang[19]采用CMT+P電弧增材制造4043鋁合金薄壁件，并與CMT工藝下的進行了對比。結果表明，CMT+P工藝下薄壁件的拉伸性能優(yōu)于CMT工藝；CMT+P工藝下橫向和縱向拉伸試樣斷裂方式均為韌性斷裂，橫向與縱向抗拉強度各向異性百分比僅為4%，說明薄壁件的力學性能不存在各向異性。

3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)是英國焊接研究所(The Welding Institute，TWI)于1991年發(fā)明的一種新型焊接技術。與傳統(tǒng)熔化焊技術不同，F(xiàn)SW過程中熱輸入相對較低，金屬未熔化，是一種金屬固相連接技術。接頭部分的固態(tài)金屬由于摩擦熱轉變?yōu)闊崴苄誀顟B(tài)，不需要焊絲，不使用保護氣，非常適用于Al、Mg等輕金屬的焊接[20-22]。

北京航空工藝研究所[23-24]于2002年取得了TWI的攪拌摩擦焊專利技術許可，并與TWI合作成立了中國攪拌摩擦焊中心，研制中國第一臺摩擦焊設備。近年來，對于摩擦焊的研究和改進越來越多。Dawood[25]研究了圓錐體、三角形和正方形三種不同形狀的攪拌針對6061鋁合金FSW接頭的顯微組織和力學性能的影響(圖3)。

(a)圓錐體；(b)三角形；(c)正方形圖3 三種攪拌頭及其焊縫形貌Fig.3 Three kinds of mixing heads and weld morphology

研究表明，焊接工具的幾何形狀和尺寸對焊接接頭的力學性能有一定的影響。使用三角形攪拌針獲得的接頭表現(xiàn)出最好的力學性能，正方形攪拌針得到的接頭具有最低的拉伸強度和顯微硬度。

Kasman, S[26]使用摩擦攪拌焊接技術以三種不同的工具轉速和兩種不同的銷輪廓連接了厚度為6mm的AA2024-T351板。研究了焊接接頭的顯微組織特征和力學性能，結果表明，沿著攪拌區(qū)的重結晶區(qū)域中的晶粒幾乎具有不變的尺寸。發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸隨著工具轉速的增加而增加。用五角形銷釘制成的焊接接頭的平均晶粒尺寸從2.3μm急劇增加到5.6μm。Bagheri B[27]對攪拌摩擦點焊進行改進，使連接的樣本垂直于工具的移動方向振動，再以冷卻液冷卻焊點，結果表明，攪拌區(qū)晶粒尺寸隨著振動的產(chǎn)生和接頭位置的冷卻而顯著減小。發(fā)現(xiàn)振動增強了動態(tài)再結晶，而冷卻劑降低了晶粒長大。兩者均導致攪拌區(qū)的晶粒細化增強。

人工智能技術(AI)在工業(yè)上主要用于受多個參數(shù)影響的復雜系統(tǒng)的建模、識別、優(yōu)化、預測和控制。隨著AI精度的提高，在攪拌摩擦焊上也獲得了廣泛應用，通常使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行建模預測，結合其他算法進行優(yōu)化。Hartl等人[28]采用AI技術試圖確定EN AW-6082 T6型片材的攪拌摩擦焊質量。將焊接質量作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出，焊接過程的9個不同變量作為三種不同的人工神經(jīng)網(wǎng)絡結構的輸入。通過研究發(fā)現(xiàn)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡是誤差最小的神經(jīng)網(wǎng)絡類型。Shojaeefard等[29]建立了ANN結構，測試了AA7075-O和AA5083-O鋁合金的焊接參數(shù)與力學特性之間的相關性，并利用粒子群算法求出最優(yōu)解。

4 激光焊接

激光技術于20世紀中后期逐漸開始應用于工業(yè)。歐洲空客使用激光焊接代替鉚接，使機身質量降低了18%，節(jié)約了開發(fā)成本。德國奧迪全鋁結構汽車制造也廣泛使用了激光焊接技術。激光焊雖然具有能量密度高精確可控、熱輸入量小等優(yōu)點，但鋁合金自身對激光有很強的反射作用，導致能量吸收率低。

Nicolas Pierron[30]在對鋁合金的激光焊接研究中，采用積分球用于確定激光加工過程中的吸收系數(shù)。Yan[31]使用4043和5356兩種焊絲進行光纖激光-MIG焊，熱輸入分別為293.36J/mm和289.368J/mm，通過對SEM、EDS和EBSD的測試來表征其微觀結構。結果表明，4043接頭的組織具有更小的晶粒尺寸，但抗拉強度略??；4043接頭抗拉強度為220MPa，5356接頭抗拉強度為232MPa。A.G. Paleocrassas[32]的研究表明，在焊接速度較小的情況下，激光的能量主要用于金屬熔化，形成熔池，以及向內部金屬傳導，沒有用來熔化焊縫前沿的金屬。這對于保持低功率激光焊的穩(wěn)定性有一定幫助。

國內許多學者采用添加活性劑的方法來增大鋁合金對能量的吸收。秦國梁[33]采用多種氧化物和氟化物作以及多組分組合為活性劑進行焊接。結果表明，活性劑可以提高激光吸收率，增加母材金屬熔化量；氧化物活性劑對促進激光能量吸收的效果要強于氟化物，但氣孔敏感性比較大，而氟化物活性劑在焊接過程中很少出現(xiàn)氣孔。采用不同活性劑的激光焊焊縫和熱影響區(qū)比較見表1。

表1 采用不同活性劑的激光焊焊縫和熱影響區(qū)比較Tab.1 Comparison of laser welding welds and heat affected zones with different active agents

王小博等[34]對鹵化物活性劑進行試驗，發(fā)現(xiàn)鹵化物活性劑的加入能降低光致等離子體的溫度，使得等離子體對激光的折射和散射作用減小，金屬得以吸收更多的能量。

擺動激光焊是一種無需増加額外熱源，只需將激光束在垂直于焊接方向上進行擺動便可擴大熱源作用范圍的焊接方式。Zhang[35]通過計算流體力學方法研究了圓形振蕩激光焊接過程的基本機理。結果表明，圓形振蕩激光器降低了峰值溫度和溫度梯度，并在熔池中形成了新的漩渦。振蕩頻率和振幅的增加減小了溫度梯度，并顯著提高了熔體流動速度。這項研究證明，圓形振蕩激光器為優(yōu)化激光熔化工藝提供了一種新方法，對焊接和增材制造具有重要的應用價值。Pang[36]采用具有光束振蕩的激光焊接以對接形式連接鋁合金板，比較和分析了光束振蕩模式對焊縫質量的影響。結果表明，光束振動可以改善對接接頭的焊縫形成和顯微組織。圓形振蕩焊縫在強化階段具有晶粒細密，枝晶均勻分散的特點，圓形振蕩的氣孔抑制作用最為明顯。Li[37]研究了振蕩參數(shù)對焊縫孔隙率和形貌的影響。當振蕩頻率超過200Hz并且振蕩直徑超過2mm時，可以通過激光束振蕩來抑制焊接孔隙率。Huang[38]以5A06鋁合金為試驗材料，對比分析了常規(guī)單激光焊接與激光掃描焊接條件下的熔池表面流動特征和等離子體羽輝波動特征。結果表明，一定條件下的擺動激光光束相比于單激光光束，能夠極大地增強等離子體羽輝的穩(wěn)定性，延長其存在周期，同時熔池流動的方向性增強，穩(wěn)定性提高，整個焊接液態(tài)熔池表面不存在“回流”現(xiàn)象，熔池流動產(chǎn)生的流體動壓力對匙孔的沖擊力作用降低，匙孔的穩(wěn)定性提高。

5 復合焊接

5.1 超聲復合焊接

超聲波在液態(tài)金屬中產(chǎn)生的空化效應是超聲復合電弧焊和釬焊的基礎。聲空化效應主要是指超聲波空化氣泡潰縮過程產(chǎn)生大量的高能密度點所導致的熱效應和物理化學效應。2002年，中國臺灣逢甲大學的DAI[39]在7075-T6鋁合金鎢極氣體保護焊焊接過程中，將超聲直接作用于待焊母材的上表面，研究發(fā)現(xiàn)，超聲場能夠顯著改變焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的微觀組織，焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸減小，焊接熔深增加了約45%。

超聲波在金屬固體中傳播產(chǎn)生的聲塑性效應是超聲復合攪拌摩擦焊的基礎。超聲波作用于正在發(fā)生變形的金屬，其內部的位錯會優(yōu)先吸收聲能，從而使其能量增加，晶粒變形、晶界滑移更容易，降低了金屬的流變應力。中南大學的賀地求等[40,41]對2219鋁合金、2524鋁合金進行了超聲輔助攪拌摩擦焊接研究，通過攪拌針將振動方向垂直于工件平面的聲能導入工件，所得接頭抗拉強度較常規(guī)攪拌摩擦焊均有不同程度的提高，但斷后伸長率有所下降，可有效消除孔洞缺陷。FSW和超生攪拌復合焊熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)組織對比如圖4所示。

(a)FSW (b)超生攪拌復合焊圖4 熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)金相組織對比Fig.4 Comparison of metallographic structure between heat affected zone and heat-affected zone

5.2 激光電弧復合焊

激光-電弧復合焊接充分利用了激光和電弧的優(yōu)勢，激光熱源能量密度高，可以彌補電弧焊熔深不足的問題，也可以起到去除氧化膜的作用，提高了焊接過程的穩(wěn)定性，改善焊縫成形質量。

白利兵[42]采用了光纖激光-MIG復合焊的方式對2mm厚的A6082鋁合金進行了焊接，通過控制變量法，確定了不同焊接工藝參數(shù)對焊接質量的影響，使用最佳的工藝參數(shù)可以獲得性能良好的接頭。Zhan[43]研究發(fā)現(xiàn)，激光-MIG混合焊接接頭的氣孔主要是冶金氣孔，是由溶解氣體和Mg元素的蒸發(fā)引起的，該冶金孔在焊接接頭的上部區(qū)域較為密集。此外，還分別分析了沿焊縫中心線和垂直于焊縫中心線的顯微硬度。在熱影響區(qū)(HAZ)附近和焊縫(WB)中明顯觀察到接頭軟化，在焊縫中存在晶粒增大或孔隙問題。Han[44]比較了激光脈沖MIG焊接(LPMHW)和激光CMT混合焊接(LCHW)兩種電弧模式對AA6082-T6鋁合金激光電弧混合焊接的影響。實驗表明，兩種方式均獲得了無氣孔、咬邊或其他缺陷的接頭。LPMHW接頭每個區(qū)域的顯微硬度均低于LCHW接頭。LPMHW接頭熱影響區(qū)的軟化區(qū)域比LCHW接頭的軟化區(qū)域寬，LCHW接頭的抗拉強度高于LPMHW接頭的抗拉強度。

5.3 外加磁場輔助焊接

在焊接過程中，外加磁場是提高焊接質量的可靠手段，根據(jù)需要來設計不同的磁場作用形式。在熔池的凝固和結晶過程中，磁振蕩效應可以起到細化晶粒的作用。熔池內部磁場產(chǎn)生的渦流效應使溶質分布更加均勻，焊接后的性能更高。磁場和焊接參數(shù)對焊道尺寸的影響如圖5所示。

圖5 磁場和焊接參數(shù)對焊道尺寸的影響Fig.5 Effect of magnetic field and welding parameters on bead size

Chang[45]通過施加間歇交變縱向磁場改變了液滴的傳遞方式。在液滴向脈沖旋轉射流過渡的過程中，液滴形態(tài)呈扁平片狀。由于電磁攪拌的作用，晶粒細化可以顯著提高斷裂后的抗拉強度和延伸率。Zhu[46]在焊接過程中通過在焊槍上添加額外的激勵線圈來施加磁場。通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著激勵電流的增大，焊縫的熔透率降低，焊接質量提高。

6 總結與展望

為提高鋁合金焊接質量，針對不同的鋁合金焊接方法，提出了多種改進措施。其中一些措施適用于多種焊接方法，未來發(fā)展?jié)摿^大，現(xiàn)歸納如下。

(1)添加活性劑?；钚詣┏Ｓ迷赥IG焊和激光焊當中。由于TIG焊熱輸入量小，激光易被鋁合金反射，因此這兩種焊接方法都存在熔深不夠的問題。活性劑可以有效地提高鋁合金焊材的能量吸收率，增大熔深，改善焊接質量。

(2)超聲波輔助技術。對于TIG焊、MIG焊等熔焊方式，可以考慮利用超聲空化效應和聲波的振動攪拌熔池，可促進熔池內氣體的溢出，減少氣孔；控制超聲的周期性作用可以改變熔池的流動過程，改善焊縫質量。攪拌摩擦焊的過程中雖然沒有熔化金屬，但超聲波在金屬中傳播時產(chǎn)生的聲塑效應可以減小金屬的流變應力。由此可見，超聲波輔助技術應用范圍非常廣，對其研究也非常多，未來應用前景可觀。

(3)磁場輔助技術。作用于鋁合金焊接過程中的外磁場可以有效改善焊縫的外觀，抑制缺陷的形成。磁場的作用既可以看做是一種熔滴過渡形式，磁振蕩效應又可以起到細化晶粒的作用。因此，研究磁場對鋁合金焊接工藝的影響具有重要的理論意義和實際應用價值，有可能大大提高鋁合金焊接的質量。

(4)復合焊接技術。復合焊接可以兼具多種焊接方法的優(yōu)勢。激光電弧復合焊目前應用較為廣泛，利用激光的高能量密度特性，增加熔深，然后進行焊接，以此提高焊接質量。由于使用了多種焊接方法，其改進措施也更為多樣，例如添加活性劑的激光TIG復合焊、激光CMT復合焊等等。

(5)人工智能優(yōu)化及控制技術。人工智能技術具有非線性、精度高以及應用方便等特點，適用于各個領域。在焊接方面，針對不同的材料、不同的形狀，需要調整焊接工藝參數(shù)，才能獲得良好的焊接質量。神經(jīng)網(wǎng)絡可以建立起精確的預測模型，實現(xiàn)對焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化；圖像識別技術可以實時檢測焊縫質量，反饋到控制系統(tǒng)來及時調整工藝參數(shù)。智能化、自動化是制造業(yè)的發(fā)展大趨勢，人工智能技術在焊接方面的應用也是必然的。