鋁合金焊接的關(guān)鍵技術(shù)性能和特點(diǎn)概述

鋁合金作為近年來迅速崛起的工程金屬材料，由于其密度低、比強(qiáng)度及比剛度高、具有較好耐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、艦船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

但是焊接中出現(xiàn)的焊接性差、成形層性能不佳等一系列問題又制約著鋁合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展，因此鋁合金焊接技術(shù)成為了國內(nèi)外很多學(xué)者研究的主要方向之一。

鋁合金性能概述

鋁是一種非常輕的金屬材料，密度僅為2.7g/cm3，約為鋼密度的36%。采用鋁合金制造機(jī)械零部件，可顯著減輕重量，達(dá)到輕量化和節(jié)能減排的效果。

鋁合金的比強(qiáng)度、比剛度高于45鋼和ABS塑料。采用鋁合金材料，有利于制造剛性要求高的整體構(gòu)件。

鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐蝕等性能。A380鋁合金與其他材料性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

鋁合金具有良好的切削性和可回收利用性。如果假設(shè)最易切削的鎂合金的切削阻力系數(shù)為1，則其他金屬的切削阻力如表2所示?？梢姡X合金的切削阻力小于銅、鐵等材料，切削加工較為容易。

表1 幾種材料參數(shù)對(duì)比

表2 常見合金的切削阻力

鋁合金焊接特點(diǎn)

受鋁合金理化特性的影響，在焊接過程中存在一定難度，目前的鋁合金焊接主要存在以下幾個(gè)問題：熱應(yīng)力、燒蝕蒸發(fā)、固態(tài)夾雜、氣孔塌陷等：

熱應(yīng)力

鋁合金的熱膨脹系數(shù)較高，彈性模量較小。在焊接過程中，由于鋁合金變形大、線膨脹系數(shù)大，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6%左右，且冷卻速度和熔池一次結(jié)晶速度快，導(dǎo)致焊縫的內(nèi)應(yīng)力和焊接接頭的剛性拘束度較大，易使鋁合金接頭內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，引起較大的焊接應(yīng)力與變形，形成裂紋、波浪變形等缺陷。

表3 各金屬熱膨脹系數(shù)比較

燒蝕蒸發(fā)

鋁的熔點(diǎn)為660℃，沸點(diǎn)為2647℃，相比于銅、鐵其他金屬元素較低。在焊接過程中，如果焊接溫度過高，容易產(chǎn)生爆炸并形成飛濺，尤其在高能束焊接時(shí)更易發(fā)生，如圖1所示。另外，鋁合金中添加的合金元素有的沸點(diǎn)較低，在焊接的瞬時(shí)高溫下極易蒸發(fā)燒損，爆炸產(chǎn)生的飛濺也會(huì)帶走部分液滴，從而不可避免的改變了焊縫區(qū)的預(yù)定化學(xué)成分，不利于焊接接頭的性能調(diào)控。因此，為了彌補(bǔ)高溫?zé)g，在焊接時(shí)常常選用沸點(diǎn)元素含量比母材高的焊絲或者其他焊接材料。

圖1 焊接過程中的飛濺

固態(tài)夾雜

鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑，極易氧化。在焊接過程中，鋁合金表面發(fā)生氧化形成高熔點(diǎn)的Al2O3（約為2050℃，而鋁的熔點(diǎn)為660℃，兩者相差很大）。氧化物致密且硬度較高，夾雜在熔池區(qū)密度較小的熔融合金液中，容易形成細(xì)小的固態(tài)夾渣不易排出，不僅影響焊縫的組織成形，也易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，這會(huì)造成焊接接頭力學(xué)性能的下降，并且Al2O3覆蓋在熔池和坡口上，嚴(yán)重影響了合金的焊接，降低焊接接頭的組織性能。

氣孔塌陷

鋁合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)小于其氧化物，且性質(zhì)活潑極易氧化。在焊接過程中，鋁合金因高溫熔化形成熔池。而熔池表面的鋁被氧化生成氧化膜，以固態(tài)的形式覆蓋于熔池之上。由于氧化膜熔化后顏色與鋁合金熔融狀態(tài)并無太大差別，且因?yàn)檠趸さ母采w在焊接過程中很難觀察到鋁合金熔池熔化的程度，因此易造成溫度過高，引起焊接熱影響區(qū)的大塊塌陷，破壞焊縫金屬的形狀及性能。

在焊接熱源瞬時(shí)高功率的作用下，在合金液中溶解了大量的氫氣，焊接完成后，隨著熔池溫度的降低，氣體的溶解度也逐漸減小，這成了焊接過程中產(chǎn)生氣孔的主要原因。由于鋁合金凝固速度過快且密度較低，在焊縫迅速固化過程中，形成了大小不一的氫氣孔。這些氣孔會(huì)在焊接過程中不斷地聚集和擴(kuò)展，最終形成了可見的大氣孔，降低了接頭的組織性能。當(dāng)然，氣孔的產(chǎn)生不一定是在焊接過程中形成的，由于鑄造工藝技術(shù)的影響，母材本身在鑄造過程中也會(huì)產(chǎn)生氣孔。焊接時(shí)，熱輸入和內(nèi)部壓力不斷變化引起母材中原有的氣孔受熱膨脹或相互結(jié)合形成焊縫氣孔，隨著焊接熱輸入的增加氣孔也會(huì)隨之增大。因此，為控制氫的來源，焊接材料在使用前需經(jīng)過嚴(yán)格的干燥處理，焊接時(shí)，適當(dāng)?shù)募哟箅娏饕匝娱L熔池的存在時(shí)間，給氫氣足夠的時(shí)間析出，從而控制氣孔的形成。

圖2氣孔的形成與匯聚

鋁合金焊接技術(shù)分類

隨著鋁合金應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，凸顯的問題也越來越多。隨著研究的進(jìn)展，鋁合金焊接技術(shù)有了較大發(fā)展，目前主要有鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、激光焊（LBW）、攪拌摩擦焊（FSW）等。

鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gas Welding，TIG）是典型的惰性氣體保護(hù)焊，是最常用的焊接方法。焊接時(shí)以鎢極及焊接作用面為電極，在兩極間通入氦氣或者氬氣作為保護(hù)氣來保護(hù)電弧，通過瞬時(shí)高壓放電來融化絲材及母材，進(jìn)行鋁合金部件的焊接成型，以及鑄件鑄造缺陷的焊補(bǔ)和修復(fù)。

主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

操作方便、靈活可控、適應(yīng)于各種工況環(huán)境、成本較低；

熱影響區(qū)較窄，在送絲充分的情況下焊接接頭的變形量較小，接頭的綜合性能較高；

焊接工藝性能好、穩(wěn)定，焊縫形成致密美觀。

熔化極惰性氣體保護(hù)焊

MIG（GMA-Gas Metal Arc Welding）與TIG都是惰性氣體保護(hù)焊，不同之處在于TIG焊采用鎢極作為固定電極，而MIG焊采用填充的焊絲材料本身作為電極。

鋁合金的熔化極惰性氣體保護(hù)焊過程中，電壓電流作用于焊絲電極端部，與母材間產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，將母材及坡口部融化，焊絲端部的熔滴脫落，垂直過渡到母材熔池上，形成焊接區(qū)。

但鋁合金MIG焊的應(yīng)用過程受到較大限制，原因在于鋁絲柔軟導(dǎo)致送絲性差，且熔融鋁在焊接時(shí)容易形成“懸而未滴”的現(xiàn)象，易造成液滴飛濺。其優(yōu)點(diǎn)在于MIG焊比TIG的焊接速度要快，焊接大型工件時(shí)焊運(yùn)動(dòng)幅度小，通過調(diào)整送絲速度焊接效率可達(dá)每分鐘數(shù)米。

激光焊

激光焊接（Laser Beam Welding LBW）利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池，凝固后材料連接為一體。

激光焊接的優(yōu)點(diǎn)在于焊接作用點(diǎn)小，高功率熱源集中作用，有能力進(jìn)行厚板焊接，熱影響區(qū)窄且焊接變形小。但與此同時(shí)，激光焊對(duì)于焊接定位的要求較高，焊接裝置昂貴，焊接成本較高，對(duì)于鋁鎂這類金屬材料激光反射率較高，直接焊接比較困難。

用不同功率密度的激光照射材料表明，當(dāng)工件上的功率密度達(dá)到107W/cm2以上，加熱區(qū)內(nèi)的金屬會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)被氣化，氣體在熔池內(nèi)匯聚成一個(gè)小孔，并以此小孔為中心進(jìn)行熱量傳遞，在小孔附近形成熔池，這就是激光深熔焊的“匙孔（keyhole）”效應(yīng)。為避免此現(xiàn)象造成的熔池不均勻問題，可以通過減小激光能量、增大焊接速度或控制熔核區(qū)的重熔，以去除熔合區(qū)的氣泡，減少氣孔的產(chǎn)生。

攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction stir Welding，F(xiàn)SW）是在傳統(tǒng)摩擦焊接技術(shù)基礎(chǔ)上形成的新型固相連接技術(shù)，其原理是一個(gè)非耗損的特殊形狀的由攪拌針和軸肩組成的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)扎入待焊接界面，當(dāng)攪拌頭沿焊縫前進(jìn)時(shí)，焊接材料溫度升高，塑化金屬在機(jī)械攪拌和頂鍛的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，經(jīng)過擴(kuò)散與再結(jié)晶之后形成致密的固相連接。

與傳統(tǒng)的焊接方法相比，F(xiàn)SW技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

焊接溫度低，焊接變形??；

焊縫力學(xué)性能好；

焊接工藝簡單經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

存在的主要問題及研究重點(diǎn)

隨著鋁合金在越來越多的行業(yè)得到應(yīng)用，其修復(fù)連接問題也吸引著越來越多學(xué)者的關(guān)注。通過多種焊接技術(shù)對(duì)鋁合金進(jìn)行了各種焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，修復(fù)技術(shù)的成熟度尚達(dá)不到工業(yè)的發(fā)展需求，其中仍存在各種問題。

鎢極氬弧焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊是目前應(yīng)用范圍最廣泛的兩種焊接方法，但這兩種技術(shù)熱影響區(qū)較寬，焊縫金屬需經(jīng)融化后再凝固的過程，對(duì)組織影響較大，且殘余應(yīng)力高，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能受到嚴(yán)重影響。激光焊能束密度較高，焊縫深寬比較大，但極容易形成氣孔，且其昂貴的造價(jià)也限制了應(yīng)用的普及。摩擦攪拌焊為熱量方面的問題提供了解決方案，但摩擦攪拌焊需要相對(duì)較大的頂鍛壓力和向前的驅(qū)動(dòng)力，設(shè)備一般較復(fù)雜笨重，限制了其發(fā)展。

相關(guān)課題的研究重點(diǎn)以后應(yīng)放在以下幾個(gè)方面：

從熔焊的基礎(chǔ)入手，調(diào)整焊絲配方，加入稀土元素或者適量選用焊接活性劑，控制焊接變形量，減小應(yīng)力，減少氣孔的生成。

由于合金使用范圍和用途的擴(kuò)展，通常與異質(zhì)材料配合使用，因此需開展異種金屬間的搭接熔焊實(shí)驗(yàn)，以獲得高質(zhì)量的連接接頭。

開展復(fù)合熱源焊接性研究，如TIG-激光復(fù)合焊接，激光復(fù)合攪拌摩擦焊，以得到最優(yōu)化的焊縫性能。

編輯：黃飛