铝合金焊接研究现状及发展趋势

来源:用户上传      作者: 徐长钧

　　[摘 要]现代有色金属焊接工艺的进步，将有利于我国工业的进步。本文从铝合金的分类及其焊接性出发，介绍了钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊、熔化极惰性气体保护焊、激光焊、激光-电弧复合焊在铝合金焊接中的研究现状，并对铝合金焊接未来的发展方向进行了展望。
　　[关键词]有色金属；铝合金；焊接方法
　　中图分类号：TG457.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0352-02
　　1.铝合金的分类及其焊接性
　　铝合金具有良好的耐蚀性，有较高的导电性，无低温脆性等优点，被广泛应用在航空、航天、电工及石油化工领域，特别在空分制氧装置中应用相当广泛[1]。
　　铝合金根据所含主要合金成分的不同，分为8个系。1系是含Al 99.0%的纯铝，2系是Cu，3系是Mn，4系Si，5系是Mg，6系是Mg-Si，7系是Zn，8系是其他合金[2]。纯铝熔点约660℃，而焊接用铝合金熔点是560～650℃，具有较高导热性，焊接时要用能量集中的大功率热源。在焊接过程中，常常会出现氧化、气孔、热裂纹、烧穿、塌陷等缺陷[3]。
　　2.铝合金的理化特性
　　1.1 易氧化
　　铝和氧的亲和力很强。在常温下，铝表面就能被氧化成厚度约0.1～0.2m致密的A L，0 薄膜。虽然这层氧化铝薄膜比较致密，能防止金属的继续氧化，对自然防腐有利，但它给焊接带来了困难，这是由于氧化铝的熔点（2 050%）远远超过了铝的熔点（600%左右），比重约为铝的1.4倍。
　　1.2 有较大的导热系数和比热容
　　铝的导热系数为钢的4倍，故铝比钢在焊接时要消耗更多的热量，故采用功能大的热源。
　　1.3 易形成气孔
　　由于氢能大量溶于液态铝，而几乎不溶于固态铝，在熔池结晶时，溶于液态铝中的氢几乎全部析出，形成气泡，因铝和铝合金比重较小，气泡在熔池中浮升速度较小，加上铝的导热性强，冷凝快。所以焊缝易产生气孔。
　　1.4 易形成热裂纹
　　铝的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大约一倍，易产生较大的焊接变形和应力，导致裂纹产生。
　　1.5 烧穿和塌陷
　　铝及铝合金由固态转变为液态时，无明显颜色变化，不易判断熔池温度，故在焊接时，常因温度过高导致烧穿或严重塌陷。
　　3.铝合金的焊接方法
　　3.1 钨极惰性气体保护电弧焊（TIG）[4]
　　TIG 始于本世纪30 年代， 是最早的气体保护电弧焊方法，它是为了适应活泼金属（铝、锰、钛等）的焊接而产生的。TIG 是以高熔点的纯钨（或含有钨的氧化物金属）和焊件分别作为两个极性不同的电极，在两电极之间用惰性气体（氩、氦或氩氦混合气体）隔绝空气来保护电弧、熔池及母材热影响区进行一种电弧焊方法。其优点是：焊接过程稳定，焊后无需清渣，焊接接头保护效果好，易于实现全方位和自动焊接。其缺点是：焊前清理要求高，主要是清除焊接接头表面的污物及氧化膜；钨极承载电流能力较低，焊接熔深有限，生产效率低，适宜薄板焊接；惰性气体较贵，生产成本高。
　　3.2 熔化极惰性气体保护电弧焊（MIG）[5]
　　TIG焊能获得焊接质量优良的焊缝， 它的缺点是焊接能量有限，不适合焊接厚件，尤其是导热性能较强的金属。为了克服这一缺点，1948年产生了MIG。MIG是以连续送进的焊丝和焊件分别作为两个极性不同的电极，在电极间高温电弧热作用和惰性气体的保护下，将焊丝熔化、过渡并填充焊缝的一种电弧焊方法。其优点是：焊接过程以焊丝作为电极，采用高密度电流，焊接熔深大，熔敷速度快，生产效率高，可焊大厚度板材。
　　3.3 搅拌摩擦焊
　　利用摩擦焊连接旋转体己有40多年的历史， 已经证明它是一种优质、高效、节能、无污染的焊接方法。但是，由于它是基于两个工件相互接触并高速旋转， 在接触面处产生大量摩擦热使其达到锻造温度后， 施加一轴向锻压而完成两工件的固相连接，因此，传统摩擦焊方法只适用于旋转的焊接。英国焊接研究所于1991年发明的搅拌摩擦焊技术，是摩擦领域的最新创造。它是利用一种特殊形式的搅拌头插入工件的待焊部位， 通过搅拌头与工件间的搅拌摩擦， 摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。在这里， 搅拌头对其周围金属起着碎化摩擦搅拌等作用[6]。
　　3.4 超声波焊接[7]
　　金属超声波焊接用于晶体管、集成电路制造及元器件与导线的连接己有多年历史。铝接带工艺及近年来在国内外迅速发展起来的塑铝复合管，在制造过程中都需要一种高效、高质的薄板焊接设备，而超声波焊接由于能连续焊接、焊接速度快、焊接强度高， 能耗少， 受到了人们的重视。它是一种固态焊接方法， 焊件之间的连接是利用超声波频率（超过16KHz）机械振动能量，连接同种金属或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等特殊焊接方法。金属超声波焊接时， 即不向工件输送电流， 也不向工件引入热源， 只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件之间的摩擦功、形变能及随后有限的温升。
　　3.5 激光焊（LBW）
　　近年来，应用激光热源进行铝合金焊接研究获得较快发展，随着大功率、高性能激光加工设备的研制开发， 在日本、美国、英国、德国等发达国家，铝合金激光焊接技术的应用已经扩展到汽车制造业和飞机制造业中[8，9]。LBW的优点是：聚焦功率密度大，加热集中，单位尺寸的热输入较低，焊件变形小，热影响区窄；焊缝深宽比大，适宜焊厚板；激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象。其缺点是：设备投入大，焊接定位要求高，对高反射的金属直接焊接比较
　　困难。铝合金焊接一般采用深熔焊方式。
　　4.铝合金焊接新技术
　　随着铝合金在汽车、船舶、高速列车、航空航天、压力容器等制造领域的应用越来越广泛， 铝合金焊接技术也不断推陈出新。铝合金焊接新技术主要表现在以下方面。 　　（1）传统焊接技术基础上的改进及创新。如双TIG焊、双脉冲MIG焊等。双TIG焊是用两把常规TIG焊枪分别接到焊接电源正负极，工件不接电源，电流从一把焊枪透过工件，然后流向另一把焊枪，这样，在工件与焊枪两边各分别建立一个电弧。双TIG焊接电弧更加集中，熔深更大，焊接厚板的焊接层数少，热影响区更窄，焊后变形小，不易产生裂纹。因而，不仅保证了焊接质量，而且降低了生产成本、提高了生产率[10]。双脉冲MIG焊也叫低频调制型脉冲MIG焊，是用0.5～50Hz的低频脉冲对高频脉冲进行调制，以获得周期性变化的强弱脉冲群，高频可控制一个脉冲过渡一个熔滴，低频可控制一个低频周期形成一个熔池。双脉冲MIG焊可获得较高质量的焊接接头，焊缝气孔少、晶粒细、裂纹敏感性低。在很多场合，双脉冲MIG焊可代替TIG焊焊接某些质量要求较高（如表面质量）的铝合金部件，如自行车架、容器壳体，各式油箱等。
　　（2）高能密度焊接技术的推广及应用，如激光电弧焊、YAG激光焊。激光-电弧焊是指将激光与电弧组合起来的焊接方法，激光与电弧的相互作用，以弥补激光或电弧焊方法各自的不足。激光-电弧焊能有效地利用激光能量，焊接速度快，熔焊深度大，产生的焊接热少，焊缝的强度高，焊缝宽度小，焊缝凸出小。进行激光-电弧焊，激光产生的等离子体有助于稳定电弧[11]。现在工业领域中应用的激光焊主要是CO2激光焊。CO2激光器的波长较大，铝合金对长波激光的反射率较高，而YAG激光器波长只有CO2激光器的1/10，并且YAG激光器的功率已有较大提高。在不久的将来，YAG激光焊有可能取代CO2激光焊，成为主要的铝合金激光焊接技术。现在，奔驰、宝马、沃尔沃、保时捷等汽车公司已研制出单面焊的YAG激光焊设备，成功用于汽车铝合金部件的焊接。YAG激光焊接铝合金优点是焊前准备工作少，熔池窄而深，易实现厚板一次焊接成型；低热输入，热影响区很窄，焊后变形和残余应力小；容易实现自动焊；利用光纤输送YAG激光器发射的短波，使得焊接设备的灵活性更强，适应性更广。YAG激光焊焊接铝合金的缺陷是易产生气孔和热裂纹。故在焊接中高强度铝合金应选择正确的焊接参数和填充焊丝。
　　5.常见焊缝缺陷产生的原因及预防措施
　　铝及铝合金焊接接头常见缺陷有焊缝成型不良， 基体金属咬边、裂纹、气孔、未焊透、烧穿、夹渣等。笔者在实践中体会到这些缺陷中最难解决的是气孔， 造成返修及废品的原因大多为气孔超标， 故本文将着重分析气孔的成因以及应采取的对策。
　　5.1 焊缝成型不良
　　焊缝成型不良表现在熔宽尺寸不一， 成型粗糙且不光亮， 接头经常出现焊缝中心突起， 两边平坦或凹陷， 焊缝满溢等。这些缺陷的成因主要是焊工操作不够熟练， 焊接规范选择不当， 焊炬角度不正确以及焊接材料品质不良等因素。相应的对策是： 先调整好工艺参数， 并对焊工作适应性的模拟练习， 达到一定的熟练程度后再上产品焊接， 并对所用焊丝及氩气等严格把关。
　　5.2 裂纹
　　铝及铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的， 称热裂纹， 又称结晶裂纹。裂纹的形式有纵向和横向的裂纹（ 往往扩展到基体金属） ， 还有根部裂纹、弧坑裂纹等。裂纹导致结构强度降低，甚至引起整个结构的突然破坏， 因此是完全不允许存在的。铝合金液态熔池冷却、凝固结晶到完全形成固态是在某一温度范围内进行的。在这温度范围内同时存在着液态和固态金属， 其强度、塑性都很低， 所以将这个温度范围称脆性温度区间。另一方面， 由于铝合金的线膨胀系数大， 在焊缝金属冷却收缩过程中产生很大的拉伸变形。当溶池金属处在脆性温度区间的时刻，与产生最大拉伸变形的时刻一致时立即引起裂纹。一般情况下， 纯铝、锰铝、镁铝合金热裂纹倾向很小，但结构刚度较大、杂质含量较多或工艺规范选择不当时， 也会引起裂纹。防止热裂纹的措施如下：
　　（1）控制基体金属及焊丝成分，纯铝及铝锰合金及焊丝中的铁、硅含量比应大于1（即Fe/Si>1），以减少焊缝金属中低熔点硅共晶的数量，使铁、硅、铝的多元化合物呈断续分布；
　　（2）通过填充焊丝向焊缝金属加入少量细化晶粒的变质剂（如钛、锆、钒等） 有利防止热裂纹的产生；
　　（3）应尽量采用加热集中的焊接方法（如熔化极自动氩弧焊） 及选择大电流、高焊速的规范。熔化极脉冲氩弧焊与一般的熔化极氩弧焊法相比具有较好的抗裂性；
　　（4）在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的刚性， 在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施；
　　（5）尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形的接头及不适当的点固、焊接顺序；f.焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。
　　5.3 咬边
　　咬边是由于不正确地选择焊接规范造成的，如氩弧焊时，电压过高、焊速过快及电焊工操作不当等，咬边缺陷会引起工作截面的减弱，以致产生应力集中现象。其对策是严格执行工艺纪律，对经焊接工艺评定或焊接工艺试验而制定的焊接规范，在现场施焊时不得随意变动，使用电源应相对稳定，以免电压有过大的波动， 提高焊工操作水平。
　　5.4 夹渣
　　夹渣主要是由氧化膜、熔渣、钨极微粒、铜质点（导电嘴烧熔产生的）等构成。防止夹渣的措施其侧重点是清除坡口处及焊丝的氧化物及污垢，可采用机械法及化学清洗法， 或两种方法结合使用。
　　5.5 气孔
　　与其他金属材料相比，铝合金在焊接过程中极容易产生气孔，这是铝合金焊接的难点之一。气孔断面呈圆形，内壁光滑并带有亮白色。气孔的形成不但会降低焊缝的致密性，减少接头的承载面积，而且使接头的强 度、塑性降低，特别是冷弯角和冲击韧性降低很多，所以，深入了解气孔的成因，并在此基础上制定相应对策，提高焊接质量，就显得十分必要了。控制气孔产生的措施如下： 　　（1）正确选择工艺规范参数，如尽量采用高的输入热量，延长熔池存在时间，为气泡逸出提供条件；
　　（2）增大焊接电流以改善根部的焊透程度，增强熔池的搅动，使根部的气泡容易逸出；
　　（3）焊接厚板（10mm以上）时采用钨极双面同步氩弧焊法，有利加强氩气保护效果和熔池搅拌作用减少空气侵入熔池，有利于氢气从熔池中分离出去；
　　（4）对工件进行预热，不但可减少接头坡口表面上的水分，同时也可以降低熔池的冷却速度，改善气体逸出条件；
　　（5）对焊件坡口两侧及坡口根部、焊丝进行仔细清洗，并烘干。清洗后到使用的时间间隔不得超过8小时，焊丝表面应洁白光亮，不得有腐蚀斑点；
　　（6）必须采用高纯度（纯度≥99.96%以上）氩气，氩气管路系统要经常检查， 保持干燥， 不得有泄漏现象， 以免混入潮湿空气。
　　6.结论与展望
　　近年来，改进创新的TIG 和MIG 焊、激光焊、激光-电弧焊及FSW 就是比较先进的铝合金焊接新方法， 在国内外高新领域的应用越来越多。随着铝合金焊接方法与技术的不断成熟， 铝合金材料在制造业领域中的应用会更加深入。反过来， 制造业的需求也必将促进铝合金焊接技术的进一步发展。现在，传统的TIG、MIG 焊设备随着计算机技术进步不断改进和创新。高能密度焊接设备在高科技铝合金产品制造业中的应用也越来越广泛。焊接技术发展逐步向高质量、高效率、低成本、低劳动强度、低能耗方向发展。焊接过程自动化、智能化是提高焊接质量稳定性， 解决恶劣劳动条件的重要方向。
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　　作者简介
　　徐长钧，男，学士，工程师，主要从事金属材料焊接研究，通讯地址：辽宁省沈阳市中国有色（沈阳）冶金机械有限公司，金属结构车间，110141。
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