目前铝合金先进焊接工艺

铝合金先进焊接工艺

摘要：介绍了铝合金焊接的几种先进工艺：搅拌摩擦焊、激光焊、激光- 电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法，几种工艺均具有优越性，并可对厚板铝合金进行焊接。

关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；激光焊；激光-电弧复合焊；电子束焊

1 铝合金焊接的特点

铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减轻50 %以上。

铝合金焊接有几大难点： ①铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍； ②铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3 其熔点为2060 ℃） ，这就需要采用大功率密度的焊接工艺； ③铝合金焊接容易产生气孔； ④铝合金焊接易产生热裂纹； ⑤线膨胀系数大，易产生焊接变形； ⑥铝合金热导率大（约为钢的4 倍） ，相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4 倍。

因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

2 铝合金的先进焊接工艺

针对铝合金焊接的难点，近些年来提出了几种新工艺，在交通、航天、航空等行业得到了一定应用，几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点，焊后接头性能良好，并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

2. 1 铝合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊FSW（ Friction Stir Welding） 是由英国焊接研究所TWI （ The Welding Institute） 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ] 。图1 为搅拌摩擦焊接示意图[3 ] 。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生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，从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ] 。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列（Al- Cu） 、5000 系列（Al - Mg） 、6000 系列（Al - Mg - Si） 、7000 系列（Al - Zn） 、8000 系列（Al - Li） 等。国外已经。进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件，美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，无熔焊的树枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加热温度低，焊接热影响区显微组织变化小，如亚稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比，它可不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜，并在48 h 内进行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。

搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点： ①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊； ②焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的压力，反面要求有垫板；③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊上或机械切除； ④搅拌头适应性差，不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头，且搅拌头磨损快； ⑤工艺还不成熟，目前限于结构简单的构件钢管脚手架扣件 GB 15831⑴995，如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单，主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

2.2 铝合金的激光焊接

铝及铝合金激光焊接技术（Laser Welding） 是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点： ①能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大； ②冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好； ③与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本； ④不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X 射线； ⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接； ⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。

现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器，CO2 激光器功率大，对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小，在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小，铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等。

在焊接大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5]。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %；对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动，起弧后稳定性不强，同时在电弧的高温状态下，电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度[11] 。

铝合金激光- 电弧复合焊工艺中可控参数较多，主要有以下几方面。①激光功率和电弧电流电压等：复合焊接对激光功率要求降低，同时功率因素对工艺影响很大，激光功率越大，熔深越大，而且这种影响力远大于激光单独焊接时对熔深的影响，增加电弧电源功率，熔化区宽度增加，热影响区增大，若采用脉冲YAG激光器，可调节脉冲频率和宽度以能提高工艺稳定性，减少气孔的形成； ②焊接速度参数：随焊接速度的增加，焊接热输入降低，焊缝熔深降低，而且不同的焊接速度影响匙孔的作用有所不同，从而影响焊接的稳定性； ③激光与电弧中心的距离：在一定范围内，激光与电弧中心距DLA11越小则熔深越大，此时增加电弧电流不仅增加熔宽，而且增加熔深； ④激光与电弧配合方式：国际上对复合焊的研究一般采用激光垂直入射，电弧与激光束成一定角度，沿焊接方向激光或在电弧前或在电弧后，不同的设计安排影响复合焊接的工艺稳定性和焊接气孔、裂纹的形成； ⑤填充材料的影响：通过填充焊丝、粉末来补充合金元素的烧损，增加焊缝强度，改善工艺性能，防止热裂纹； ⑥保护气体成分及流速：复合焊中保护气体一般为Ar 、He 或Ar/ He 混合气体，Ar 的电离能低，易于形成等离子体，与激光束光子形成耦合作用，不利于保护，所以纯He 气比纯Ar 气保护效果好，但从经济角度来看Ar气更经济一些，国外有用Ar75%+He25%混合气保护进行激光焊接，效果良好，且可改善工艺性能。其它还有一些因素影响，如焊前铝合金表面的清洁，氧化膜的去除，焊后热处理等。当焊接高强度厚板铝合金时，可采用多道焊工艺达到完全熔透焊接，但厚板铝合金焊接易产生气孔、热裂纹及焊缝软化等问题，且其过程比较复杂。厚板铝合金焊接变形严重，所以必须采用一些防变形的工艺[10～12]。

2.4 铝合金的电子束焊接

电子束焊是指在真空环境下，利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接，由于能量密度高可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷的产生。由于能量密度高，穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。

同传统电弧焊接铝合金相比，电子束焊能量密度高3～4 个数量级，与另外一种高能量密度焊接工艺——激光焊接相当。因此焊接接头的热影响区非常小，接头强度较传统焊接方法提高很多。电子束的穿透性能好，可对大厚度的铝合金进行施焊，焊后接头力学性能良好。铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加[13 ] 。所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比氩弧焊焊缝高出1～1. 5 倍。铝合金电子束焊焊后残余应力小，变形小，对薄板焊后几乎可做到不变形。电子束焊要求在真空条件下完成，真空是最好的保护手段，在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属，避免了空气或保护气体的完善适用于户外利用污染。电子束焊接铝合金在真空重熔时，焊缝中杂质含量微乎其微，焊缝气体含量降低接近一半，从而焊缝塑性、韧性大大提高。电子束可控性好，可以方便地进行扫描、偏转、跟踪等，易于焊接过程的自动化，并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷，提高接头质量[14] 。

电子束焊接获得优良的焊缝的最有效方法是焊接过程中同时对刚刚焊过的焊缝进行扫描。回扫间距决定晶粒细化的可控程度，凝固组织可由粗大的柱状晶转化为细小等轴晶。对AlMg0. 4Si1. 2 合金进行扫描焊接与无扫描焊接相比，晶体主轴长度减少到无扫描焊接时的1/ 5 ；焊缝硬度提高80% ，接近母材水平。铝合金焊缝金属晶粒细化程度对接头性能有重要影响。采用具有回扫运动的电子束扫描焊接，可减少合金元素的损失，细化焊缝组织，使之变为细小的等轴晶，并提高硬度。对于已经成核生长的晶体，如果电子束扫描间距过小在电子束扫描时产生重熔，但导致电子束回扫细化晶粒的作用减弱[15] 。图6 为晶体主轴长度与焊缝金属硬度的关系，图7为扫描频率fs和焊接速度v 、焊缝金属晶体主轴长度L 的关系。

铝合金电子束焊时对电子束流非常敏感，尤其是对于大厚度铝合金板焊接时，电子束流小时不能焊透，大时产生下塌，出现凹坑。铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔。铝合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3 和MgO ，容易吸收大量的水分是铝合金焊缝中气孔的主要来源。铝在制造业积累了资金后合金表面氧化膜比重接近基体，容易进入焊缝产生方式 ：1.拆换手机充电线夹杂、气孔。尤其是防锈铝合金电子束焊，气孔问题较为严重。传统TIG 焊铝合金时通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下进行焊接，促使氢从熔池中逸出，而电子束焊接铝合金时速度快，热输入量小，氢来不及从熔池中逸出，容易形成气孔。通常电子束焊铝合金采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生。另外，电子束焊接要求在真空条件下进行，所以对铝合金大型结构件施焊困难。电子束易受周围环境电磁场的影响，设备比较复杂，费用比较昂贵，所以还没有达到大规模工业化生产。

近年来发展的局部真空电子束焊接工艺很好地解决了铝合金电子束焊接大型构件的问题[16] 。Drauge2lates 等人成功地对AlMg5Mn 和AlMg0. 4Si1. 2 合金进行了局部真空高速电子束焊接,结果表明,在60 m/min的高速下焊接可生产出无焊接缺陷的焊缝,可见局部真空电子束焊接铝合金具有相当好的发展前景5.伺服机电,是焊接铝合金的一种先进工艺[17] 。

3 结论

（1） 搅拌摩擦焊是一种固态连接工艺，所以焊接铝合金不出现熔焊时的各种缺陷，接头性能良好，对于焊朗盛在德国进一步扩大高性能材料的生产接性不好以及以前不能焊接的铝合金，可以有效地进行施焊。

（2） 激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，焊接铝合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷，强度系数提高很大。但激光器功率一般都比较小，对铝合金厚板焊接困难，同时铝合金表面对激光束的吸收率很低，以及要达到深熔焊时存在阈值问题，所以工艺上有一定难度。

（3） 铝合金激光- 电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值问题，是极具前景的铝合金焊接工艺之一，目前工艺还不成熟，处于研究探索阶段。

（4） 电子束焊是另一种高能密度的焊接工艺，焊接铝合金可以得到优质的焊接接头，同时电子束焊的穿透性能好，可以对铝合金厚板进行焊接，但电子束焊要求在真空环境下进行，所以应用受到一定的限制。近年来发展的局部真空电子束焊在一定程度上可以解决这个问题。(end)