鋁合金焊接技術現狀研究

王澤蔭

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

相對于鋼鐵材料，鋁合金具有比強度高、相對密度小、塑性和韌性好等諸多優點，而且具有減輕重量、降低油耗、節約能源、減少污染等綠色環保的作用。所以在交通運輸工具、航空航天器、電子元器件、機械結構件等的制作[1-3]等領域得到了廣泛的應用，尤其在高鐵、城市軌道交通、汽車、航空、電子、機械等行業，鋁合金的需求量越來越大[4,5]。與日益增長的鋁合金用量相比，鋁合金的焊接設備及工藝顯得有些落后，已經成為制約鋁合金材料在上述領域大面積應用的主要瓶頸。

1 鋁合金焊接時存在的問題

除了上述特點外，鋁合金還具有化學性能活潑、易氧化、熱膨脹系數大等特點，這些特點，導致鋁合金在焊接過程中容易出現以下問題：

（1）氧化

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

（2）焊接變形

鋁合金具有彈性模量低、導熱和熱膨脹系數大[6-10]的特點，這就導致在焊接過程中，材料的形變應力大，在形變應力的作用下，焊件將會出現橫向、縱向、波浪、彎曲、扭曲等多種變形。

（3）晶粒粗大

鋁合金熱導率高，所以在焊接過程中，焊縫區和熱影響區金屬大量吸收熱量，導致晶粒增長速度加快，晶粒粗大[11]。

（4）氣孔

焊接過程中，由于弧柱區保護氣體的密封不嚴以及保護性氣體中存在微量水分，熔池金屬吸收了周圍環境中的H元素，結合形成H2泡。來不及逸出的H2氣泡殘留在焊縫中形成氫氣孔。

（5）裂紋

鋁合金焊縫區及近焊縫區存在的低熔點共晶體在受熱后易熔化，熔化后的液態低熔點共晶體流失后，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一步增大，晶界處形成的網狀共晶組織使接頭的強度和塑性降低，導致接頭軟化。

（7）焊縫下塌

液態鋁的表面張力較小，焊接過程中不容易托住熔池，從而產生焊縫下塌現象。

2 傳統的鋁合金焊接技術

2.1 非熔化極惰性氣體保護焊

非熔化極惰性氣體保護焊的典型方式是鎢極氬弧焊[13]。鎢極氬弧焊的正負兩極分別由鎢極和被焊工件構成[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下，當接通電源時，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焊分為：手工鎢極氬弧焊和機械化鎢極氬弧焊。

以氬氣作為保護氣體的TIG焊具有熱量集中、焊件變形小、焊縫金屬純度高、力學性能好、焊接電弧穩定等特點，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焊可對焊件正反兩面同時施焊，與TIG焊相比，具有焊接電弧更集中、熔深更大、熱影響區更窄、焊件變形更小、不容易產生裂紋[16]等特點，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，改善焊縫的外觀質量。

鎢極氬弧焊隨著鎢極的燒損容易對焊縫形成鎢污染，且鎢極的價格昂貴。

2.2 熔化極氣體保護焊

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

根據保護氣體性質的不同，又將熔化極氣體保護焊分為兩類：熔化極惰性氣體和熔化極活性氣體保護焊。

熔化極惰性氣體保護焊（Metal Inertia Gas，MIG）的保護氣體主要是氦氣和氬氣，焊接時熔化極惰性氣體保護焊不會產生熔渣，減少了焊后清渣的工序，生產效率高，適用范圍廣，易實現機械化和自動化。根據熔滴過渡形式的不同，熔化極惰性氣體保護焊適用于焊接各種厚度的板材。

熔化極惰性氣體保護焊由于其熱輸入量較大，所以在焊接時易變形、產生裂紋和燒穿現象；相對來說，惰性氣體的價格較貴，因此焊接成本較高。

熔化極活性氣體保護焊（Metal Active Gas Arc Welding，MAG），又稱為混合氣體保護焊，它是在氬氣中加入一定比例的CO2，或者同時加入一定比例的CO2和O2。因加入的活性氣體具有較強的氧化性,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

3.1 激光焊接（LBW）技術

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、氮氣）為保護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、焊接過程的穩定程度都與材料對激光能量的吸收率有關，吸收率越高，獲得的焊縫熔深越大，焊接過程越穩定，反之，則會出現未熔合、未焊透、焊接過程中斷等缺陷。材料對激光能量的吸收率與材料的電阻系數和材料的表面狀態有關。

激光焊接技術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、接頭質量好、焊縫深寬比大等優點。

目前，使用激光焊焊接鋁合金材料仍存在很多難點：一是鋁合金對激光的反射率較高，導致鋁合金對激光能量的吸收率較低，不利于金屬的熔化，產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極氧化和噴砂處理、小孔誘導、改變激光器的參數來增加激光密度等；二是易產生氫氣孔，產生氫氣孔的原因有焊接區周圍空氣的入侵、焊接材料吸潮、工件和焊材表面的雜質、焊接工藝參數的影響等，防止氫氣孔產生的措施是切斷氫氣來源，制定合理的焊接工藝。

另外，激光焊接的設備昂貴，生產成本高。

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合起來，形成復合焊技術。

3.2 超聲輔助焊接技術

超聲輔助焊接技術是將超聲能量引入到熔池中，利用超聲波的機械振動、聲空化、聲流等非線性效應，使熔池產生受迫振動，起到穩定電弧、減少缺陷、改善接頭質量的作用。

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生的機械振動打斷正在生長的等軸晶粒，使得熔池中的晶粒數量增多，體積變小，從而起到細化晶粒、組織成分均勻、焊縫力學性能增強的作用；三是利用超聲波產生的沖擊力在焊縫區形成位錯，形成塑性應變層，從而釋放焊縫處由熱作用引起的殘余內應力，減小焊接變形；四是利用超聲波產生的聲空化、聲流以及熱效應，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力引起的焊接變形。

目前應用較多的超聲輔助焊接技術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，需先用砂紙、無水乙醇打磨擦拭工件表面，并在風干后的24小時內完成焊接。

超聲輔助焊的設備復雜，成本較高，操作難度大，使其在工業生產中的大規模應用受到限制。

3.3 攪拌摩擦焊 （FSW）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）的工作原理是用高速轉動的攪拌頭對焊接材料進行摩擦，用摩擦產生的熱量來軟化母材，并使之熔合形成焊縫。

攪拌摩擦焊焊接時通過摩擦產生的熱量低于焊接材料的熔點，因此焊接材料沒有被熔化，也就不存在焊接材料二次結晶的過程，不會產生晶粒粗大、氣孔、接頭軟化、焊縫下塌陷缺陷，攪拌摩擦焊的焊后殘余應力和變形較小，焊接接頭的晶粒細小，強度和硬度較高。另外，攪拌摩擦焊焊接過程中不產生煙塵和飛濺，也不需要添充材料和保護氣體，生產工藝相對簡單，生產成本較低。

攪拌摩擦焊的關鍵部件是攪拌頭，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各不相同，攪拌頭在焊接時的旋轉速度、傾角、偏移量、軸肩下壓量、攪拌頭與工件的相對移動速度等，都會對焊縫質量產生較大的影響。在焊接時，應根據實際情況選用合適的焊接設備，制定合理的焊接工藝。

根據鋁合金種類的不同，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行攪拌摩擦焊接時，焊接區的強度會顯著降低，同時會使得一些低熔點的共晶體液化，形成液化裂紋，通過降低攪拌頭的轉速和焊接速度，可減少液化裂紋的產生。另外，由于焊接熱輸入量小，攪拌摩擦焊對母材的組織結構和力學性能的影響較小。攪拌摩擦焊的眾多優點，使其在鋁合金焊接方面的應用越來越廣范。

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

4 總結

（1）焊接設備與工藝對金屬材料在各行業的應用起著制約性的作用，對鋁合金焊接設備與工藝的研究是鋁合金廣泛應用與市場化的前提。

（2）隨著科技水平的不斷提高，應用于鋁合金焊接的新設備、新工藝也在逐步發展，目前相對成熟的有激光焊（LBW）、超聲輔助焊、攪拌摩擦焊，但這些技術也存在不同程度的不足之處，需要進一步的完善與優化。

（3）未來鋁合金材料的焊接發展方向應主要從設備和工藝著手。

（4）隨著市場需求的增大和變化，新型材料也將被研發和應用，焊接技術的發展也應隨之提高，發展的方向必然是智能高效、綠色環保的。