摘要:铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，同时还具有良好的成形工艺性和良好的焊接性，因此成为应用最广泛的一类有色金属结构材料。本文主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
铝合金由于重量轻、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。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。
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。
一、搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊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。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20m的结构件,美国洛克希德·馬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48h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。
二、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:
（一）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;
（二）冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;
（三）与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;
（四）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;
（五）可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;
（六）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。
三、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。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。
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AIMg04SiI2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。
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。铝合金表面氧化膜比重接近基体,容易进入焊缝产生夹杂、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。
参考文献：
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