鋁合金先進焊接工藝

1鋁合金焊接的特點

鋁合金由于重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結構產品中，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結構重量可減輕50%以上。

鋁合金焊接有幾大難點:

①鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數低，這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙;

②鋁合金表面易產生難熔的氧化膜(Al2O3其熔點為2060℃)，這就需要采用大功率密度的焊接工藝;

③鋁合金焊接容易產生氣孔;

④鋁合金焊接易產生熱裂紋;

⑤線膨脹系數大，易產生焊接變形;

⑥鋁合金熱導率大(約為鋼的4倍)，相同焊接速度下，熱輸入要比焊接鋼材大2～4倍。

因此，鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。

2鋁合金的先進焊接工藝

針對鋁合金焊接的難點，近些年來提出了幾種新工藝，在交通、航天、航空等行業得到了一定應用，幾種新工藝可以很好地解決鋁合金焊接的難點，焊后接頭性能良好，并可以對以前焊接性不好或不可焊的鋁合金進行焊接。

2.1鋁合金的攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊FSW(FrictionStirWelding)是由英國焊接研究所TWI(TheWeldingInstitute)1991年提出的新的固態塑性連接工藝。其工作原理是用一種特殊形式的攪拌頭插入工件待焊部位，通過攪拌頭高速旋轉與工件間的攪拌摩擦，摩擦產生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態，并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動，從而使焊件壓焊在一起。由于攪拌摩擦焊過程中不存在金屬的熔化，是一種固態連接過程，故焊接時不存在熔焊的各種缺陷，可以焊接用熔焊方法難以焊接的有色金屬材料，如鋁及高強鋁合金、銅合金、鈦合金以及異種材料、復合材料焊接等。目前攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應用較多。已經成功地進行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括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。國外已經進入工業化生產階段，在挪威已經應用此技術焊接快艇上長為20m的結構件，美國洛克希德·馬丁航空航天公司用該項技術焊接了鋁合金儲存液氧的低溫容器火箭結構件。

鋁合金攪拌摩擦焊焊縫是經過塑性變形和動態再結晶而形成，焊縫區晶粒細化，無熔焊的樹枝晶，組織細密，熱影響區較熔化焊時窄，無合金元素燒損、裂紋和氣孔等缺陷，綜合性能良好。與傳統熔焊方法相比，它無飛濺、煙塵，不需要添加焊絲和保護氣體，接頭性能良好。由于是固相焊接工藝，加熱溫度低，焊接熱影響區顯微組織變化小，如亞穩定相基本保持不變，這對于熱處理強化鋁合金及沉淀強化鋁合金非常有利。焊后的殘余應力和變形非常小，對于薄板鋁合金焊后基本不變形。與普通摩擦焊相比，它可不受軸類零件的限制，可焊接直焊縫、角焊縫。傳統焊接工藝焊接鋁合金要求對表面進行去除氧化膜，并在48h內進行加工，而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可，并對裝配要求不高。并且攪拌摩擦焊比熔化焊節省能源、污染小。

攪拌摩擦焊鋁合金也存在一定的缺點:

①鋁合金攪拌摩擦焊接時速度低于熔化焊;

②焊件夾持要求高，焊接過程中對焊件要求加一定的壓力，反面要求有墊板;

③焊后端頭形成一個攪拌頭殘留的孔洞，一般需要補焊上或機械切除;

④攪拌頭適應性差，不同厚度鋁合金板材要求不同結構的攪拌頭，且攪拌頭磨損快;

⑤工藝還不成熟，目前限于結構簡單的構件，如平直的結構、圓形結構。攪拌摩擦焊工藝參數簡單，主要有攪拌頭的旋轉速度、攪拌頭的移動速度、對焊件的壓力及攪拌頭的尺寸等。

2.2鋁合金的激光焊接

鋁及鋁合金激光焊接技術(LaserWelding)是近十幾年來發展起來的一項新技術，與傳統焊接工藝相比，它具有功能強、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區小、焊接變形小、速度高、易于工業自動化等優點，特別對熱處理鋁合金有較大的應用優勢。可提高加工速度并極大地降低熱輸入，從而可提高生產效率，改善焊接質量。在焊接高強度大厚度鋁合金時，傳統的焊接方法根本不可能單道焊透，而激光深熔焊時形成大深度的匙孔，發生匙孔效應，則可以得到實現。

激光焊接鋁合金有以下優點:

①能量密度高，熱輸入低，熱變形量小，熔化區和熱影響區窄而熔深大;

②冷卻速度高而得到微細焊縫組織，接頭性能良好;

③與接觸焊相比，激光焊不用電極，所以減少了工時和成本;

④不需要電子束焊時的真空氣氛，且保護氣和壓力可選擇，被焊工件的形狀不受電磁影響，不產生X射線;

⑤可對密閉透明物體內部金屬材料進行焊接;

⑥激光可用光導纖維進行遠距離的傳輸，從而使工藝適應性好，配合計算機和機械手，可實現焊接過程的自動化與精密控制。

現在應用的激光器主要是CO2和YAG激光器，CO2激光器功率大，對于要求大功率的厚板焊接比較適合。但鋁合金表面對CO2激光束的吸收率比較小，在焊接過程中造成大量的能量損失。YAG激光一般功率比較小，鋁合金表面對YAG激光束的吸收率相對CO2激光較大，可用光導纖維傳導，適應性強，工藝安排簡單等。

在焊接大厚度鋁合金時，傳統的焊接方法根本不可能單道焊透，而激光深熔焊時形成大深度的匙孔，發生匙孔效應，則可以得到實現。

鋁及鋁合金的激光焊接難點在于鋁及鋁合金對輻射能的吸收很弱，對CO2激光束(波長為10.6μm)表面初始吸收率1.7%;對YAG激光束(波長為1.06μm)吸收率接近5%。