鋁合金作為近年來(lái)迅速崛起的工程金屬材料，由于其密度低、比強(qiáng)度及比剛度高盒伸、具有較好耐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天朽突、汽車(chē)旋逛、艦船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

但是焊接中出現(xiàn)的焊接性差析口、成形層性能不佳等一系列問(wèn)題又制約著鋁合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展妥触，因此鋁合金焊接技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究的主要方向之一。

鋁合金性能概述

1. 鋁是一種非常輕的金屬材料乱归，密度僅為2.7g/cm3群镰，約為鋼密度的36%。采用鋁合金制造機(jī)械零部件终吼，可顯著減輕重量镀赌，達(dá)到輕量化和節(jié)能減排的效果。

2. 鋁合金的比強(qiáng)度际跪、比剛度高于45鋼和ABS塑料商佛。采用鋁合金材料，有利于制造剛性要求高的整體構(gòu)件姆打。

3. 鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱良姆、導(dǎo)電和耐蝕等性能肠虽。A380鋁合金與其他材料性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

4. 鋁合金具有良好的切削性和可回收利用性玛追。如果假設(shè)最易切削的鎂合金的切削阻力系數(shù)為1税课，則其他金屬的切削阻力如表2所示∪剩可見(jiàn)韩玩，鋁合金的切削阻力小于銅、鐵等材料邢笙，切削加工較為容易啸如。

表1 幾種材料參數(shù)對(duì)比

表2 常見(jiàn)合金的切削阻力

鋁合金焊接特點(diǎn)

受鋁合金理化特性的影響，在焊接過(guò)程中存在一定難度越化，目前的鋁合金焊接主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：熱應(yīng)力影菩、燒蝕蒸發(fā)、固態(tài)夾雜疚逝、氣孔塌陷等：

• 熱應(yīng)力

鋁合金的熱膨脹系數(shù)較高猜摹，彈性模量較小。在焊接過(guò)程中誊爵，由于鋁合金變形大灿磁、線(xiàn)膨脹系數(shù)大，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6%左右匆救，且冷卻速度和熔池一次結(jié)晶速度快嫁橱，導(dǎo)致焊縫的內(nèi)應(yīng)力和焊接接頭的剛性拘束度較大，易使鋁合金接頭內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力扭妖，引起較大的焊接應(yīng)力與變形环起，形成裂紋、波浪變形等缺陷捆革。

表3 各金屬熱膨脹系數(shù)比較

• 燒蝕蒸發(fā)

鋁的熔點(diǎn)為660℃娘扩，沸點(diǎn)為2647℃，相比于銅壮锻、鐵其他金屬元素較低琐旁。在焊接過(guò)程中，如果焊接溫度過(guò)高猜绣，容易產(chǎn)生爆炸并形成飛濺灰殴，尤其在高能束焊接時(shí)更易發(fā)生，如圖1所示途事。另外验懊，鋁合金中添加的合金元素有的沸點(diǎn)較低，在焊接的瞬時(shí)高溫下極易蒸發(fā)燒損尸变，爆炸產(chǎn)生的飛濺也會(huì)帶走部分液滴义图，從而不可避免的改變了焊縫區(qū)的預(yù)定化學(xué)成分减俏，不利于焊接接頭的性能調(diào)控。因此碱工，為了彌補(bǔ)高溫?zé)g娃承，在焊接時(shí)常常選用沸點(diǎn)元素含量比母材高的焊絲或者其他焊接材料。

圖1 焊接過(guò)程中的飛濺

• 固態(tài)夾雜

鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑怕篷，極易氧化倒灰。在焊接過(guò)程中，鋁合金表面發(fā)生氧化形成高熔點(diǎn)的Al2O3（約為2050℃憎唯，而鋁的熔點(diǎn)為660℃茬蓝，兩者相差很大）。氧化物致密且硬度較高筛粘，夾雜在熔池區(qū)密度較小的熔融合金液中桐夭，容易形成細(xì)小的固態(tài)夾渣不易排出，不僅影響焊縫的組織成形熊倡，也易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕搅谆，這會(huì)造成焊接接頭力學(xué)性能的下降，并且Al2O3覆蓋在熔池和坡口上讳帆，嚴(yán)重影響了合金的焊接阀温，降低焊接接頭的組織性能。

• 氣孔塌陷

鋁合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)小于其氧化物置狠，且性質(zhì)活潑極易氧化啡笑。在焊接過(guò)程中，鋁合金因高溫熔化形成熔池黄鳍。而熔池表面的鋁被氧化生成氧化膜蔫缸，以固態(tài)的形式覆蓋于熔池之上。由于氧化膜熔化后顏色與鋁合金熔融狀態(tài)并無(wú)太大差別际起，且因?yàn)檠趸さ母采w在焊接過(guò)程中很難觀(guān)察到鋁合金熔池熔化的程度，因此易造成溫度過(guò)高吐葱，引起焊接熱影響區(qū)的大塊塌陷街望，破壞焊縫金屬的形狀及性能。

在焊接熱源瞬時(shí)高功率的作用下弟跑，在合金液中溶解了大量的氫氣灾前，焊接完成后，隨著熔池溫度的降低孟辑，氣體的溶解度也逐漸減小哎甲，這成了焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔的主要原因。由于鋁合金凝固速度過(guò)快且密度較低饲嗽，在焊縫迅速固化過(guò)程中炭玫，形成了大小不一的氫氣孔奈嘿。這些氣孔會(huì)在焊接過(guò)程中不斷地聚集和擴(kuò)展，最終形成了可見(jiàn)的大氣孔蕴莉，降低了接頭的組織性能翰蛔。當(dāng)然，氣孔的產(chǎn)生不一定是在焊接過(guò)程中形成的仓突，由于鑄造工藝技術(shù)的影響痰汰，母材本身在鑄造過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生氣孔。焊接時(shí)绊削，熱輸入和內(nèi)部壓力不斷變化引起母材中原有的氣孔受熱膨脹或相互結(jié)合形成焊縫氣孔凑戏，隨著焊接熱輸入的增加氣孔也會(huì)隨之增大。因此制棉，為控制氫的來(lái)源裆机，焊接材料在使用前需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的干燥處理，焊接時(shí)扰褒，適當(dāng)?shù)募哟箅娏饕匝娱L(zhǎng)熔池的存在時(shí)間漠哲，給氫氣足夠的時(shí)間析出，從而控制氣孔的形成贮芹。

圖2 氣孔的形成與匯聚

鋁合金焊接技術(shù)分類(lèi)

隨著鋁合金應(yīng)用范圍的擴(kuò)大罪谢，凸顯的問(wèn)題也越來(lái)越多。隨著研究的進(jìn)展椭符，鋁合金焊接技術(shù)有了較大發(fā)展荔燎，目前主要有鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）销钝、激光焊（LBW）有咨、攪拌摩擦焊（FSW）等。

• 鎢極氬弧焊
  

鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gas Welding蒸健，TIG）是典型的惰性氣體保護(hù)焊座享，是最常用的焊接方法。焊接時(shí)以鎢極及焊接作用面為電極似忧，在兩極間通入氦氣或者氬氣作為保護(hù)氣來(lái)保護(hù)電弧渣叛，通過(guò)瞬時(shí)高壓放電來(lái)融化絲材及母材，進(jìn)行鋁合金部件的焊接成型盯捌，以及鑄件鑄造缺陷的焊補(bǔ)和修復(fù)淳衙。

主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1. 操作方便、靈活可控饺著、適應(yīng)于各種工況環(huán)境箫攀、成本較低；

2. 熱影響區(qū)較窄煞精，在送絲充分的情況下焊接接頭的變形量較小筷穿，接頭的綜合性能較高厌棵；

3. 焊接工藝性能好、穩(wěn)定荡减，焊縫形成致密美觀(guān)赞钧。

• 熔化極惰性氣體保護(hù)焊
  

MIG（GMA-Gas Metal Arc Welding）與TIG都是惰性氣體保護(hù)焊，不同之處在于TIG焊采用鎢極作為固定電極搂素，而MIG焊采用填充的焊絲材料本身作為電極凌蝎。

鋁合金的熔化極惰性氣體保護(hù)焊過(guò)程中，電壓電流作用于焊絲電極端部塑汽，與母材間產(chǎn)生瞬時(shí)高壓舰缠，將母材及坡口部融化，焊絲端部的熔滴脫落态练，垂直過(guò)渡到母材熔池上蚣凰，形成焊接區(qū)。

但鋁合金MIG焊的應(yīng)用過(guò)程受到較大限制聪僚，原因在于鋁絲柔軟導(dǎo)致送絲性差坦辟，且熔融鋁在焊接時(shí)容易形成“懸而未滴”的現(xiàn)象，易造成液滴飛濺章办。其優(yōu)點(diǎn)在于MIG焊比TIG的焊接速度要快锉走，焊接大型工件時(shí)焊運(yùn)動(dòng)幅度小，通過(guò)調(diào)整送絲速度焊接效率可達(dá)每分鐘數(shù)米藕届。

• 激光焊

激光焊接（Laser Beam Welding LBW）利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱挪蹭，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池休偶，凝固后材料連接為一體梁厉。

激光焊接的優(yōu)點(diǎn)在于焊接作用點(diǎn)小，高功率熱源集中作用踏兜，有能力進(jìn)行厚板焊接词顾，熱影響區(qū)窄且焊接變形小。但與此同時(shí)碱妆，激光焊對(duì)于焊接定位的要求較高计技，焊接裝置昂貴，焊接成本較高山橄，對(duì)于鋁鎂這類(lèi)金屬材料激光反射率較高，直接焊接比較困難沪择。

用不同功率密度的激光照射材料表明傅煎，當(dāng)工件上的功率密度達(dá)到107W/cm2以上，加熱區(qū)內(nèi)的金屬會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)被氣化羞烘，氣體在熔池內(nèi)匯聚成一個(gè)小孔伴乐，并以此小孔為中心進(jìn)行熱量傳遞划葫，在小孔附近形成熔池，這就是激光深熔焊的“匙孔（keyhole）”效應(yīng)擒抠。為避免此現(xiàn)象造成的熔池不均勻問(wèn)題扶眼，可以通過(guò)減小激光能量、增大焊接速度或控制熔核區(qū)的重熔瑰跳，以去除熔合區(qū)的氣泡忍坯，減少氣孔的產(chǎn)生。

• 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction stir Welding砰普，F(xiàn)SW）是在傳統(tǒng)摩擦焊接技術(shù)基礎(chǔ)上形成的新型固相連接技術(shù)谁媳，其原理是一個(gè)非耗損的特殊形狀的由攪拌針和軸肩組成的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)扎入待焊接界面狗准，當(dāng)攪拌頭沿焊縫前進(jìn)時(shí)克锣，焊接材料溫度升高，塑化金屬在機(jī)械攪拌和頂鍛的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形腔长，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散與再結(jié)晶之后形成致密的固相連接袭祟。

與傳統(tǒng)的焊接方法相比，F(xiàn)SW技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 焊接溫度低捞附，焊接變形薪砣椤；
   

2. 焊縫力學(xué)性能好故俐；
   

3. 焊接工藝簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)環(huán)保想鹰。
   

存在的主要問(wèn)題及研究重點(diǎn)

隨著鋁合金在越來(lái)越多的行業(yè)得到應(yīng)用，其修復(fù)連接問(wèn)題也吸引著越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注药版。通過(guò)多種焊接技術(shù)對(duì)鋁合金進(jìn)行了各種焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)辑舷，修復(fù)技術(shù)的成熟度尚達(dá)不到工業(yè)的發(fā)展需求，其中仍存在各種問(wèn)題槽片。

鎢極氬弧焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊是目前應(yīng)用范圍最廣泛的兩種焊接方法何缓，但這兩種技術(shù)熱影響區(qū)較寬，焊縫金屬需經(jīng)融化后再凝固的過(guò)程还栓，對(duì)組織影響較大黑声，且殘余應(yīng)力高，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能受到嚴(yán)重影響氓暖。激光焊能束密度較高失能，焊縫深寬比較大，但極容易形成氣孔账姜，且其昂貴的造價(jià)也限制了應(yīng)用的普及饵臀。摩擦攪拌焊為熱量方面的問(wèn)題提供了解決方案，但摩擦攪拌焊需要相對(duì)較大的頂鍛壓力和向前的驅(qū)動(dòng)力，設(shè)備一般較復(fù)雜笨重鹉灼，限制了其發(fā)展鞋伸。

相關(guān)課題的研究重點(diǎn)以后應(yīng)放在以下幾個(gè)方面：

1. 從熔焊的基礎(chǔ)入手，調(diào)整焊絲配方敏困，加入稀土元素或者適量選用焊接活性劑艰欲，控制焊接變形量，減小應(yīng)力莽浴，減少氣孔的生成破罐。

2. 由于合金使用范圍和用途的擴(kuò)展，通常與異質(zhì)材料配合使用斑匪，因此需開(kāi)展異種金屬間的搭接熔焊實(shí)驗(yàn)呐籽，以獲得高質(zhì)量的連接接頭。

3. 開(kāi)展復(fù)合熱源焊接性研究蚀瘸，如TIG-激光復(fù)合焊接狡蝶，激光復(fù)合攪拌摩擦焊，以得到最優(yōu)化的焊縫性能贮勃。

（模具達(dá)人 ）

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