浅析金属铝合金零件的焊接工艺方法

浅析金属铝合金零件的焊接工艺方法

林伟强

广州亨龙智能装备股份有限公司

引言

铝及铝合金多用于焊接工业产品结构中，这是因为它具有重量轻、强度高、耐腐蚀、无磁性、成形性好、低温性能好的特点，事实证明，使用铝合金焊接的重量要比使用钢板焊接的重量轻一半以上。这几年有人提议了几种新的焊接工艺，这些工艺在各种行业都得到了一定应用，这些应用的新工艺把铝合金焊接的难点几乎都解决了，使得铝合金焊接后接头性能良好，不仅如此，这些工艺还可以对以前焊接失败的半成品或以前不可以焊接在一起的铝合金进行焊接。

一、铝合金材料特点

铝是银白色的轻金属，它具有延展性好、导电以及导热良好，抗氧化和抗腐蚀能力强的特点。铝在空气中极易与氧气发生反应，在在焊缝中氧化产生氧化物夹杂物al2o3膜，这些氧化物导致金属的连续性和均匀性被破坏，金属的机械性能和耐腐蚀性能也会被降低。

二、焊接铝合金材料容易出现的问题

（一）极易氧化。

在空气中，铝同氧气反应非常容易，氧化后会生成致密的al2o3薄膜(厚度约0.1-0.2μm)，这个氧化物薄膜熔点约为2050℃，远远超过铝及其铝合金的熔点(约600℃左右)。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3，约为铝的一倍多。在焊接时，如果有氧化铝的存在，那么金属基本是熔合不了的，因为氧化铝薄膜的表面易吸附水分，就算融合了也会容易形成气孔、夹渣等缺陷，这会使焊缝性能大大下降，引起危险。

（二）容易产生气孔。

液态铝可以溶解在氢中，并且是大量的氢，而固态形态下的铝几乎不溶解氢，因此当焊接处的温度快速冷却，铝将要凝固时，若其中的氢来不及逸出则会在焊缝中聚集，从而形成气孔。氢可能来源于铝板、焊丝表面吸附的水分中，也可能存在于电弧焊气氛，目前完全避免在焊接时产生氢气孔是很难的。

（三）焊缝变形和形成裂纹倾向大。

由于铝的线膨胀系数和晶体收缩率约为钢的两倍，这使得铝往往会产生较大的焊接变形内应力，而刚性较高的结构会促进热裂纹的产生。

（四）导热系数高。

铝具有较高的导热系数，约为钢的4倍，因此，焊接铝和铝合金时，小号的热量要比焊钢消耗得更多。

（五）合金元素的蒸发的烧损。

铝合金中含有低沸点的元素，例如镁、锌、锰等，这些元素在高温下极易蒸发，这会改变焊缝金属的化学成分，从而降低焊接性能。

（六）高温下强度和塑性低。

铝在高温下的塑性和强度低，这破坏了焊缝金属的形成，有时焊缝金属易于塌陷和焊穿。

（七）没有明显色彩变化。

因为铝和铝合金在从固态变为液态时没有明显的颜色变化，使得焊接金属操作者难以掌握加热温度。

三、铝合金材料的焊接方式

（一）搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊接，简单来说就是用一种长相特殊的搅拌头插入工件等待焊接的部位，通过特殊的搅拌头高速旋转，会与工件间产生摩擦，摩擦产生的热量会使该部位金属处于热塑性状态，在搅拌头的压力作用下从前往后塑性流动，这样焊件就被压在一起了。焊接时不存在其他熔焊方式中的各种缺陷，这样就可以焊接有色的金属材料，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，这是用熔焊方法难以做到的。2000系列(铝-铜)、5000系列(铝-镁)、6000系列(铝-镁-硅)、7000系列(铝-锌)、8000系列(铝-锂)等已经成功地进行了搅拌摩擦焊接。

动态再结晶后塑性变形形成了铝合金搅拌摩擦焊的焊缝，焊缝区具有晶粒细化，组织细密，无熔焊的树枝晶，综合性能良好的优点。对于传统熔焊方法来说，铝合金搅拌摩擦焊无烟尘，不用在焊接过程中添加一般焊接需要的焊丝和保护气体，例如氮气，接头性能良好。由于铝合金搅拌摩擦焊是固相的焊接工艺，而固相焊接工艺加热温度低，焊接的hi后在显微镜下热影响区几乎毫无变化，这对于强化铝合金及沉淀强化铝合金（指材料强度在时效温度下随时间而变化的现象，是铝合金和高温合金的主要强化手段）非常有利。传统的一些焊接工艺要求先除去铝合金表面的致密氧化薄膜，并且要在48小时之内对铝合金进行处理，而搅拌摩擦焊在焊接金属之前擦除表面的油及一些污渍即可，这个焊接方法对装配的要求也不高。

（二）铝合金的激光焊接

与传统焊接工艺相比，铝及铝合金激光焊接技术这项新技术具有功能强、非常可靠以及稳定、效率高等优点。激光焊接较好的应用是在对铝合金进行热处理这一方面，这是因为激光焊接具有功率密度大、热输入总量低、热影响区孝焊接变形孝速度高、易于工业自动化等优点。激光焊接可以加快加工速度而且大大降低热输入，这样提高了工厂车间的效率，优化了质量。在焊接时，传统的焊接方法几乎没有成功的例子单道焊透高强度大厚度铝合金，而激光熔焊时在铝合金表面形成大深度的匙孔，使铝合金发生匙孔效应，这样就可以实现单道焊透高强度大厚度铝合金。

该技术有以下优点:

1.因为激光焊接的冷却速度高从而得到了微细焊缝组织，这使得其接头性能良好;

2.激光焊与接触焊相比，不使用阴阳的电极，大大减少了工作的时间成本以及金钱成本;

3.不需要在真空的环境下进行焊接（如电子束焊），可选择环境保护气体如氮气等，还可以自行选择焊接压力，电磁的变化不会影响合金被焊接的形状;

4.可以焊接密闭透明物体的内部金属材料;

5.可用光导纤维进行激光的远距离传输，如果搭配使用上计算机的程序和自动化操控的机械手，就可以实现自动化与精密控制实时的焊接过程。

（三）铝合金的电子束焊接

电子束焊接是指利用高速电子流轰击工件接缝处产生的热能来让被焊金属熔合的一种焊接方法，当然所有的操作都必须在真空环境下。电子束一般用来作为焊接热源，它功率密度高，保护效果好，穿透力强，还具有精确、快速、容易控制的特点。用铝合金电子束进行焊接，高能量密度可以大大减少热影响区，提高焊接接头的强度，并减少热裂纹等缺陷的发生。

电子束焊单位体积内的包含的能量比传统的电弧焊接铝合金高大约三到四个数量级，与激光焊接相当。因此热对这个焊接接头的影响的区域很小，这样焊接的接头韧性强度相比较于传统焊接方法也优秀很多。因为电子束对物体穿透可以穿透成功，所以可对厚度较大的铝合金进行电子束施焊，这样焊好的接头力学性能正常甚至优秀。

电子束焊时铝合金对电子束流的一点变化都不能大意，电子束流小时不能焊透合金板，大时合金板产生下塌并且出现凹坑。另外一个很难突破的地方就是铝合金电子束焊接会产生气孔。铝合金表层有一层致密的氧化膜，这个氧化膜的主要成分是三氧化二铝和氧化镁，这两个物质都容易吸收大量的水分，这是铝合金焊缝中出现气孔的主要原因。

结语

铝合金焊接由于其多种优点被运用到了多种制造领域，提高了材料的制作速度和质量。但各种技术同样存在不同的缺陷，容易产生焊接失败等问题。相信在科学家们的不懈努力下，铝合金焊接技术将会越来越成熟，应用越来越广泛。

参考文献

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[2]彭华文.高速动车组牵引逆变器铝合金屏柜焊接工艺[J].电焊机，2013

[3]M.B.D.Ellis，武红林.铝合金及铝基复合材料的固体焊接[J].轻金属，2015