铝合金焊接技术现状研究

铝合金焊接技术现状研究

王壮壮 王勇

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛， 266111

摘要：铝合金作为一种重要的有色金属结构件，在汽车工程，高铁，造船，航空航天，体育用品，日用品等领域得到了广泛的使用。铝合金的焊接过程比较复杂，其使用范围比钢铁等常规结构材料要小一些。但因其较小的密度，较高的强度、良好的塑性、导电、导热、耐腐蚀等性能，使其应用范围不断扩大。近几年来，由于科技的飞速发展，各种新的焊接方法层出不穷，铝合金的焊接技术也有了很大的发展。本文对铝合金焊接技术现状进行了研究，为其更广泛的应用提供借鉴。

关键词：铝合金；焊接技术；现状研究

1铝合金常见焊接技术

1.1电弧焊

铝合金电弧焊具有易于操作、低成本、方便推广等优点，两种最常见的方法是钨极惰性气体焊接和金属惰性气体焊接。

①钨极惰性气体焊接：钨极惰性气体焊接是常用的一种焊接工艺，它具有良好的力学性能。在焊接过程中，以工件自身为正极，钨极为负极，以直流电弧为热源。具有10-15V的操作电压和150A的操作电流。钨极在氨气、氙气等气体的保护下，通过电弧的作用，实现了对被测对象的熔融和混合，从而实现了对被测工件表面的氧化物的自动清除。从而保证了铝合金的焊接质量，且不会对工件的表面造成损伤。但是，传统的手工电弧焊方法存在着焊接速度慢、生产率低等问题。铝合金钨惰性气体焊接由传统的交流电弧焊向可变极化方向发展，并逐步发展出各种不同类型的弧焊形式，例如交流钨极氩弧焊、氩弧电弧焊等，极大地提升了焊接效率及接头综合性能。

②金属惰性气体焊接

金属惰性气体保护焊主要包括直流保护、交流保护、脉冲保护和加热保护。热丝钨极氩弧焊是一种具有氢含量低，成本低，效率高，节能，防锈，便于全方位焊接的特点。在此基础上，提出了一种新的焊接方法。比如，对于不同的被焊材料，可采用不同种类的焊丝，以改善焊接质量。欧洲，美国及西方先进国家，各个行业均已开始应用改进的焊接工艺，其中，利用惰性气体电弧焊已经达到了总焊缝数量的70%。

1.2电子束焊

电子束焊是将高能电子束辐照在被焊构件上，并在其内部产生热量，从而实现对焊缝的有效连接。因其撞击面小，热集中，穿透力强，可实现焊缝的熔合。但是，该工艺常需在真空条件下进行，同时也可将气体对焊缝造成的破坏降到最低，可有效解决焊接过程中氧化膜的破坏及透明度问题。因而，电子束焊被广泛地应用于各种工业领域。但该工艺存在诸多不足，如抽吸工艺繁琐、造价昂贵，且受真空室影响大，难以满足实际应用需求。另外，由于电磁环境的影响，会严重影响电子焊接的质量。用电子束焊接铝合金时，容易产生气孔和裂纹等缺陷。首先，铝合金中溶解的某些气体由于受热而溶解度下降。其次，在焊接时，掺入气体将产生受热膨胀现象。采用中、低速、重熔工艺等方法，可以有效地减少焊缝中的气孔缺陷。

1.3搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是将搅拌头置于搅拌摩擦焊机轴上，以较快的速度转动，并将其逐步向下推进，直至被焊接的金属片的接合处。在这种情况下，搅拌头与金属片发生激烈的摩擦，而物料的塑性变形又会引起搅拌头破损区域内金属的升温和软化，从而实现高塑性。搅拌摩擦焊机是一种高效的接头，但搅拌摩擦焊机接头易磨损，焊接效率低下，难以实现复杂构件的焊接。对铝合金的焊接，其连接性能较好，可实现高效的焊接。搅拌摩擦焊机能得到较好的铝合金焊缝。目前，国内外对圆弯件焊接工艺与微观结构、力学性能的关系、金属塑性流动机制、搅拌摩擦机理等方面的研究均存在一定难度。

1.4激光焊

采用激光作为焊接热源，是一种比较先进的新工艺。该技术能够将超高的能量聚集到一个非常微小的范围内，从而以较少的能量消耗实现超高的能量密度。相对于传统的焊接方法，激光聚焦能力强，热源转移能力强，能量利用效率较高。按照熔透准则，可以将其划分为导热焊与深熔透焊两种类型。热传导焊是向被焊金属表面辐射激光。因为激光具有较大的能量，所以当被击中时，金属会产生大量的热能，这些热能会逐步向金属内扩散，从而形成熔融池。随着焊接温度的下降，熔池内多组元的成分将逐步固化，最终形成焊接接头。相对于传统的导热焊，激光深熔焊具有较高的光强，被加热区域的金属快速升温，汽化，并在金属表面形成凹坑和孔洞。熔融的铁水填满了小孔，并在一定时间内冷却，从而形成焊接。用激光进行焊接，其力学性能一般较好。同时，该方法的优点是，焊缝宽度小，变形小，热影响区小。

2铝合金焊接时存在的问题

在铝合金的焊接过程中，其主要原料为母材、焊丝。这一工艺对生产、贮存、使用时需添加大量助剂，严重制约了其应用。采用铝合金焊接时，必须严格排除粉尘及其它杂质对焊缝的污染。室内温度不低于5℃，相对湿度不高于70%。另外，为了得到较好的效果，还需要在铝合金焊接工艺中采用惰性气体保护。目前，铝合金的焊接工艺仍有很多问题需要解决。如采用铝合金工艺进行焊缝的快速冷却，会使焊缝中的气体不易析出和形成气泡，严重影响了焊缝的质量。当原料中含有低熔点金属时，极易发生自燃现象，从而对最终产品的质量产生不利影响。目前，对这些问题的研究仍是一个热门课题。

由于铝合金化学性质活泼，容易氧化，热膨胀系数大，因此，其焊接时面临如下问题：①氧化：铝合金极易氧化生成氧化铝。铝具有2054℃的熔点，比铝合金高得多。氧化铝的实际密度是3.973克/厘米，比铝合金自身的实际密度大。但由于铝合金和其它杂质元素的影响，在焊接时极易形成夹杂物，使其力学性能下降。②焊接变形：由于铝合金弹性模量低，导热系数高，热膨胀系数大，焊接时产生较大的变形应力，因此需要对其进行合理设计。焊接过程中，焊缝会受到变形应力的影响，产生横向、纵向、波浪形、弯曲和扭转等变形。③粗晶：由于铝合金导热系数高，焊接区及热影响区金属在焊接时会吸收大量热，使其晶粒长大，形成粗晶组织。④气孔：因为电弧柱区的保护气不够严密，导致保护气中含有少量的湿气，熔池内的金属会吸附周围空气中的氢，从而产生氢泡。未及时逸出的氢滞留于焊接部位，产生了氢空位。⑤裂纹：焊接区及焊接区附近的低熔共晶组织，在高温下易于熔融，熔融后在晶界及亚晶界残留裂纹。⑥接头软化：铝合金焊接时，熔化的金属在熔池处迅速冷却，容易凝固。经过固化，得到了固溶及非平衡共晶相。当冷却速度继续增加时，在界面上会出现网络状共晶结构，从而使连接强度、塑性下降，从而引起接头的软化。⑦熔接塌缩：熔铝液的表面张力很低，所以不能很好地夹持熔池，造成熔接塌缩。

3结语

综上所述，虽然铝合金焊接工艺复杂，加工难度大，但由于其在民用领域的重要地位和广泛的应用前景，使其在航空等领域的应用具有广阔的发展前景。在21世纪，对焊接工艺的要求越来越高。为此，需要综合考虑成本、方法先进性以及焊接效率等因素，对铝合金焊接过程中的孔洞、裂纹进行有效的控制，从而获得高质量的焊缝。

参考文献：

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