浅析铝合金焊接新技术

浅析铝合金焊接新技术

孙英龙

广州松兴电气股份有限公司

摘要：铝合金焊接时存在许多问题——表面易氧化、易产生气孔和裂纹等。随着现代电子技术的发展，许多新型焊接电源和一些新型工业手段得到应用，大大促进了铝合金焊接技术的发展。通过对铝合金的焊接特点分析，描述了目前针对铝合金焊接的先进工艺：TIG焊、MIG焊、电子束焊、激光焊、激光电弧焊、搅拌摩擦焊等，并对这几种技术的优点、特点进行分析。

关键词：铝合金；焊接技术；搅拌摩擦焊；激光焊；电子束焊

引言

随着科学技术的蓬勃发展，铝合金焊接技术有很大程度的进步，弥补了传统焊接技术的不足，使得铝合金焊接方式更多、焊接质量更加好。铝合金焊接技术在航空航天、交通工具、机械制造等领域得到了广泛应用。同时，铝合金的很多焊接缺陷也暴露出来，并带来了严重的后果，因此提高其焊接性能、保证焊接质量具有极其重要的意义。

1铝合金的焊接性分析

1.1铝合金的优点

铝合金的密度低，经热处理强化后，其强度会大大增强，特别适合用于轻质钢结构。铝合金为面心立方晶体结构，在温度降低时，不发生脆性转变，其强度、韧性、延性有所提高。铝合金的工艺性良好，易于扎压、挤压、冲压等，适于制成各种截面形状的铝材和各种形状的型材。

1.2铝合金的焊接难点

①焊接接头软化严重，强度系数低；

②表面易产生难熔的氧化膜（A1203熔点为2060℃）；

③焊接时容易产生气孔；

④焊接易放生热裂纹；

⑤线膨胀系数大，易产生焊按变形；

⑥热导率大（约为钢的4倍）；

2铝合金的焊接方法

2.1铝合金TIG焊

TIG焊是以钨棒作为一个电极，以焊件为另一个电极，用氩气作

为保护气体进行电弧焊接的方法，其特点为：（1）钨极电弧较为稳定，即使是小电流，电弧仍可保持稳定，特别适合铝合金薄板的焊接。（2）交流TIG焊时，利用其阴极处理作用，能够很好地破坏和清除合金表面的氧化膜，促进其焊接性。（3）氩气作为保护气体，能够有效隔绝周围的空气，保护好熔池及其母材的热影响区，而且其本身不与任何金属发生反应。随着现代电子技术的进步，TIG焊的焊机及其电源不断地改进和完善，其电弧表现得更加柔和、安静，焊接质量越来越高。TIG焊将会在中小厚度的铝合金结构的焊接中扮演重要的角色。

2.2铝合金MIG焊

MIG焊是以连续送进的焊丝作为焊接时的电极，以惰性气体作为保护气体进行的焊接方法。MIG焊的特点：（1）可焊接的铝材范围较广，而且成本相对较低，生产率高。对于普通的MIG焊，可以使用粗焊丝进行大厚度板的焊接，而脉冲MIG焊则能实现其他方法不能实现的超薄板的焊接。（2）焊接位置全面，容易实现自动化。MIG焊可调参数多，可以不断改变过渡形式，从而实现全位置焊接。因此，适合自动化焊接。在铝合金的焊接应用中，MIG焊因其特点已经广泛地推广应用于各个部门，尤其是在大厚度铝合金结构中。随着微点控制技术的）发展，MIG焊的发展应用又有了广阔的前景。

2.3搅拌摩擦焊（FSW）

摩擦搅拌焊不同于以上铝合金焊接技术，其属于固相焊接方法，摩擦搅拌焊具有巨大优势，能提高铝合金焊接质量。

1）基本原理

摩擦搅拌焊之所以能够具有巨大的优势，其良好的进行铝合金焊接，主要在于摩擦搅拌焊的工作原理。铝合金的摩擦搅拌焊可以很好地促进焊接接头质量的提高，摩擦搅拌焊接伸入母材的特型焊针和紧压母材的轴肩，同时快速旋转，产生大量的摩擦热，那么，特型焊针周围将形成大量的塑化层，此时移动工件，焊针侧面和旋转方向上会产生机械搅拌和顶锻作用，焊针前的塑化材料移送其后方，搅拌头的对面接头表面摩擦加热、加压，最终可以达到塑性的状态，进而冷冻，形成焊缝。

2）摩擦搅拌焊优势

摩擦搅拌焊具有如下优势：

①焊接头综合力学性能好。摩擦搅拌焊在焊接铝合金的过程中，不需要熔化铝合金，以往的铝合金容易出现气泡或裂纹等情况，采用该工艺进行焊接可以在低于铝合金熔点的温度之下完成焊接过程，同时摩擦搅拌焊焊接会发挥机械搅拌作用。焊后产生的残余应力小。摩擦搅拌焊的焊接温度较低，焊后铝合金结构变形及残余应力较小，能够保证焊接原件的物理形态。

②适用范围较广。基于摩擦搅拌焊的工作原理，可以确定此种方法的应用，除了可以很好的焊接铝合金之外，还能对热裂纹敏感材料予以焊接。所以，理论上来说，摩擦搅拌焊的应用范围是非常广的。

③焊接成本较低。虽然摩擦搅拌焊的前期投入成本较多的，但是在其生产应用的过程中，所消耗的成本就少。因为摩擦搅拌焊不需要焊丝、对接头表面要求较低及焊缝质量较好等，使清洁费用、返修费用等也减少，节约了大量的人力与物力。

2.4激光焊接（LBW）

与传统焊接工艺相比，铝合金激光焊接技术具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。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。

铝合金激光焊接技术是近年来发展起来的一项新技术。它是以高能量密度的激光作为加热热源，对金属需焊接部位进行加热使其熔化形成焊接接头。其优点是：能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝；冷却速度快、焊缝组织微细，故焊接接头性能良好；焊接速度快、功能多、适应性强、可靠性高，且不需要真空装置；可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接；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。

铝合金激光焊接难点：在于其对辐射能的吸收很弱，对C02激光束（渡长为10.6um）表面初始吸收率1.7%；对YAG激光束（波长1.06um）吸收率接近5%。

2.5激光电弧焊

激光电弧焊是在激光焊的基础上，复合了电弧作为辅助能源，通过激光和电弧的相互影响，克服了每一种方法自身的不足，产生了良好的焊接特性。

激光电弧焊的特点：

（1）有效利用了激光的能量。先用电弧将母材熔化，大大降低了金属表面对激光的反射，提高了母材对激光的吸收率，降低了能量的损失。

（2）稳定电弧。只有电弧时，电弧表现得不稳定，随着速度的提高，电弧的漂移将严重影响焊接质量。而激光产生的等离子体与电弧相互作用促进了电弧的稳定，提高了焊接质量，避免了速度过快时的缺陷。

随着科技的发展，人们对材料性能要求越来越高，对加工精度要求日益严格。同时人们对工作环境要求越来越高，传统的焊接方法已经难以满足这些要求。激光电弧焊在提供给人们一个好的工作环境的同时，兼备了电弧和激光的优点，以及它们复合后产生的新的特性，完全可以满足人们的要求。

2.6电子束焊

电子束焊也是现代铝合金焊接技术的一种，其在航天航空、汽车制造等多个领域中应用。电了束焊接是指在真空环境中。使用会聚的高速电子流轰击焊件连接部位，使需焊接部位产生热能，从而使焊金属融合的一种焊接方法。其突出特点是功率密度高、穿透力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金使用电子束焊接方法，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。电子束焊之所以具有良好的应用性，主要是在高电压作用下，电子被加速到1/2～2/3光速，电子流集中轰击焊件表面，焊件表面必然会被高温融化，且金属蒸汽量增多，如此产生小孔效应，加深加宽焊缝。由此可以说明，电子束焊的关键是电子流的应用，电子流直接作用在铝合金表面，达到有效焊接铝合金的目的。基于目前电子束焊的应用，可以确定，相较于传统铝合金焊接技术来说，电子束焊铝合金具有多种优点，具体表现为：其一，在强大的电子束流作用下，铝合金的焊缝又深又宽，有利于提高铝合金焊接效果。其二，电子束焊在应用的过程中，电子束被加速到二分之一或三分之二光速，如此可以使焊接速度大大提升，且展现良好的焊接物理性。

3结束语

铝合金是一种新型材料，它具有密度低、耐腐蚀性强、机械轻度高等优点，而焊接技术也在不断的进步，现代铝合金焊接技术，如激光焊、电子束焊等，比传统铝合金焊接技术更具优势，将其科学、合理的应用，可以大大提高铝合金的应用范围，使铝合金在航空航天、汽车制造、医疗器械制造、轮船生产等多个领域发挥作用。同时，新兴的摩擦搅拌焊也显示出巨大的优势，随着相关研究不断深入，摩擦搅拌焊会有更加广泛的应用。

参考文献：

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