浅析铝合金焊接新技术

浅析铝合金焊接新技术

韩帅

东北轻合金有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市150060

摘要：研究表明，铝合金的特殊结构使它的耐蚀性和耐腐蚀性得到极佳的发挥。它的密度极小，熔点极低，热传导率极佳，热膨胀率极高，还拥有极强的化学稳定性，容易被氧化，而氧化物的熔点也极为可观。因此，在制造和应用铝合金的过程中，几种最新的焊接技术都发挥着重要作用，为改善它的耐蚀特性和耐腐蚀性。

关键词:铝合金;焊接;新技术

1.铝合金的焊接特点与难点

由于具有较小的体积、较大的抗拉强度、良好的抗腐蚀、不含磁性、优异的塑型和良好的冷却稳定性，铝合金已经得到了普遍的使用，并且在许多领域都有着巨大的潜力。

a.由于Al2O3的熔点高达2050℃，因此在铝合金表面形成的难以溶解的氧化膜是不可避免的，因此必须使用高效的高能量密集的焊接技术。

b.由于铝合金焊接接头的脆性和较低的强度，使得它们在实际中的使用受到了很大的限制。

c.铝合金焊接易产生热裂纹。

d.铝合金焊接易产生气孔。

e.线膨胀系数大,易产生焊接变形。

f.由于其高的热导率（约为钢的4倍），在保持一定的焊接速度的情况下，铝合金的热传递量要高出焊接钢的2―4倍。

2.铝合金的焊接新技术

2.1钨极氩弧焊(TIG)

TIG焊是一种高效、安全的焊接技术，它通过使用惰性气体来保护焊接部位，并通过钨极与工件之间的电弧热熔来实现。这种技术可以有效地防止焊接过程中的损伤，并且可以提高焊接质量。钨极氩弧焊是一种常见的焊接方法，它通常使用氩气来提供保护。

TIG焊技术已成为当今最常见的焊接铝合金的方式，其中，交流反极性TIG焊技术的效果最为出色，尤其是对于板厚小于2.4mm的铝合金，其优异的焊接质量更是不言而喻。

通过使用TIG技术，可以实现一次性的极性转变，从而同时具有正极性法与逆极性法的优势。然而，由于tig技术需要100次极性转变，以及正极性与逆极性之间的不同，这就会带来一些挑战，例如，极性转变失败会使tig技术失效，以及焊接回路会产生直流分量。因此，为了确保焊接工艺的顺利完成[1]，我们需要制订合理的方案。

(1)过零点复燃及稳弧措施

TIG焊技术中，最常见的稳弧技术就是利用脉冲稳弧器，它可以将交流电流从零点迅速转换为1500V以上的稳定电压，从而有效地抑制弧的产生，从而达到稳弧的目的，稳弧的效率也很高。

(2)焊接回路中的支流分量及消除

当采用交流TIG焊接技术进行加固作业时，因为电极与工件的电、热物理性质、形状、位置等因素的变化，会导致电弧的正、负半周发生变化，从而产生不同的结果，如图1.1a所示。随着两者的热、电物理性质的变化，这一变化会变得更加明显，尤其是当采用tig焊接铝及其合金的情况下。电流的不平衡表明，"阴极破碎"的效果受到了影响，这种情况可以通过将交流电流与直流电流叠加起来来实现。这种叠加的方式可以降低"阴极破碎"的效果，并导致焊接变压器的运行状态下降，从而导致其过载或损坏。为了确保焊接质量，我们需要对电源的电压进行有效的控制和抑制。

2.2激光焊(LBW)

激光焊是一种高效、精确的焊接技术，它利用激光器发出的高强度激光，经过精确的聚焦，将光束聚集成一个个微小的光斑，然后将这些光斑对准被焊接的工件，将光能转换为热能，最终实现金属的熔化，形成一个完美的焊接接头。

尽管采用激光焊接工艺可以获得良好的结果，但其也会受到一定的影响，比如昂贵的机械造价、极低的接口精确度、苛刻的工装操作流程以及其他一些不利因素。因此，Sub-I开发出了一项新的工艺镭射-电极综合焊接工艺。通过将镭射、TIG、MIG、等离子体技术结合起来，形成了镭射-电极焊工艺。这种工艺目前被广泛地运用于德国、日本等国，尤其是汽车行业，例如大众集团的Phaeton前门，其表面焊缝数量高达48处，此外，这种工艺也被广泛地用于连接车身、车轮、车架等部件。然而，中国对这项科技的R&D与实际运用仍然相当落后[5]。

通过采用铝合金激光-电弧复合技术，可有效地提高激光焊接的效果，同时降低铝合金材料的热敏性，并且可控制深熔焊的温度，这种技术有着巨大的发展潜力，但目前仍然有待进行更多的技术改进和实践。

2.3搅拌摩擦焊(FSW)

采用搅拌摩擦技术，将一根锥形指棒插入到工件的焊缝中，并利用搅拌头的快速运动，将它们之间的热量传递给被焊接的物体，以达到加热和冷却的目的，最终实现了良好的焊接效果。

与传统的摩擦焊相比,FSW焊具有以下优点:

a.通过不断的实践和学习，可以达到极高的焊接质量。

b.焊接部位应当经过彻底的清洁和润滑，而不必进行任何打磨或清洗。

c.采用无焊丝和保护气氛的技术，可以大大降低能耗，单次焊接12.5mm深度所需的动力仅为3kW。

d.焊接表面光滑、无裂纹、无焊缝凹陷、无焊渣，完全可以放心使用。

e.完全没有任何电气污染，如电弧、磁场、灯光、辐射、烟气或气体，完全符合环境友好的标准。

f.当焊接温度降至合金的熔点以下时，焊缝完好无损，没有任何裂纹或元素烧伤。

FSW技术是一种革命性的连接方式，它不仅可以替代传统的熔焊，还可以避免填丝、弧光、飞溅、焊前热处理和气体保护等问题，因此在各行各业中都有着广泛的应用。

搅拌摩擦焊已经在铝合金上实现了规模化工业应用，国内外许多学者针对不同铝合金进行了一系列的搅拌摩擦焊工艺研究、接头微观组织、接头耐蚀性能及力学性能研究。

赵衍华[10]等人研究了2014铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的微观组织及力学性能，研究结果表明，采用搅拌摩擦焊方法成功实现了2014铝合金的连接，焊核区的组织与母材相比，晶粒得到了细化，接头强度可达到母材的78%，抗弯强度达到母材的76%，显示出了良好的机械性能。

作为革命性的绿色焊接技术，搅拌摩擦焊技术的出现对铝合金连接技术的发展产生了巨大的冲击和推动。该技术可以取代传统的电阻电焊和铆焊，在国际上已经成功应用于航空航天、船舶、高速列车制造等领域。随着焊接设备和搅拌头的发展，可应用FSW连接的材料会更加广泛，同时可优化接头性能，降低生产成本，而且可以很容易地实现自动化生产。

3.总  结

铝合金焊接技术作为铝合金在工业领域中扩大应用的关键技术之一，必然会得到进一步的发展。本文综述了铝合金TIG焊、LBW焊及FSW焊焊接的方法及各自的特点，有的方法已经在实际应用中得到了大量应用，有的则是在实验研究阶段，有待进一步开发和研究。

参考文献

[1]王正科.铝合金汽车轻量化及其焊接新技术[J].内燃机与配件,2021(01):102-103.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2021.01.047.

[2]张文明,刘茂增,柏久阳.铝合金焊接新技术[J].电焊机,2013,43(09):78-80.

[3]左敦桂,李芳,华学明,吴毅雄.铝合金焊接新技术在汽车制造中的应用[J].电焊机,2007(07):1-5+40.

[4]王威, 高强铝合金焊接新技术研究. 黑龙江省,机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,2007-01-01.

[5]王元良,周友龙,胡久富. 铝合金载运工具轻量化及其焊接新技术的发展[C]//中西南十省区（市）焊接学会联合会,贵州省机械工程学会.中西南十省区（市）焊接学会联合会第九届年会论文集.中西南十省区（市）焊接学会联合会第九届年会论文集,2006:114-117.