鋁合金焊接研究現(xiàn)狀

張瑞英

（河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018）

1 鋁合金的分類及其焊接性

鋁合金根據(jù)所含主要合金成分的不同，分為8個(gè)系。1系是含Al≧99.0%的純鋁，2系是Cu，3系是Mn，4系是Si，5系 是 Mg，6系 是 Mg-Si，7系 是Zn，8系是其他合金。鋁合金根據(jù)加工方式的不同分為鍛造鋁合金和鑄造鋁合金。根據(jù)鋁合金是否可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，分為可熱處理強(qiáng)化鋁合金和非熱處理強(qiáng)化鋁合金。純鋁熔點(diǎn)約660℃，而焊接用鋁合金熔點(diǎn)是560～650℃，具有較高導(dǎo)熱性，焊接時(shí)要用能量集中的大功率熱源。焊接過程中熔池沒有金屬顏色變化，易造成塌陷。焊接鋁合金時(shí)，易出現(xiàn)氫氣孔，因?yàn)闅湓阡X合金中的溶解度，會(huì)由液態(tài)時(shí)69mL/100g變到0.036mL/100g，使氣體在熔池快速凝固時(shí)來不及溢出而成為氣孔。合金一般有較寬的脆性溫度區(qū)間，線膨脹系數(shù)大，約是低碳鋼的2倍，凝固時(shí)平均收縮率約5%，因此鋁合金焊接中易產(chǎn)生變形和熱裂紋。鋁合金與氧的親和力大，暴露在空氣中表面會(huì)生成一層氧化膜，熔點(diǎn)約2050℃，焊接時(shí)阻礙填充金屬與基體的潤濕，易造成夾渣。對于鍛造鋁合金，焊后易軟化。

2 鋁合金的焊接方法

2.1 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊是目前廣泛應(yīng)用的鋁合金焊接方法，用金屬鎢做電極，惰性氣體為保護(hù)氣，具有設(shè)備簡單、價(jià)格便宜、成型好、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。西華大學(xué)的李龍慶等人，采用普通的交流TIG焊和隨TIG焊旋轉(zhuǎn)擠壓的方法焊接2A12鋁合金薄板，發(fā)現(xiàn)隨TIG焊旋轉(zhuǎn)擠壓法對變形和氣孔有更好的控制效果，而且焊縫的組織晶粒要細(xì)小均勻得多，有效提高接頭的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)中試樣均斷裂在焊縫區(qū)，而且隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓法的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比普通的TIG焊高出20%。印度的S. BABU等人，采用脈沖TIG焊技術(shù)焊接AA6061鋁合金，得到了更細(xì)小的熔合區(qū)晶粒和更高強(qiáng)度的接頭。研究發(fā)現(xiàn)，焊接參數(shù)中峰值電流和基值電流是最重要參數(shù)，決定熔合區(qū)的晶粒尺寸AA6061鋁合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

2.2 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是上世紀(jì)90年代被英國的焊接研究所研發(fā)的，由于其屬于固相焊接，能有效克服熔化焊帶來的缺陷，在鋁合金的連接方面越來越受到認(rèn)可。湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院的吳興歡等人，采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接5A02鋁合金板材。以轉(zhuǎn)速800r/min和120mm/min的焊速進(jìn)行焊接，試驗(yàn)得到的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最大，可達(dá)母材的91.21%，而且焊縫中無任何缺陷。法國的Vincent Proton等人，使用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接2050鋁合金，研究其接頭的腐蝕性為。熔核內(nèi)的晶界和晶粒易受腐蝕，腐蝕性為與微觀尺度上的不均勻性有關(guān)，試件上觀察到的宏觀上的不同腐蝕性為是由于從頂部到底部的腐蝕行為不同造成的。

2.3 MIG焊

MIG焊以焊絲作電極，惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行焊接，由于使用焊絲做電極，可以使用大電流，使得母材熔深大，變形比TIG焊小，焊接鋁合金時(shí)采用反接，具有良好的陰極霧化作用。西南交通大學(xué)的江超等人對高速列車用A6005-T6鋁合金進(jìn)行MIG焊試驗(yàn)，研究其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。熱影響區(qū)的沖擊功最大，焊縫的沖擊功最小，通過使用CTOD和J積分兩種方法分析發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)抵抗裂紋擴(kuò)展的能力最好，而焊縫最差。焊縫上的氣孔和夾雜較多，塑性較差，熱影響區(qū)的韌性更加優(yōu)越。上海工程技術(shù)大學(xué)的楊尚磊等人，采用MIG焊技術(shù)焊接A6N01鋁合金，熔合區(qū)為柱狀晶組織而焊縫區(qū)為等軸晶，熱影響區(qū)的過時(shí)效區(qū)晶粒最為粗大，并形成了HAZ軟化區(qū)。母材會(huì)析出短棒狀的β’過渡強(qiáng)化相，熱影響區(qū)會(huì)析出粗大的穩(wěn)定強(qiáng)化相β。焊縫的顯微硬度最低，接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的87%。

2.4 激光焊

鋁及鋁合金的激光焊接是最近十幾年才發(fā)展起來的一種新技術(shù)，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，有功率密度大、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。天津大學(xué)的王小博等人， 以NaCl、ZnCl2等鹵化物為活性劑使用Nd:YAG激光焊接6061鋁合金。鹵化物活性劑能降低激光等離子體的溫度，減少等離子體對激光的散射、折射以及逆韌致吸收，增大透過等離子體照射在試件表面的激光功率密度，增加激光對試件的熱輸入，使焊縫熔深增大，活性劑改變了熔池內(nèi)金屬的流動(dòng)狀態(tài)使熔深進(jìn)一步增大。德國的J. P.Bergmanna等人，通過給脈沖Nd：YAG激光疊加二極管激光器改善了鋁合金激光焊接的焊接性。通過二極管激光器的預(yù)熱增加Nd：YAG焊接激光的吸收率。此外由兩個(gè)激光構(gòu)成的熱循環(huán)模式為凝固提供有利的條件，有效減少或避免熱裂紋。

2.5 激光-電弧復(fù)合焊

用激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢，但仍有設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小等缺點(diǎn)，為有效焊接鋁合金，發(fā)揮激光焊接優(yōu)勢，發(fā)展激光-電弧復(fù)合焊接工藝。合肥工業(yè)大學(xué)的徐曉波等人，使用激光-MIG復(fù)合熱源焊接6061-T6鋁合金。復(fù)合焊接接頭抗拉強(qiáng)度為母材的57%，而焊縫區(qū)域的顯微硬度為母材的65%，看出明顯存在接頭軟化現(xiàn)象。焊縫中的氣孔和接頭軟化等缺陷影響焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。意大利的Alessandro Ascari等人，使用激光-GMA混合熱源焊接28mm的AA608鋁合金板材，研究孔隙度和工藝參數(shù)的關(guān)系。GMAW的電流明顯影響孔隙的形成，但不會(huì)影響電源間距。

[1]鋁及鋁合金焊接工藝研究[Z].