鋁合金材料焊接方法研究進(jìn)展

胡永鵝，龍 瓊，韓興科，何 波，王 堯，楊秀芳

(貴州理工學(xué)院 材料與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

鋁合金在汽車(chē)制造業(yè)上具有其他材料不可替代的功能，因此鋁合金車(chē)體發(fā)展速度非常快。尤其是近些年來(lái)，我國(guó)的鋁合金材料焊接技術(shù)更是發(fā)展迅速，出現(xiàn)了很多新興的焊接技術(shù)，比如：TIG 焊接技術(shù)、CMT 焊接技術(shù)、激光焊接以及摩擦攪拌焊等。 這些新興的焊接技術(shù)，顯示出極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為自動(dòng)化焊接提供了理論基礎(chǔ)。 基于此，本文通過(guò)概述鋁合金CMT 焊、TIG 焊、高能密度焊、等離子弧焊、MIG 焊、摩擦塞補(bǔ)焊及攪拌摩擦焊等幾種焊接技術(shù)，對(duì)鋁合金材料焊接工藝的前景進(jìn)行了展望，并就鋁合金材料焊接工藝，分析了各種焊接工藝特點(diǎn)。

1 鋁合金材料的應(yīng)用

鋁可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、抗蝕性和導(dǎo)熱性，其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于印刷業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)、建筑業(yè)、電子通訊業(yè)、石油化工業(yè)、能源動(dòng)力、包裝容器、機(jī)械電器等行業(yè)[1-3]。 鋁及其合金材料的加工工藝有鑄造、沖壓、鍛造、擠壓以及深加工等。

鋁的耐蝕性能很好，而且強(qiáng)度好。 純鋁的抗拉強(qiáng)度是低碳鋼的五分之一，如果經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化和合金化強(qiáng)化，其強(qiáng)度會(huì)大大增加。 另外，鋁的加工性能好、上色容易且由于本身很輕，安裝就輕便很多。 鋁的熔點(diǎn)低，易于再生。 所以，從節(jié)能、環(huán)保、安全要求的等多方面考慮，鋁及鋁合金材料是很有鍛造價(jià)值的金屬材料。

基于趙云寶等[4]對(duì)鋁合金焊接技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)研究分析，現(xiàn)全球鋁合金焊接技術(shù)已經(jīng)步入技術(shù)成熟期，當(dāng)前鋁合金焊接技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中于TIG 焊接系統(tǒng)、激光焊接自動(dòng)控制、攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、多種材料的復(fù)合焊技術(shù)等焊接技術(shù)。

2 鋁合金的焊接技術(shù)

2.1 TIG 焊接技術(shù)

現(xiàn)今，TIG 焊接技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，通過(guò)TIG 焊薄板焊接技術(shù)能夠使鋁合金材料完美的契合，為鋁合金材料的焊接技術(shù)提供了更多的可能性。

TIG 焊具有適用面廣、焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好、適于薄板焊接、焊接過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。 但TIG 焊也存在抗風(fēng)能力差、焊接過(guò)程不夠穩(wěn)定、容易產(chǎn)生氣孔生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。 王健存等[5]用TIG 焊焊接LD10 鋁合金時(shí)，在焊接過(guò)程中加入活性劑，結(jié)果表明活性劑不但可以改善焊接接頭氣孔現(xiàn)象，而且可以細(xì)化晶粒。 通過(guò)利用活性焊絲對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接，同樣可以改善TIG 在焊接過(guò)程中存在的缺陷。 謝佳成等[6]利用活性涂層焊絲和活性藥芯焊絲對(duì)鋁合金進(jìn)行了活性鎢極氬弧焊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改善了傳統(tǒng)活性焊接中活性劑涂敷不均勻的缺陷，而且焊縫表面成形良好，熔深增加明顯。

TIG 焊的主要用于焊接薄的和中等厚度的鋁材料工件。 TIG 焊接在動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體焊接中的應(yīng)用以鋁合金薄板的手工焊接為主，惰性保護(hù)氣體通常為純氬氣，其焊接質(zhì)量較高，能夠很好的滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組車(chē)體的裝配精度要求。

2.2 高能密度焊

高能密度焊主要應(yīng)用于新型設(shè)備的研制、設(shè)備的智能化以及加工的柔性化、束流品質(zhì)的提高及診斷、新材料的焊接等。 激光焊、電子束焊接、等離子弧焊等都是屬于高能密度焊。

2.2.1 激光焊

激光在很多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在鋁合金焊接領(lǐng)域中。 Genchen Peng 等[7]對(duì)35 mm 厚的5A06 鋁合金在不同環(huán)境壓力下進(jìn)行了一系列的圓盤(pán)激光焊接實(shí)驗(yàn)，得出了激光焊接過(guò)程中環(huán)境壓力應(yīng)限制在小于102 Pa，使獲得高的焊接質(zhì)量。 激光焊焊接鋁及其合金時(shí)，特別是在熱處理過(guò)程，必須考慮缺陷存在的可能性，Viscusi 等[8]研究并探討了克服這些缺陷的可能性。 激光焊與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，具有很顯著的優(yōu)勢(shì)，如變形小、熱影響范圍小、生產(chǎn)效率高、接頭損傷輕、熱輸入低等[9]。

激光焊焊縫深寬比相對(duì)于傳統(tǒng)的方式比較大、熱影響區(qū)變得比較窄、焊接速度快、焊接變形非常小、能量密度也非常大。 但是想要獲得良好的成型效果和優(yōu)質(zhì)的焊縫，適合的焊接參數(shù)尤為重要。 張亦弛等[10]針對(duì)5052 鋁合金薄板的脈沖激光焊焊接參數(shù)進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，離焦量為-2.5 mm、焊接速度270 mm/min、脈沖頻率18 Hz 的焊接參數(shù)下能獲得表面成型良好，并有一定熔深的優(yōu)質(zhì)焊縫。

2.2.2 電子束焊

電子束焊指利用在高真空環(huán)境中會(huì)聚高功率密度的電子束轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接[11]，是金屬加熱、熔合，形成焊縫的一種焊接方法，其焊接過(guò)程在真空下進(jìn)行，因?yàn)樵谡婵罩锌梢员苊饪諝鈱?duì)焊縫成形的影響[12]。 電子束焊接過(guò)程中的溫度測(cè)量是一項(xiàng)困難的工作，基于此，Lord Jaykishan Nayak 等[13]對(duì)高能高速電子束焊接中熱電偶的響應(yīng)滯后進(jìn)行了估算，對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行了修正，驗(yàn)證并報(bào)告了能量輸入和焊接速度對(duì)瞬態(tài)溫度演化的影響。

電子束焊的盡管加熱功率密度大、焊縫深度比大、適應(yīng)性強(qiáng)。 但其也有一定的限制條件，電子束焊進(jìn)行焊接時(shí)的設(shè)備較復(fù)雜，不易操作。 進(jìn)行焊接的工件在尺寸和形狀上也受限制，且進(jìn)行焊接前要求電子束焊工件焊前去磁處理，防止有磁偏移從而影響焊接效果。

2.2.3 等離子弧焊

等離子弧焊是新型高效的焊接方法[14]，其具有生產(chǎn)率高，焊接效率高、成本低、焊縫質(zhì)量好、焊接速度快、應(yīng)力變形小等特點(diǎn)。 春蘭等[15]以3003 鋁合金為試驗(yàn)對(duì)象，采用脈沖等離子弧焊接方法，對(duì)其進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并對(duì)鋁合金的焊接質(zhì)量和接頭性能進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該焊接系統(tǒng)進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了良好的焊縫成形。

鋁及鋁合金進(jìn)行等離子弧焊接時(shí)常采用矩形波交流焊接電源，而且常用氬氣作為保護(hù)氣體。 對(duì)于純鋁和防銹鋁，采用等離子弧焊，其焊接效果好。 在微束等離子弧焊接過(guò)程中，電弧光輻射存在三個(gè)明顯差異的區(qū)域，電弧三區(qū)的光輻射和尺寸的變化主要是在低頻時(shí)脈沖電流值的瞬時(shí)變化[16]。

2.3 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊同人工綁扎相比較，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約勞動(dòng)力、降低成本等優(yōu)點(diǎn)。 但由于焊接大電流的作用，焊縫中常會(huì)出現(xiàn)缺陷和焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。 為改善電阻點(diǎn)焊對(duì)鋁合金連接不穩(wěn)定的缺陷，初明明等[17]對(duì)5052 鋁合金壓印-電阻點(diǎn)焊復(fù)合連接的可行性進(jìn)行了探究性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓印-電阻點(diǎn)焊復(fù)合連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5052 鋁合金接頭的有效連接，而且接頭的形貌可以利用超聲C 掃描進(jìn)行檢測(cè)。

電阻點(diǎn)焊接頭熔核尺寸和抗剪力的影響因素有很多，王楠楠等[18]以AlSi12 為中間層對(duì)A6061 鋁合金與Q235 低碳鋼進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊，研究了焊接電流、焊接時(shí)間與電極壓力對(duì)接頭熔核尺寸和抗剪力的影響，結(jié)果表明，接頭熔核直徑和抗剪力隨焊接電流和焊接時(shí)間的增加而增加，而且會(huì)隨電極壓力的增大而降低。 與純鋁相比，鋁合金的塑性變形溫度區(qū)窄，線膨脹率大，伸長(zhǎng)率小，因此需精確控制焊接參數(shù)才能避免裂紋和縮孔。 經(jīng)Umair Shah 等[19]研究將高頻超聲振動(dòng)有效地集成到電阻點(diǎn)焊工藝中，與傳統(tǒng)的電阻焊相比，強(qiáng)度和破壞位移都有所提高，而且有效的去除了裂紋。 電阻點(diǎn)焊和其他焊接方式也有所聯(lián)系，張?jiān)卢摰萚20]研究了SUS301L 奧氏體不銹鋼與6063-T6 鋁合金異種金屬電阻點(diǎn)焊接頭的顯微組織特征及電極形貌的影響，結(jié)果顯示，奧氏體不銹鋼與鋁合金異種材料的焊接接頭具有焊接釬焊的特點(diǎn)。

2.4 攪拌摩擦焊

張璐霞等[21]針對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了攪拌摩擦焊在鋁及鋁合金材料中的應(yīng)用，并且闡述了鋁合金材料和其他金屬及其合金的攪拌摩擦焊接技術(shù)。

攪拌摩擦焊焊接效果受其焊接參數(shù)的影響。Wu Tingke 等[22]建立了攪拌摩擦焊的有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究了攪拌摩擦焊接過(guò)程中材料的流動(dòng)規(guī)律，分析攪拌摩擦焊焊接缺陷的形成，優(yōu)化了其焊接參數(shù)。

攪拌摩擦焊的焊接過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染很小，主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如鋁、銅等合金材料。 攪拌頭的材料選擇會(huì)影響焊接效果。 He Ma 等[23]研究了間隙變化對(duì)2A14-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量和熱機(jī)械性能的影響。 研究表明當(dāng)間隙超過(guò)0.8 mm 時(shí)，刀具傳遞的材料不會(huì)完全填滿(mǎn)銷(xiāo)向前運(yùn)動(dòng)形成空腔。

鋁合金材料焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔，這就需要一種新的焊接技術(shù)來(lái)修補(bǔ)鋁合金材料的焊接缺陷，而摩擦塞補(bǔ)焊就是這一種焊接技術(shù)。 Bo Du等[24]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了AA2219 鋁合金通過(guò)摩擦塞焊焊接時(shí)，較高的焊接力和轉(zhuǎn)速可以促進(jìn)材料流動(dòng)，提高界面法向力，有利于獲得較好的連接。 劉凱旋等[25]對(duì)2219-T87 鋁合金攪拌摩擦焊縫進(jìn)行摩擦塞補(bǔ)焊工藝試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在7 500 r/min 的焊接轉(zhuǎn)速和40～55 kN 的焊接壓力下可獲得無(wú)缺陷摩擦塞補(bǔ)焊接頭。 攪拌摩擦點(diǎn)焊也有很高的應(yīng)用價(jià)值和研究意義，它是在攪拌摩擦焊接基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)的一種創(chuàng)新的焊接技術(shù)[26]。

2.5 MIG 焊接技術(shù)

MIG 焊在焊接過(guò)程中，電弧穩(wěn)定，氧化性弱，適合焊接鋁、銅、鈦等有色金屬。 雷振等[27]采用激光-MIG 復(fù)合焊和MIG 焊分別對(duì)高速列車(chē)A6N01S-T5 鋁合金型材進(jìn)行了焊接研究。 并對(duì)焊縫外觀、焊接變形、接頭力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行了分析。 試驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光-MIG 復(fù)合焊可實(shí)現(xiàn)型材的高效焊接。

MIG 焊接技術(shù)與埋弧焊和手工電弧焊相比，焊接成本低、焊縫抗裂性能高、焊后變形較小、生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。 胡秀華等[28]利用MIG 焊和攪拌摩擦焊對(duì)20 mm 厚的新型鋁合金進(jìn)行焊接，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比兩種焊接形式對(duì)焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示：MIG焊和攪拌摩擦焊斷口都位于焊縫處，且都屬于韌性斷裂，第二相粒子或強(qiáng)化相粒子分布于韌窩中，成為韌性斷裂的微孔源，斷口表面分布著許多撕裂棱。

對(duì)于傳統(tǒng)的MIG 焊，鋁合金焊接時(shí)電弧穩(wěn)定性較差，而且容易產(chǎn)生燒穿和熔池下榻等缺陷，使得焊接效率降低。 所以若用雙脈沖MIG 焊接鋁合金材料，可通過(guò)改變其焊接電流波形參數(shù)來(lái)獲得成形優(yōu)良的焊縫，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MIG 焊接技術(shù)在工藝上的一些缺陷。 但雙脈沖MIG 焊接設(shè)備在整體性能仍需要提升，基于此，鐘啟明等[29]研制新型雙脈沖MIG 焊接電源，結(jié)果顯示該焊接電源可以使得最終焊縫成形良好，魚(yú)鱗紋清晰，無(wú)明顯缺陷。

2.6 CMT 焊接技術(shù)

CMT 焊接作為一種添加劑制造方法，已在汽車(chē)工業(yè)、國(guó)防部門(mén)和發(fā)電廠得到應(yīng)用[30]。 CMT焊接技術(shù)具有熱輸人量小、電弧更穩(wěn)定、焊接變形小、焊縫均勻一致等優(yōu)點(diǎn)。 但是因?yàn)闊彷斎氲停癜宀蝗菀缀竿?，從而?dǎo)致效率比較低。 劉曉莉等[31]針對(duì)5083 鋁合金中厚板拼板，研究如何運(yùn)用雙絲CMT 焊接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，確定最佳過(guò)渡模式及工藝參數(shù)范圍。 張楠楠等[32]用CMT 焊接方法進(jìn)行鋼鋁薄板的搭接實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了焊接參數(shù)對(duì)焊縫宏觀形貌、力學(xué)性能等的影響，結(jié)果表明利用二氧化碳保護(hù)可以有效促進(jìn)金屬間化合物的生成，使得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、塑性和硬度均有所提高。 CMT 焊在一定程度上優(yōu)異于MIG 焊。 基于此，路浩[33]研究了厚板鋁合金CMT 焊接工藝和脈沖MIG 焊接工藝的區(qū)別，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明CMT 焊接方法可獲得相對(duì)脈沖焊接更加優(yōu)良的鋁合金焊接接頭。 CMT 焊接技術(shù)適用于薄板焊接，尤其是鋁件材料的焊接。

3 結(jié)語(yǔ)

鋁合金材料的焊接技術(shù)在一定程度上會(huì)影響最后成品的結(jié)構(gòu)、外觀甚至是其他關(guān)鍵性能，所以新興技術(shù)的出現(xiàn)使焊接質(zhì)量、焊接性能不斷提高，極大了改善了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的諸多不足，促進(jìn)了鋁合金構(gòu)建的制造水平。 另外，鋁合金材料已經(jīng)逐漸滲透于汽車(chē)行業(yè)中，其焊接質(zhì)量的高低將直接影響車(chē)身的整體水平，也將威脅著乘客們的生命安全，所以對(duì)鋁合金材料的焊接要求也越來(lái)越高，選擇適合的焊接工藝也尤為重要。 近年來(lái)，鋁合金材料的焊接方法和技術(shù)逐漸走向成熟，在不久的將來(lái)會(huì)更加深入制造業(yè)。 反之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，制造業(yè)的需求不斷提高，也必將促使鋁合金材料的焊接方法和技術(shù)不斷完善和發(fā)展，從而使焊接方法逐步向高效率、低成本、低能耗等方向發(fā)展，焊接過(guò)程也會(huì)向自動(dòng)化、最優(yōu)化方向進(jìn)攻。 不難預(yù)料，鋁及鋁合金工業(yè)的發(fā)展前景非?？捎^，而且現(xiàn)已經(jīng)影響了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平且?guī)?dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。