高強度鋁合金及其先進焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

宋洪杰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

作為一種現(xiàn)在比較常見的結(jié)構(gòu)型金屬材料，高強度鋁合金在使用中各方面都體現(xiàn)出了其優(yōu)勢。它不僅韌性較強，抗壓能力較好，同時還具有極高的結(jié)構(gòu)強度和較好的耐腐蝕性、良好的可焊接性能以及低溫韌性。作為一種使用效果和使用性能都比較優(yōu)良的材料，高強度鋁合金更加需要研究人員投入更多的時間和精力，對金屬材質(zhì)性能和價格推陳出新，更多的將先進科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到人們的日常生產(chǎn)工作中來，為我國社會主義現(xiàn)代化進程的進一步推進提供技術(shù)和物質(zhì)支持。

1 高強度鋁合金的相關(guān)理論概述

1.1 關(guān)于高強度鋁合金

高強度鋁合金是在既有鋁合金材料上加以改造得到的，主要通過添加一些微量元素、必要的熱處理工藝以改善材料本身的組織及性能，使其包括延展性、抗壓性、導(dǎo)電性、耐熱性、耐腐蝕性在內(nèi)的一系列性能得到顯著提升。根據(jù)材料用途的不同，選擇添加不同的微量元素，可得到不同性能的高強度鋁合金，從而滿足多種使用需求[1]。比如說，在鋁合金材料中添加鉻元素，可在一定程度上阻礙再結(jié)晶的形核和長大，改善韌性，加入鎂、鋅元素，可顯著提升鋁合金材料的抗拉強度和屈服強度。

1.2 選擇高強度鋁合金焊接技術(shù)時需要考慮的特性

在選擇高強度鋁合金的焊接技術(shù)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)其具體特性選擇最恰當(dāng)?shù)姆绞?，具體選擇時要注意以下幾點。一是鋁合金材料暴露在空氣中容易被氧化，一般來說，處于開放環(huán)境下的鋁合金材料表面會形成一層致密的氧化膜，阻隔內(nèi)部鋁合金與外部氧氣的接觸，但鋁合金氧化膜的熔點較高，會加大后續(xù)焊接工作的難度。二是含鋁材料的導(dǎo)熱性能一般較好，同等質(zhì)量下的金屬鋁導(dǎo)熱性能要比鋼材多出許多，因而在焊接時會損耗更多的熱量。三是金屬鋁受熱容易膨脹，所經(jīng)受的變形壓力也較大，很容易出現(xiàn)受熱開裂的現(xiàn)象。

2 現(xiàn)階段我國高強度鋁合金及其焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（1）我國高強度鋁合金的發(fā)展現(xiàn)狀。就我國目前對于高強度鋁合金的應(yīng)用來看，受到實際國情的約束，這一材料在我國的研究時間還不算長，但近年來，由于我國經(jīng)濟水平的飛速提高，在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果。

（2）現(xiàn)有的焊接技術(shù)種類及其特點。高強度鋁合金目前焊接應(yīng)用較為廣泛的主要是氣體保護焊（MIG、TIG）及電阻點焊，尤以熔化極惰性氣體保護焊（MIG）應(yīng)用最為廣泛。

熔化極惰性氣體保護焊以連續(xù)送進的焊絲作為電極，同時焊絲也熔化作為填充材料，電弧以及熔化的焊絲和熔池由活性或惰性氣體進行保護，可適于工件厚度0.6mm～100mm范圍內(nèi)的全位置連接焊接，以及堆焊。在對鋁合金進行焊接時，采用直流反接，還具有陰極爆破效果，可破壞鋁合金表層氧化膜，有效保證焊縫質(zhì)量。除此之外熔化極惰性氣體保護焊還具有良好的引弧性能、焊接參數(shù)對所焊工件的良好適應(yīng)性、熱輸入量可保持最小、較粗焊絲可焊較薄工件、在整個脈沖功率調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)飛濺少、焊縫的良好抗氣孔性能、熔化效率高，焊縫具有良好的抗腐蝕性能。

3 高強度鋁合金及其焊接技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

3.1 高強度鋁合金的未來發(fā)展趨勢

（1）復(fù)合微合金化。高強度鋁合金是在本身就品質(zhì)優(yōu)良的鋁材料中添加微量元素，改造得出的，這種材料在我國目前應(yīng)用最廣泛的行業(yè)就是軌道交通及航空航天行業(yè)。高強度鋁合金在未來的研究方向，必須投以更多的時間和精力，進一步提升高強度鋁合金的強度、韌性及耐腐蝕性能，尤其是低溫及高溫環(huán)境下的綜合性能。

（2）改進傳統(tǒng)的鑄錠冶金制備技術(shù)。傳統(tǒng)的鑄錠技術(shù)多半依賴于鋁水，原理就在于通過澆筑的方式除去合金材料中的雜質(zhì)，但由于高溫之下的鋁為液態(tài)，無法完全除去雜質(zhì)。為了提高所得高強度鋁合金材料的純度，使其能夠在后期的使用中發(fā)揮出最大的效用，在未來的研究方向中就必須考慮這一因素，研究更加先進的雜質(zhì)去除技術(shù)，提高冶金的水平。

（3）深入研究鋁合金的熱處理工藝。高強度鋁合金的成型過程中，必須首先受熱改變其結(jié)構(gòu)，才能向材料之中添加其他微量元素。當(dāng)合金材料還處于固態(tài)時，使用熱能改變材料的狀態(tài)，但一般不會使得材料的形狀和成分發(fā)生改變，而是作用于鋁合金的內(nèi)部，通過熱處理工藝，賦予合金材料更多的性能和使用用途。對于高強度鋁合金來說，熱處理這一環(huán)節(jié)能否操作精準(zhǔn)，直接影響到改造之后材料的承壓能力和韌性是否能夠達到既定標(biāo)準(zhǔn)，因此，在未來的研究方向中，也應(yīng)當(dāng)將這一工藝環(huán)節(jié)列入重點研究范圍內(nèi)。

3.2 鋁合金焊接技術(shù)發(fā)展與更新的體現(xiàn)

在傳統(tǒng)氣體保護焊廣泛使用的背景下，高強度鋁合金的焊接技術(shù)正在向高效、節(jié)能、環(huán)保、智能化方向轉(zhuǎn)變。

（1）傳統(tǒng)焊接技術(shù)基礎(chǔ)上的改進與創(chuàng)新。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代科技高度發(fā)達之下的生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的新需求，為此，改進與創(chuàng)新是時代發(fā)展之下的必然要求。隨著工業(yè)智能化的普及，傳統(tǒng)的氣體保護焊，正在向智能化方向轉(zhuǎn)變，一是與智能機械臂、工業(yè)機器人聯(lián)合實現(xiàn)對各種位置的自動焊接，二是在芯片能力提升的背景下，自動跟蹤焊道及熔池，并智能調(diào)整焊接全過程的焊接參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)熱輸入量，減少人為操作帶來的的波動性，提升焊接質(zhì)量。

（2）其他先進焊接技術(shù)的推廣和應(yīng)用。攪拌摩擦焊的特點是焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)異，焊接變形小、殘余應(yīng)力小，但是焊接位置受限；激光焊可焊接大深寬比的焊縫，熱影響區(qū)小，但激光焊對被焊材料的裝夾要求較高；爆炸焊可實現(xiàn)異種金屬的焊接，如銅鋁焊等，超聲波金屬焊接的優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導(dǎo)電性好、接近冷態(tài)加工，缺點是所焊接金屬件不能太厚(一般小于或等于5mm)。目前上述焊接技術(shù)在軌道交通行業(yè)均有不同程度的應(yīng)用，未來應(yīng)當(dāng)結(jié)合其焊接原理，進一步改善相應(yīng)焊接限制因素，不斷拓展應(yīng)用場景，通過工藝改善進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

綜上所述，高強度鋁合金的應(yīng)用在當(dāng)今社會已經(jīng)越來越受到重視，由于我國軌道交通、航空航天業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，未來對于這種材料的需求會越來越多，對于其性能需求也越來越多樣化。因此，不斷研究和開發(fā)高強度鋁合金以及焊接技術(shù)的新發(fā)展，是時代進步之下的必然趨勢，需要投入更多的時間和精力。