淺探鋁合金的焊接特點(diǎn)及其施工要點(diǎn)

肖永清

眾所周知，鋁合金是銀白色的輕金屬，具有良好的塑性、較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，同時(shí)還具有抗氧化和抗腐蝕的能力。高強(qiáng)鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，良好的耐腐蝕性能、加工性能和力學(xué)性能,已成為汽車、航空航天、艦船等載運(yùn)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化制造不可或缺的金屬材料，其中汽車、飛機(jī)應(yīng)用最多。鋁極易氧化產(chǎn)生三氧化二鋁薄膜，在焊縫中容易產(chǎn)生夾雜物，從而破壞金屬的連續(xù)性和均勻性，降低其機(jī)械性能和耐腐蝕性能。焊接技術(shù)在提高結(jié)構(gòu)材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜及異種材料整體結(jié)構(gòu)低成本制造方面獨(dú)具優(yōu)勢，其中鋁合金激光焊接技術(shù)更是倍受關(guān)注的熱點(diǎn)，值得業(yè)內(nèi)人士的重視。

■鋁合金的焊接技術(shù)特點(diǎn)以及技術(shù)難點(diǎn)

鋁合金由于重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。目前市場上焊接產(chǎn)品種類較多，一般情況下宜采用交流鎢極氬弧焊TIG。它是在氬氣的保護(hù)下利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。該焊機(jī)工作時(shí)由于交流電流的極性是在周期性的變換，在每個(gè)周期里半波為直流正接，半波為直流反接。正接的半波期間鎢極可以發(fā)射足夠的電子而又不至于過熱，有利于電弧的穩(wěn)定；反接的半波期間工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而獲得表面光亮美觀、成形良好的焊縫。鋁合金的焊接技術(shù)有如下特點(diǎn)：

1 鋁合金與氧的親和力很強(qiáng)

在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密而結(jié)實(shí)的氧化鋁薄膜，厚度約為0.1μm，熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁及鋁合金的熔點(diǎn)，而且密度很大，約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易造成夾渣。氧化膜還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫形成氣孔。這些缺陷都會(huì)降低焊接接頭的性能。為了保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再次氧化，對(duì)熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效地防護(hù)，這是鋁及鋁合金焊接的一個(gè)重要特點(diǎn)。

2 鋁合金的導(dǎo)熱率和比熱大

盡管鋁及鋁合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)比鋼低，但是鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容都很大，比鋼大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到集體金屬內(nèi)部，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，8mm及以上厚板需采用預(yù)熱等工藝措施，才能夠?qū)崿F(xiàn)熔焊過程。

3 鋁合金本體的線膨脹系數(shù)大

鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6.5%～6.6%，因此易產(chǎn)生焊接變形。防止變形的有效措施是除了選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序外，采用適宜的焊接工裝也是非常重要的，焊接薄板時(shí)尤其如此。另外，某些鋁及鋁合金焊接時(shí)，在焊縫金屬中形成結(jié)晶裂紋的傾向性和在熱影響區(qū)形成液化裂紋的傾向性均較大，往往由于過大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋，這是鋁合金，尤其是高強(qiáng)度鋁合金焊接時(shí)最常見的嚴(yán)重缺陷之一。在實(shí)際焊接現(xiàn)場中防止這類裂紋的措施主要是改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，采用適應(yīng)母材特點(diǎn)的焊接填充材料等。

4 鋁合金部件焊接時(shí)容易形成氣孔

焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時(shí)極易產(chǎn)生的缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁的焊接。氫是鋁及鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因，這已經(jīng)為實(shí)踐所證明。氫的來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水份，對(duì)焊縫氣孔的產(chǎn)生常常占有突出的地位。鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣孔，在高溫下溶入的大量氣體，在由液態(tài)凝固時(shí)，溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中氣體來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。為了防止氣孔的產(chǎn)生，以獲得良好的焊接接頭，對(duì)于氫氣的來源要加以嚴(yán)格控制，焊前必須嚴(yán)格限制所使用的焊接材料的含水量，使用前要嚴(yán)格進(jìn)行干燥處理，清理后的母材及焊絲最好在2-3小時(shí)內(nèi)焊接完畢，最多不超過24小時(shí)。

鋁合金擠壓型材在腐蝕處理或陽極氧化處理后，表面出現(xiàn)或明或暗且平行于擠壓方向的白色線紋，該線紋一般稱作焊合條紋。焊合條紋不會(huì)降低型材的力學(xué)性能，但出現(xiàn)焊合條紋的地方與型材表面其他地方形成較大色差，嚴(yán)重影響裝飾面外觀，難以被用戶所接受。消除鋁型材表面焊合條紋是需要研究的重點(diǎn)問題。鋁合金型材是將鋁合金棒通過擠壓模具熱擠壓成型生產(chǎn)的。大部分的焊合條紋出現(xiàn)于空心型材，因?yàn)樵跀D壓過程中鋁合金圓鑄錠被分流模具分成若干股鋁合金流，隨后在模具焊合室內(nèi)幾股鋁合金流又在擠壓力下焊合在一起流出?？仔纬煽招男筒摹Ｔ诖诉^程中，焊合壓力、鋁合金流流動(dòng)狀態(tài)、擠壓溫度和擠壓速度等因素都影響著焊合條紋的產(chǎn)生。

鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重,強(qiáng)度系數(shù)低,這也是阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙。鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜(Al2O3其熔點(diǎn)為2060℃),這就需要采用大功率密度的焊接工藝。鋁合金在高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性較低，且鋁在370℃時(shí)強(qiáng)度僅為10MPa，焊接時(shí)會(huì)因?yàn)椴荒苤巫∫后w金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷或燒穿。為了解決這個(gè)問題，焊接鋁及鋁合金時(shí)常常要采用墊板。鋁及鋁合金焊接時(shí)無色澤變化，給焊接操作帶來困難。

針對(duì)鋁合金焊接的難點(diǎn),近些年來提出了幾種新工藝,在交通、航天、航空等行業(yè)得到了一定應(yīng)用,幾種新工藝可以很好地解決鋁合金焊接的難點(diǎn),焊后接頭性能良好,并可以對(duì)以前焊接性不好或不可焊的鋁合金進(jìn)行焊接。

■鋁合金的焊接注意事項(xiàng)

在焊接鋁合金時(shí)，還需要注意以下的問題和事項(xiàng)：

鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均為碳素鋼和低合金鋼的2倍多，鋁的熱導(dǎo)率是奧氏體不銹鋼的十幾倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率較大，達(dá)6.5%，而鐵為3.5%。熔融鋁合金高溫時(shí)強(qiáng)度低，如果工藝措施不當(dāng)，焊縫及近縫區(qū)在冷卻過程中還會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力、拘束應(yīng)力及熱應(yīng)力。因而，鋁焊接熔池凝固時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。在焊槍焊接過程中，大量的熱量被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，熔池形成困難，常用調(diào)整焊絲成分的方法來防止產(chǎn)生熱裂紋。焊接鋁及鋁合金比鋼要消耗更多的熱量，焊前常需采取預(yù)熱等工藝措施。

鋁合金焊接熔池金屬由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)，沒有明顯的色澤變化，這和鋼在臨熔化前呈現(xiàn)紅色不一樣，會(huì)給焊槍操作帶來不便。不能準(zhǔn)確判斷坡口母材在什么時(shí)候開始熔化，熔融的鋁表面張力小、強(qiáng)度低、流動(dòng)性好，從而易造成焊縫金屬的塌陷或燒穿。因此，要求鋁焊接操作者有更熟練的操作技能，善于利用熔池表面的微小變化來判斷鋁的加熱溫度。

■鋁合金的焊接工藝

鋁合金焊接的方法有多種，如：交流TIG、MIG、MMA及火焰熔焊等焊接方式。如果從焊接效率來說,應(yīng)如下排序：MIG-MMA-火焰熔焊、交流TIG；如果從焊接質(zhì)量排序，則順序?yàn)椋航涣鱐IG、MIG、MMA、火焰熔焊；因?yàn)镸MA與火焰熔焊容易殘留鋁焊劑，焊劑對(duì)工件是具有腐蝕性的，所以說現(xiàn)在使用的越來越少了,而MIG焊接雖然效率比交流TIG焊接的效率高很多倍，但是由于氣孔傾向要比TIG焊接方式嚴(yán)重一些，所以目前如果首先考慮焊接質(zhì)量也就是合格率的話，首推交流TIG焊接方法。

下面列舉2種比較先進(jìn)的工藝方法：

1 鋁合金的攪拌摩擦焊接。

攪拌摩擦焊FSW是由英國焊接研究所TWI1991年提出的新的固態(tài)塑性連接工藝。其工作原理是用一種特殊形式的攪拌頭插入工件待焊部位,通過攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)與工件間的攪拌摩擦,摩擦產(chǎn)生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài),并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動(dòng),從而使焊件壓焊在一起。由于攪拌摩擦焊過程中不存在金屬的熔化,是一種固態(tài)連接過程,故焊接時(shí)不存在熔焊的各種缺陷,可以焊接用熔焊方法難以焊接的有色金屬材料,如鋁及高強(qiáng)鋁合金、銅合金、鈦合金以及異種材料、復(fù)合材料焊接等。目前攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應(yīng)用較多，國外已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段。

2 鋁合金的激光焊接。

鋁及鋁合金激光焊接技術(shù)是近10年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),與傳統(tǒng)焊接工藝相比,它具有功能強(qiáng)、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點(diǎn)。焊接過程易于集成化、自動(dòng)化、柔性化，可實(shí)現(xiàn)高速高精度焊接，特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度焊接。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區(qū)小、焊接變形小、速度高、易于工業(yè)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),特別對(duì)熱處理鋁合金有較大的應(yīng)用優(yōu)勢?？商岣呒庸に俣炔O大地降低熱輸入,從而可提高生產(chǎn)效率,改善焊接質(zhì)量。激光焊接技術(shù)在工業(yè)中所占比重已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)加工水平高低的重要標(biāo)志，激光焊接是鋁合金焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著激光技術(shù)和鋁合金研制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步開展鋁合金激光焊接應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究、開發(fā)鋁合金激光焊接新工藝，更有效地拓展鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力。

■結(jié)束語

鋁及鋁合金材料密度低，強(qiáng)度高，熱電導(dǎo)率高，耐腐蝕能力強(qiáng)，具有良好的物理特性和力學(xué)性能，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)上。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)高韌鋁合金不斷推出，尤其是第三代鋁鋰合金、新型高強(qiáng)鋁合金的出現(xiàn)，對(duì)鋁合金激光焊接技術(shù)提出了更多更高的要求，同時(shí)鋁合金的多樣性也帶來了各種各樣的激光焊接新問題，所以必須深入研究這些問題，才能更有效地拓展鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力。