焊接工藝在鋁材加工中的應(yīng)用研究

鄒 超，郝先芃

（龍口市叢林鋁材有限公司技術(shù)部，山東 龍口 265705）

鋁合金屬于輕金屬材料范疇，因?yàn)槠渚邆漭^強(qiáng)的耐腐蝕性、優(yōu)良的熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性、高比強(qiáng)度和比模量等眾多優(yōu)勢(shì)，不但在航空航天領(lǐng)域內(nèi)有著大量應(yīng)用，同時(shí)還是輕型轎車、汽車以及現(xiàn)代高速列車等諸多產(chǎn)品不可或缺的生產(chǎn)材料。伴隨現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，鋁材加工的焊接工藝日趨多樣化。當(dāng)前，在鋁材加工過(guò)程中常用的焊接工藝主要有MIG、激光焊接、攪拌摩擦焊以及電子束焊接等等。

1 鋁合金焊接概述

所謂“鋁合金焊接”，主要指的是對(duì)鋁合金材料進(jìn)行焊接的過(guò)程。鋁合金，具有輕質(zhì)量與高強(qiáng)度的特征；常用的焊接方法是自動(dòng)MIG焊與手工MIG焊兩種，以上兩種方法所使用的焊接裝置、保護(hù)氣體、焊絲以及母材等都是不同的。對(duì)于鋁合金的加工及保存而言，應(yīng)確保有“防水、防塵、干燥”環(huán)境；環(huán)境溫度往往需超過(guò)5℃、濕度應(yīng)小于70%，過(guò)高的濕度通常會(huì)顯著加大焊縫出現(xiàn)氣孔的概率，進(jìn)而對(duì)鋁材加工的焊接質(zhì)量造成巨大的負(fù)面影響。此外，空氣的不斷流通可能會(huì)對(duì)氣體保護(hù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而形成焊接氣孔；對(duì)于此現(xiàn)象，可以加裝擋風(fēng)板來(lái)防止室內(nèi)穿堂風(fēng)造成的影響。在開展鋁合金焊接作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重采取以下幾種防護(hù)舉措：第一，在焊接作業(yè)開始前采取化學(xué)或者機(jī)械形式將焊絲外表以及工件四周的氧化物清理干凈；第二，在焊接環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)使用符合要求的保護(hù)氣體來(lái)加以保護(hù)；第三，在氣焊過(guò)程中使用熔劑，在焊接時(shí)持續(xù)以焊絲挑破熔池外表形成的氧化膜。

2 鋁合金的焊接性

在鋁合金焊接凝固的過(guò)程中，熔池當(dāng)中的氣體由于無(wú)法及時(shí)向外逸出而比較容易會(huì)產(chǎn)生氣孔。當(dāng)鋁合金完全暴露于空氣當(dāng)中時(shí)，其表面會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較高熔點(diǎn)的氧化膜(A12O3)，其熔點(diǎn)大約是2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋁（熔點(diǎn)約為660℃）及鋁合金（熔點(diǎn)約為560℃）的熔點(diǎn)；在焊接過(guò)程中，難以熔化的氧化膜則會(huì)對(duì)母材與填充金屬的熔合產(chǎn)生影響，造成氧化物中出現(xiàn)夾渣。在對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，熔池金屬的顏色并未發(fā)生任何改變，極易引起塌陷或者焊穿問(wèn)題。鋁合金散熱速度快、熱導(dǎo)率較大，在焊接過(guò)程中需消耗大量的熱量。在對(duì)厚板進(jìn)行焊接時(shí)，通常都應(yīng)對(duì)焊接部位展開預(yù)熱。當(dāng)處于熔化狀態(tài)的鋁合金完全結(jié)晶凝固以后，其體積可能會(huì)減少6%左右。因此形成的收縮應(yīng)力或許會(huì)造成出現(xiàn)焊接裂縫以及工件形變。針對(duì)進(jìn)行熱處理后的鋁合金，因?yàn)楹割^通過(guò)了比較大的熱循環(huán)，焊頭的熱影響區(qū)強(qiáng)度則會(huì)有較大程度的降低，其抗拉強(qiáng)度往往會(huì)下降30%～40%。

3 焊接工藝在鋁材加工中的應(yīng)用

3.1 MIG焊接工藝在鋁材加工中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，可應(yīng)用于鋁材加工的MIG焊接方法有很多，比如：第一，直流MIG焊。在鋁材加工過(guò)程中應(yīng)用直流MIG焊方法，保持電源輸出電流的方向和大小不發(fā)生變化，現(xiàn)階段的應(yīng)用相對(duì)偏少。第二，直流脈沖MIG焊。又可稱作“脈沖MIG焊”，在鋁材加工時(shí)，選擇周期性改變的脈沖電流進(jìn)行焊接，能夠?qū)附訜彷斎牒腿鄣芜^(guò)渡等加以高效調(diào)控，目前有著較多的應(yīng)用。第三，直流雙脈沖MIG焊。其主要有雙脈沖加等速送絲和單脈沖加低頻脈沖送絲兩種送絲方式，前者送絲比較簡(jiǎn)單、后者送絲較為繁雜。雙脈沖MIG焊，通過(guò)低頻脈沖調(diào)整滴過(guò)渡的高頻脈沖（低頻的范圍是0.5Hz～50Hz、高頻的范圍是50Hz～300Hz），借此以取得周期性改變的強(qiáng)弱脈沖群。在鋁材加工過(guò)程中應(yīng)用該焊接工藝，得到的焊縫外觀呈魚鱗狀，可有效控制氣孔出現(xiàn)的幾率。相較于鋁合金MIG焊工藝，雙脈沖MIG焊在鋁材加工中的運(yùn)用有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其大大拓寬了電流的應(yīng)用范圍；能夠?qū)θ鄢爻叽缫约叭鄣芜^(guò)渡等進(jìn)行有效控制，達(dá)到全方位的焊接；能夠有效調(diào)整熱輸入量，增強(qiáng)焊頭的質(zhì)量；能夠得到美觀的焊縫；能夠增大焊頭間的縫隙（最大縫隙可以達(dá)到3mm）；能夠使裂紋的敏感性有較大幅度的下降；能夠提高熔透能力，有利于中厚材料的焊接。

雙脈沖MIG焊在鋁材加工中應(yīng)用的基本原理如下：①熔池?cái)嚢?。在雙脈沖MIG焊運(yùn)用過(guò)程中，電弧不僅可以傳遞物質(zhì)和供應(yīng)熱能，而且還具備較強(qiáng)的剛性，可以在熔池內(nèi)進(jìn)行攪拌，相較于傳統(tǒng)脈沖MIG焊方法，可以獲得更好的攪拌效果，能夠?qū)?xì)化晶粒和粗晶進(jìn)行破碎，加快氣體的排出速度，大大加強(qiáng)焊接接頭的性能。②熔滴沖擊。在鋁材加工過(guò)程中應(yīng)用雙脈沖MIG焊工藝時(shí)，熔化后的焊絲通過(guò)射滴（亞射滴）形式過(guò)渡到熔池內(nèi)，熔滴包含有很多的動(dòng)能和熱能，從而對(duì)熔池產(chǎn)生沖擊，增強(qiáng)攪拌效果，進(jìn)而加強(qiáng)焊接接頭的性能。③雙脈沖協(xié)同強(qiáng)化。相較于傳統(tǒng)脈沖MIG焊方法，雙脈沖下強(qiáng)弱脈沖群呈周期性改變趨勢(shì)，二者共同作用能夠在很大程度上加強(qiáng)熔池?cái)嚢璧男Ч?，借此以得到更加?qiáng)的熔透能力。④低頻誘發(fā)熔池共振。雙脈沖MIG焊接工藝的頻率比較低，而熔池本身的振動(dòng)頻率也是非常低的，所以在鋁材加工焊接作業(yè)過(guò)程中，熔池極易產(chǎn)生共振作用，從而不斷加強(qiáng)焊接質(zhì)量。

3.2 激光焊接工藝在鋁材加工中的應(yīng)用

3.2.1 雙光束激光焊

所謂“雙光束激光焊”，主要指的是兩束激光共同對(duì)焊件外表產(chǎn)生作用的焊接工藝。其實(shí)現(xiàn)途徑主要有以下兩種：第一，用兩臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行的激光器實(shí)施耦合；第二，以分光系統(tǒng)將單束激光分解成兩束光。在使用雙光束激光焊時(shí)，兩光點(diǎn)有3種不同的排列形式。在光點(diǎn)連線與焊接方向相平行時(shí)，呈串行排列；與焊接方向相垂直時(shí)，呈并行排列；除此以外，還能夠與焊接方向成特定的角度。在光點(diǎn)并行排列的時(shí)候，焊縫的寬度與串行排列相比大10%，可適當(dāng)減少對(duì)裝配的需求。

3.2.2 激光填絲焊

激光填絲焊，不僅具備傳統(tǒng)激光焊工藝的優(yōu)勢(shì)，還能夠優(yōu)化焊縫成形、降低裝配要求、提高冶金性能、加強(qiáng)力學(xué)性能以及避免出現(xiàn)熱裂紋等等，進(jìn)而能夠有效拓寬激光焊工藝的運(yùn)用范疇，更加適用于鋁材加工的焊接。此方法的核心技術(shù)就是處理好焊絲的送進(jìn)裝置及送進(jìn)形式等問(wèn)題，為確保焊絲長(zhǎng)期處在激光光斑的照射下，焊絲應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的指向性及剛直性，此對(duì)于送絲機(jī)構(gòu)的校直作用有著更加嚴(yán)格的要求；除此以外，還需要采用手段對(duì)光致等離子體進(jìn)行調(diào)控。

3.2.3 激光+電弧復(fù)合焊

激光+電弧復(fù)合熱源將電弧與激光這兩類完全不同的能量傳輸機(jī)制、物理機(jī)制的熱源相互結(jié)合起來(lái)，并且對(duì)工件的相同部位產(chǎn)生作用，熱源的互相強(qiáng)化和互相作用以形成“協(xié)同效應(yīng)”，可以得到“1+1>2”的效果，具備高效率、大熔深以及強(qiáng)搭橋力等諸多特征，是近幾年內(nèi)迅猛發(fā)展的焊接效率較高的工藝，已成為鋁材加工激光焊接的主要研究方向。按照電弧與激光所處空間位置的差異，激光+電弧復(fù)合焊可劃分成旁軸復(fù)合與同軸復(fù)合兩種形式?，F(xiàn)階段的研究大都采取旁軸復(fù)合形式，此形式較為簡(jiǎn)單、便利，然而其工藝參數(shù)較為繁雜，對(duì)于焊接空間有著極高的要求，同時(shí)電弧與激光成特定角度會(huì)造成熱源作用的不對(duì)稱性；同軸復(fù)合則不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題，然而其對(duì)于焊接設(shè)備有著嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。激光+電弧復(fù)合焊發(fā)展初期應(yīng)用的激光功率偏小，主要是通過(guò)激光對(duì)電弧進(jìn)行壓縮、增強(qiáng)或者誘導(dǎo)，電弧是必不可少的成形要素。當(dāng)前，大功率激光器有著廣泛的運(yùn)用，激光漸漸占據(jù)著焊縫成形的主導(dǎo)地位，電弧主要發(fā)揮合金元素過(guò)渡、激光吸收率提升等各類作用。

3.3 攪拌摩擦焊工藝在鋁材加工中的應(yīng)用

攪拌摩擦焊，具有環(huán)保、綠色、成本低、質(zhì)量高等眾多特征，是激光焊接后出現(xiàn)的新型焊接工藝。攪拌摩擦焊的出現(xiàn)及不斷發(fā)展，引起了全球各國(guó)焊接行業(yè)的高度重視；相較于以往的熔化焊接方式，攪拌摩擦焊有著熔化焊難以企及的優(yōu)勢(shì)：在焊接作業(yè)時(shí)并未滿足材料的熔點(diǎn)要求，如此就不會(huì)產(chǎn)生裂紋或者氣孔等問(wèn)題；不會(huì)形成輻射、煙塵或者飛濺等現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)焊接人員的身體健康造成影響；無(wú)需添加焊絲，可大幅減少焊接費(fèi)用。因?yàn)槠渚哂兄T多優(yōu)勢(shì)，攪拌摩擦焊工藝可應(yīng)用于鎂、鋁等輕質(zhì)合金，特別適用于7XXX系列（Al-Zn）合金、2XXX系列（Al-Cu）合金，同樣可應(yīng)用于鋼合金、鈦合金、鎂合金以及銅合金等合金的焊接。

攪拌摩擦焊工藝在鋁材加工中應(yīng)用的基本原理如下：攪拌摩擦焊選擇旋轉(zhuǎn)速度較快的、外觀獨(dú)特的攪拌頭用作焊接工具，在剛開始焊接時(shí)將處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的攪拌頭以特定的下插速率插入到2塊試板的連接縫隙當(dāng)中，在插入到事先設(shè)置好的深度時(shí)（也就是攪拌頭的軸肩和工件的外表無(wú)縫接觸），通常會(huì)停留0.2s，攪拌頭順著焊接的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸肩和工件外表摩擦形成的熱量與攪拌針攪拌形成的熱量使得焊縫溫度有所提高，接頭金屬充分塑性軟化，軟化后的金屬跟隨攪拌頭的運(yùn)動(dòng)而不斷移動(dòng)，產(chǎn)生持續(xù)性的塑性流，塑性流里面的金屬與塑性流觸碰的部分金屬因?yàn)檐浕闆r的差異，將會(huì)形成程度完全不同的塑性變性能。攪拌頭將發(fā)生塑性形變的材料填充攪拌頭后側(cè)的空腔，同時(shí)在攪拌頭軸肩和攪拌針攪拌、擠壓的共同作用下以達(dá)到材料的連接。

4 結(jié)論

綜上所述，要想加強(qiáng)鋁材加工的效率和質(zhì)量，則應(yīng)采用更加先進(jìn)的焊接工藝和方法。近幾年內(nèi)，伴隨科學(xué)技術(shù)的日益創(chuàng)新發(fā)展，MIG焊、激光焊以及攪拌摩擦焊等相對(duì)先進(jìn)的焊接工藝，在鋁材加工行業(yè)有著愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。在鋁材加工焊接工藝日益完善的背景下，鋁合金材料將會(huì)滲透到各行各業(yè)當(dāng)中；反過(guò)來(lái)，各行各業(yè)不斷增長(zhǎng)的訴求同樣必定會(huì)推動(dòng)鋁材加工焊接工藝的不斷創(chuàng)新。當(dāng)前，傳統(tǒng)MIG焊和TIG焊裝置得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而有較大幅度的提升。相較于熔化焊接工藝，攪拌摩擦焊可以有效防止鋁材加工過(guò)程中產(chǎn)生各類缺陷，可以形成性能較強(qiáng)的接頭；以往焊接性能相對(duì)偏低的中高強(qiáng)度鋁材，使用攪拌摩擦焊則可得到強(qiáng)性能的接頭。