基于鋁合金先進(jìn)焊接工藝的探索

舒 偉

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司湛江分公司，湛江 524057）

鋁是地球上發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量?jī)H次于氧和硅的元素物質(zhì)，往往以鋁化合物的形式存在于明礬石、云母、鋁土礦、長(zhǎng)石以及高嶺石等巖石和礦石中。純鋁屬于白色輕金屬，具有優(yōu)良的延展性，往往可以制成鋁板材、鋁箔狀、鋁粉狀、鋁帶狀、鋁絲狀以及鋁棒材等。它的活性較強(qiáng)，極易在空氣中形成氧化膜，防止金屬腐蝕，所以在電流輸送為核心的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。我國(guó)是鋁合金和金屬鋁的生產(chǎn)大國(guó)。隨著鋁合金焊接工藝的不斷發(fā)展，鋁合金在航空航天、精密電子產(chǎn)業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛，推動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，鋁合金焊接過程中往往借助非熔化極氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接工藝和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Metal Inert-gas Welding，MIG）焊接工藝進(jìn)行鋁合金裝備產(chǎn)品焊接。盡管這兩種焊接工藝可以保證焊接接頭的穩(wěn)定性，但是在實(shí)際運(yùn)用過程中存在焊接變形較大、焊接熔透能力不高以及焊接線效率低下等弊病。近些年來，諸如激光焊、摩擦攪拌焊以及雙數(shù)激光焊等鋁合金先進(jìn)焊接工藝不斷發(fā)展推動(dòng)了鋁合金先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用和鋁合金裝備產(chǎn)品的發(fā)展。因此，探索鋁合金先進(jìn)焊接工藝對(duì)鋁合金在新市場(chǎng)中的推廣和新材料應(yīng)用具有重要的推動(dòng)意義。

1 鋁合金的分類和應(yīng)用特點(diǎn)

自從20 世紀(jì)初電工鋁合金1050 出現(xiàn)以來，國(guó)際上關(guān)于鋁合金的分類已經(jīng)基本形成了約定俗成的3 種分類依據(jù)，即鋁合金的化學(xué)成分、鋁合金的成型工藝和鋁合金中是否含有鋯[1]。我國(guó)對(duì)于鋁合金的研究和應(yīng)用十分廣泛。因此，基于我國(guó)的實(shí)際情況，鋁合金又有4 大分類，即鑄造鋁合金、變形鋁合金、航空鋁合金以及壓鑄鋁合金。早期設(shè)計(jì)的變形鋁合金，往往需要具備塑性變形的良好能力，還需具有一定的強(qiáng)度。所以，鋁合金成分中金屬間化合物是缺失的，僅僅包含兩項(xiàng)合金，就能保證變形鋁合金符合低塑性變形和高強(qiáng)度的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，由于鋁合金的發(fā)展成熟和工藝進(jìn)步，它已經(jīng)運(yùn)用到了航天航空設(shè)備、精密電子元件、汽車零部件以及機(jī)件外殼等領(lǐng)域[2]。

2 鋁合金的焊接特點(diǎn)

鋁合金自身具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、高比模量、耐腐蝕性、高導(dǎo)電性、耐磁性、低溫性能好、焊接成型好以及高導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，因此在各類焊接結(jié)構(gòu)的裝備產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛[3]。但是，正因?yàn)殇X合金質(zhì)量輕的特性，鋁合金在實(shí)際開展焊接的過程中極易出現(xiàn)接頭軟化的情況，導(dǎo)致鋁合金整體強(qiáng)度系數(shù)降低，在一定程度上阻礙了鋁合金裝備產(chǎn)品的應(yīng)用。具體來說，鋁合金的焊接過程中的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，鋁合金在焊接過程中極易產(chǎn)生熔點(diǎn)較高的難溶氧化膜，所以在實(shí)際開展鋁合金焊接的過程中往往依托于功率密度較大的焊接工藝；第二，鋁合金在實(shí)際焊接的過程中極易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋；第三，由于鋁合金焊接過程中線膨脹系數(shù)會(huì)逐步增加，容易發(fā)生焊接變形，所以焊接工藝的技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)較高；第四，與鋼相比，鋁合金的導(dǎo)熱率更好，所以在同等焊接速度下，鋁合金的焊接熱輸入往往比鋼材大2 ～4 倍。整體而言，鋁合金焊接工藝務(wù)必采用焊接熱輸入量較小、焊接能量密度大以及焊接速度高的焊接工藝和焊接方法，以保證鋁合金裝備產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。

3 鋁合金的先進(jìn)焊接工藝

3.1 鋁合金激光焊接工藝

基于鋁合金焊接的能量密度大和焊接速度高的特點(diǎn)，高性能、大功率的鋁合金激光焊接加工設(shè)備也在不斷研制和開發(fā)，促進(jìn)了鋁合金激光焊接工藝的發(fā)展，逐步成為現(xiàn)階段鋁合金先進(jìn)焊接工藝的代表和重要發(fā)展方向。現(xiàn)階段，鋁合金激光焊接工藝在汽車行業(yè)中的部件連接上使用較為廣泛，在全鋁結(jié)構(gòu)上可以形成接近30 m 的激光焊縫[5]。與TIG 焊接工藝和MIG 焊接工藝相比，鋁合金激光焊接工藝具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，鋁合金激光焊接工藝的熱輸入量較低、能量密度較高，所以焊接的裝備產(chǎn)品變形小，在熔化區(qū)和熱影響區(qū)可以形成窄小深大的焊接縫隙。其次，鋁合金激光焊接工藝能夠在保證焊縫細(xì)微的基礎(chǔ)上加速冷卻，確保焊接接頭性能優(yōu)良。最后，整體焊接速度有所加快，具備了適應(yīng)性強(qiáng)、功能性多以及可靠穩(wěn)定的特征，尤其是擺脫了真空裝置的束縛，所以焊接工藝自動(dòng)化、焊接工藝效率提升以及焊接工藝精度提升都是其主要優(yōu)勢(shì)。作為高能密度的鋁合金激光焊接工藝，通過激光焊接工藝的鋁合金避免了傳統(tǒng)鋁合金焊接過程中因?yàn)楣に嚥怀墒旌凸に嚇?biāo)準(zhǔn)不高造成的缺陷，大大增加了鋁合金裝備產(chǎn)品的強(qiáng)度。但是需要注意，在實(shí)際運(yùn)用激光焊接工藝焊接鋁合金的時(shí)候，激光焊接器的功率較小，針對(duì)厚度較高的鋁合金板材焊接成效不明顯。此外，鋁合金表面不太容易吸收激光束，深熔焊接的時(shí)候難免存在閾值問題。

3.2 鋁合金摩擦攪拌焊接工藝

盡管現(xiàn)階段鋁合金裝備產(chǎn)品的熔焊能夠?qū)崿F(xiàn)高速度焊接且應(yīng)用較為廣泛，但是熔化焊焊縫是一種鑄態(tài)組織，焊接接頭長(zhǎng)期處于熱循環(huán)狀態(tài)極易出現(xiàn)組織變化，導(dǎo)致鋁合金力學(xué)性能不足[6]。另外，熔焊鋁合金的過程中，鋁合金接頭極易出現(xiàn)變形大、缺陷多、接頭顏色變化以及熱影響區(qū)加寬等問題。所以，20 世紀(jì)90年代英國(guó)最先提出了鋁合金摩擦攪拌焊接工藝，并成功應(yīng)用于航空航天、造船工業(yè)以及汽車工業(yè)的鋁合金連接裝備產(chǎn)品。鋁合金摩擦攪拌焊接工藝引入我國(guó)后，憑借其優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。首先，鋁合金摩擦攪拌焊接工藝焊接的鋁合金接頭質(zhì)量良好，且摩擦攪拌焊接工藝屬于固相焊，焊接過程中接頭往往不會(huì)出現(xiàn)熔焊時(shí)凝固過程出現(xiàn)的焊接氣孔和焊接裂紋等問題，且焊接后接頭顏色與母材料顏色的差異較小。鋁合金摩擦攪拌焊接工藝的焊接溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋁合金熔點(diǎn)，所以鋁合金裝備產(chǎn)品的變形較小，且組織與母材料相當(dāng)接近。其次，運(yùn)用鋁合金摩擦攪拌焊接工藝的過程中，裝配精度要求往往不高，也不需要保護(hù)氣體和其他填充材料，焊接前的準(zhǔn)備工序相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于厚度較高的鋁合金板材而言，它不需要開坡口，易于操作，節(jié)能系數(shù)較高。最后，鋁合金摩擦攪拌焊接工藝操作更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化，整個(gè)焊接過程的穩(wěn)定系數(shù)和安全系數(shù)更高，操作過程中也不會(huì)出現(xiàn)有害光線、難聞氣味等。可見，應(yīng)用鋁合金攪拌摩擦焊接工藝可有效規(guī)避鋁合金焊接中的各種缺陷，且作為固態(tài)鏈接工藝，其焊接后的鋁合金接頭性能優(yōu)良，也可以有效焊接傳統(tǒng)鋁合金焊接中無法焊接的部分[7]。

3.3 鋁合金雙束激光焊接工藝

隨著鋁合金激光焊接工藝的成熟，雙束激光焊接工藝憑借其焊縫深寬比較低和焊寬較寬，有效降低了焊接過程中鋁合金氣孔的敏感性，提高了鑰孔的穩(wěn)定性，避免了鋁合金激光焊接工藝運(yùn)用過程中鑰孔塌陷造成的氣孔。這是因?yàn)殇X合金雙束激光焊接工藝在焊接過程中第一束激光可以產(chǎn)生熔池，并在焊接區(qū)域附近進(jìn)行良好的預(yù)熱，確保第二束激光照射的過程中母材可以熔化，進(jìn)而保證焊縫較寬。第二束激光可以將第一束激光形成的鑰孔后壁氣化，所以采用鋁合金雙束激光焊接工藝焊接的鋁合金裝備產(chǎn)品出現(xiàn)氣孔的幾率較低。

3.4 鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝

無論是鋁合金激光焊接工藝還是鋁合金雙束激光焊接工藝，盡管焊接過程優(yōu)勢(shì)明顯，但是如焊接設(shè)備成本偏高、工序復(fù)雜以及接頭間隙偏小等問題依舊導(dǎo)致鋁合金激光焊接工藝和鋁合金雙束激光焊接工藝的應(yīng)用存在一定的局限。所以，依托鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展的激光-電弧復(fù)合焊接工藝應(yīng)運(yùn)而生。具體來說，激光-電弧復(fù)合焊接工藝充分結(jié)合了鋁合金激光焊接工藝、TIG 電弧、MIG 電弧以及等離子體等，在汽車車體、汽車輪軸等方面應(yīng)用較為廣泛[8]。

鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝充分結(jié)合不同鋁合金焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)，徹底實(shí)現(xiàn)了激光焊接功率要求、深熔焊閾值以及鋁合金表面吸收激光束等問題。此外，激光-電弧復(fù)合焊接工藝焊接鋁合金，電弧和激光之間相互影響，避免了單項(xiàng)使用電弧焊接工藝或者激光焊接工藝的缺陷，實(shí)現(xiàn)了“復(fù)合”效應(yīng)[9]。

4 鋁合金的先進(jìn)焊接工藝應(yīng)用

鋁合金先進(jìn)焊接工藝在造船工業(yè)中的應(yīng)用廣泛。鋁合金憑借其裝備產(chǎn)品密度較小，有效滿足了造船工業(yè)中船舶重量控制的需求，有效降低了船舶的重心，保證了造船過程中船舶的穩(wěn)定性和安全性。所以，在游艇、漁船以及艦艇生產(chǎn)建造中，鋁合金裝備產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛。近年來，鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)焊接生產(chǎn)的鋁合金構(gòu)件、鋁合金裝備等，在多家船舶生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了集約化生產(chǎn)[10]。這是因?yàn)殇X合金攪拌摩擦焊接工藝可以保證船舶生產(chǎn)過程中相關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)件和鋁合金裝備產(chǎn)品精確度達(dá)標(biāo)，在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了船舶輕合金預(yù)成型結(jié)構(gòu)的焊接，保證了船舶生產(chǎn)過程中成本控制、性能提升、重量降低和外觀精美的需求。除了提供鋁合金結(jié)構(gòu)件和裝備產(chǎn)品以外，攪拌摩擦焊接工藝還能用于船舶零部件的現(xiàn)場(chǎng)裝配，創(chuàng)新了船舶生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)連接 模式。

鋁合金作為一種輕金屬材料，憑借其自身高比模量、耐腐蝕性、高導(dǎo)電性以及高導(dǎo)熱性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。鋁合金先進(jìn)焊接工藝的應(yīng)用，保證了鋁合金成型工藝性和焊接連接性，使得鋁合金材料在航天飛船、登月車以及航天飛機(jī)等航空航天設(shè)備中應(yīng)用較多。比如，依托先進(jìn)焊接工藝，焊接自動(dòng)化和焊接現(xiàn)代化保證了航空航天產(chǎn)業(yè)中航天器對(duì)焊接技術(shù)可靠性和高質(zhì)量的要求。

長(zhǎng)期以來，汽車輕量化、汽車環(huán)保化以及汽車節(jié)能化是汽車生產(chǎn)行業(yè)一直探索和發(fā)展的方向，更是社會(huì)發(fā)展和汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著鋁合金激光焊接工藝、鋁合金雙束激光焊接工藝、鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝的成熟和發(fā)展，汽車生產(chǎn)過程中一些零部件的物理化學(xué)特殊性能引起的焊接困難得到了良好解決。尤其在整車車身焊接中，鋁合金先進(jìn)焊接工藝價(jià)值巨大。

5 結(jié)語

鋁合金是自20 世紀(jì)出現(xiàn)以來世界范圍內(nèi)迅速普及和采用的一種工程和工業(yè)金屬材料。鋁合金屬于一類具有開發(fā)潛力的金屬材料，密度低、高比強(qiáng)度和比剛度、易加工，在汽車行業(yè)、航空工業(yè)以及造船工業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。所以，鋁合金先進(jìn)焊接工藝的研究是一項(xiàng)持續(xù)性工程，需要不斷開發(fā)和創(chuàng)造，才能促使鋁合金得到更廣泛的應(yīng)用。此外，鋁合金先進(jìn)焊接工藝的出現(xiàn)必然會(huì)降低鋁合金生產(chǎn)焊接成本，提高焊接生產(chǎn)效率和焊接裝備的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對(duì)于鋁合金焊接生產(chǎn)而言，要認(rèn)識(shí)到鋁合金先進(jìn)焊接工藝的發(fā)展方向和發(fā)展需求，結(jié)合鋁合金的焊接特性，科學(xué)合理推動(dòng)鋁合金焊接技術(shù)朝著自動(dòng)化、高效化和現(xiàn)代化方向發(fā)展。