铝合金焊接研究现状及发展趋势

谭永杰

（广西田林百矿铝业有限公司）

摘要：铝合金是现今工业生产中应用最为普遍的一种有色金属材料，其本身具有重量轻、抗低温、耐腐蚀、无磁性、弹性小等独特性能。铝合金激光焊接工艺相较于传统焊接工艺，具有热输入量及热影响小、焊接过程自动化等优点。铝合金抗腐蚀、耐低温、导热导电性好，工业生产广泛应用，但焊接困难。现代有色金属焊接工艺的进步，将有利于我国工业的进步。本文从铝合金的分类及其焊接性出发，介绍了钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊、熔化极惰性气体保护焊、激光焊、激光-电弧复合焊在铝合金焊接中的研究现状，并对铝合金焊接未来的发展方向进行了展望。

关键词：有色金属；铝合金；焊接方法

一、铝合金焊接的概况

铝合金是轻质高强材料的代表，而焊接是铝合金结构之间连接的主要方式，在焊接过程中，由于铝合金材料本身的性质，在铝合金表面会产生一层致密的氧化膜，其主要成分是三氧化二铝，这是一种熔点较高的物质，因此要想对铝合金进行焊接就要采用大功率密度的焊接工艺，同时由于铝合金的导热性能极好，因此焊接的热量很大一部分会被铝合金基材导走，这就要求对铝合金焊接必须要速度很快，在焊接后经常发现铝合金焊接处容易产生气孔或热裂纹，导致在焊接后的焊缝处强度系数较低，并且软化严重，容易变形，因此采用先进的焊接方法并控制好焊接工艺参数显得格外重要。

二、铝合金的分类及其焊接性

铝合金根据所含主要合金成分的不同，分为8个系。1系是含Al≧99.0%的纯铝，2系是Cu，3系是Mn，4系是Si，5系是Mg，6系是Mg-Si，7系是Zn，8系是其他合金。铝合金根据加工方式的不同分为锻造铝合金和铸造铝合金。根据铝合金是否可进行热处理强化，分为可热处理强化铝合金和非热处理强化铝合金。纯铝熔点约660℃，而焊接用铝合金熔点是560～650℃，具有较高导热性，焊接时要用能量集中的大功率热源。焊接过程中熔池没有金属颜色变化，易造成塌陷。焊接铝合金时，易出现氢气孔，因为氢在铝合金中的溶解度，会由液态时69mL/100g变到0.036mL/100g，使气体在熔池快速凝固时来不及溢出而成为气孔。合金一般有较宽的脆性温度区间，线膨胀系数大，约是低碳钢的2倍，凝固时平均收缩率约5%，因此铝合金焊接中易产生变形和热裂纹。铝合金与氧的亲和力大，暴露在空气中表面会生成一层氧化膜，熔点约2050℃，焊接时阻碍填充金属与基体的润湿，易造成夹渣。对于锻造铝合金，焊后易软化。

三、铝合金的理化特性

1、易氧化。铝和氧的亲和力很强。在常温下，铝表面就能被氧化成厚度约0.1～0.2m致密的AL，0薄膜。虽然这层氧化铝薄膜比较致密，能防止金属的继续氧化，对自然防腐有利，但它给焊接带来了困难，这是由于氧化铝的熔点（2050%）远远超过了铝的熔点（600%左右），比重约为铝的1.4倍。

2、有较大的导热系数和比热容。铝的导热系数为钢的4倍，故铝比钢在焊接时要消耗更多的热量，故采用功能大的热源。

3、易形成气孔。由于氢能大量溶于液态铝，而几乎不溶于固态铝，在熔池结晶时，溶于液态铝中的氢几乎全部析出，形成气泡，因铝和铝合金比重较小，气泡在熔池中浮升速度较小，加上铝的导热性强，冷凝快。所以焊缝易产生气孔。

4、易形成热裂纹。铝的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大约一倍，易产生较大的焊接变形和应力，导致裂纹产生。

5、烧穿和塌陷。铝及铝合金由固态转变为液态时，无明显颜色变化，不易判断熔池温度，故在焊接时，常因温度过高导致烧穿或严重塌陷。

四、铝及其合金的焊接特点

1、采用热量集中的焊接特点

从物理性能上看，铝及其合金具有导热性强而热量大，线膨胀系数大，熔点低和高温强度小等特点。焊接时，首先必须采用能量集中的热源，以保证熔合良好；其次，要采用垫板和夹具，以保证装配质量和防止焊接变形。例如，纯铝在370～C左右时强度不超过9.8N/mm2，因此焊接时不能采用悬空方式，否则会因支持不住溶池液态金属的重量而破坏焊缝成形。

2、有氧化膜，焊接时需要阴极清理

从化学性质上看，铝及其合金表面极易形成难熔的氧化膜（三氧化二铝的熔点2050°C），而铝只有660°C，所以焊接时必须先除氧化膜，否则会造成焊缝金属夹渣及未熔合。

3、溶池不易观察

铝及其合金由固态转变为液态时，并无颜色的变化，因此也不易确定接缝的坡口是否熔化，造成焊接操作上的困难。

4、焊缝气孔倾向大

首先，液态铝对氧的溶解速度比固态下大20倍左右，加上铝导热快，气体来不及逸出而造成气孔；其次，三氧化二铝易吸附水分而使焊缝产生气孔；母材及焊丝未清理干净（油和水）、保护气体不纯也是造成气孔的一个方面。

5、焊接接头的等强性

铝合金焊接后接头软化，表现在强度或塑性有所下降，这种接头的性能上的薄弱环节，可以存在于焊缝、熔合区或热影响区三个区域中的一个区域之中。

五、常用焊接方法的特点

1、铝合金的交流TIG焊接

（1）对于交流TIG焊接，最常用的是交流方波。即用电源输出的交流负半波对铝合金氧化膜进行破碎处理（也称为“阴极破碎”），正半波对铝合金进行熔化焊接。

（2）交流TIG焊接的优、缺点

优点：交流TIG一般适用于焊接薄板（3mm以下）；具有电弧稳定、成形美观、焊件变形小、操作灵活等优点；最适合于焊接尺寸较精密的小零件。

缺点：由于受钨极允许电流密度的限制，它的熔透能力小，对于厚板需要开坡口，采用多层焊，由此导致热输入量大，焊接变形大，接头性能下降，尤其是塑性性能；对工件及焊丝的清理要求高。

2、熔化极气体保护焊（MIG）接的优、缺点

优点：适用于焊接厚度8mm以上的铝或铝合金的板材；生产效率是TIG的3-5倍。

缺点：气孔倾向比TIG焊大；焊接线能量大，焊接变形大；同样对工件及焊丝的清要求高。

六、铝合金的焊接方法

1、钨极氩弧焊。钨极氩弧焊是目前广泛应用的铝合金焊接方法，用金属钨做电极，惰性气体为保护气，具有设备简单、价格便宜、成型好、电弧稳定等优点。西华大学的李龙庆等人，采用普通的交流TIG焊和随TIG焊旋转挤压的方法焊接2A12铝合金薄板，发现随TIG焊旋转挤压法对变形和气孔有更好的控制效果，而且焊缝的组织晶粒要细小均匀得多，有效提高接头的力学性能。拉伸试验中试样均断裂在焊缝区，而且随焊旋转挤压法的焊接接头的抗拉强度和屈服强度比普通的TIG焊高出20%。印度的S.BABU等人，采用脉冲TIG焊技术焊接AA6061铝合金，得到了更细小的熔合区晶粒和更高强度的接头。研究发现，焊接参数中峰值电流和基值电流是最重要参数，决定熔合区的晶粒尺寸AA6061铝合金焊接接头的抗拉强度。

2、搅拌摩擦焊。搅拌摩擦焊是上世纪90年代被英国的焊接研究所研发的，由于其属于固相焊接，能有效克服熔化焊带来的缺陷，在铝合金的连接方面越来越受到认可。湖南化工职业技术学院的吴兴欢等人，采用搅拌摩擦焊技术焊接5A02铝合金板材。以转速800r/min和120mm/min的焊速进行焊接，试验得到的焊接接头的抗拉强度最大，可达母材的91.21%，而且焊缝中无任何缺陷。法国的VincentProton等人，使用搅拌摩擦焊技术焊接2050铝合金，研究其接头的腐蚀性为。熔核内的晶界和晶粒易受腐蚀，腐蚀性为与微观尺度上的不均匀性有关，试件上观察到的宏观上的不同腐蚀性为是由于从顶部到底部的腐蚀行为不同造成的。

3、MIG焊。MIG焊以焊丝作电极，惰性气体保护下进行焊接，由于使用焊丝做电极，可以使用大电流，使得母材熔深大，变形比TIG焊小，焊接铝合金时采用反接，具有良好的阴极雾化作用。西南交通大学的江超等人对高速列车用A6005-T6铝合金进行MIG焊试验，研究其抵抗裂纹扩展的能力。热影响区的冲击功最大，焊缝的冲击功最小，通过使用CTOD和J积分两种方法分析发现，热影响区抵抗裂纹扩展的能力最好，而焊缝最差。焊缝上的气孔和夹杂较多，塑性较差，热影响区的韧性更加优越。上海工程技术大学的杨尚磊等人，采用MIG焊技术焊接A6N01铝合金，熔合区为柱状晶组织而焊缝区为等轴晶，热影响区的过时效区晶粒最为粗大，并形成了HAZ软化区。母材会析出短棒状的β’过渡强化相，热影响区会析出粗大的稳定强化相β。焊缝的显微硬度最低，接头的抗拉强度为母材的87%。

4、激光焊。铝及铝合金的激光焊接是最近十几年才发展起来的一种新技术，与传统的焊接方法相比，有功率密度大、热影响区小、焊接变形小等优点。天津大学的王小博等人，以NaCl、ZnCl2等卤化物为活性剂使用Nd：YAG激光焊接6061铝合金。卤化物活性剂能降低激光等离子体的温度，减少等离子体对激光的散射、折射以及逆韧致吸收，增大透过等离子体照射在试件表面的激光功率密度，增加激光对试件的热输入，使焊缝熔深增大，活性剂改变了熔池内金属的流动状态使熔深进一步增大。德国的J.P.Bergmanna等人，通过给脉冲Nd：YAG激光叠加二极管激光器改善了铝合金激光焊接的焊接性。通过二极管激光器的预热增加Nd：YAG焊接激光的吸收率。此外由两个激光构成的热循环模式为凝固提供有利的条件，有效减少或避免热裂纹。

5、激光-电弧复合焊。用激光焊接铝合金有许多优势，但仍有设备成本高、接头间隙允许度小等缺点，为有效焊接铝合金，发挥激光焊接优势，发展激光-电弧复合焊接工艺。合肥工业大学的徐晓波等人，使用激光-MIG复合热源焊接6061-T6铝合金。复合焊接接头抗拉强度为母材的57%，而焊缝区域的显微硬度为母材的65%，看出明显存在接头软化现象。焊缝中的气孔和接头软化等缺陷影响焊接结构的力学性能。意大利的AlessandroAscari等人，使用激光-GMA混合热源焊接28mm的AA608铝合金板材，研究孔隙度和工艺参数的关系。GMAW的电流明显影响孔隙的形成，但不会影响电源间距。

七、铝合金焊接常见缺陷分析

1、裂纹

裂纹形成的原因有很多种，对于某些含共晶相及杂质相比较多的铝合金，在焊后冷却过程中，容易形成裂纹。因为铝合金的线膨胀系数和凝固体积收缩率比较大，在焊缝冷却时容易产生拉伸变形。此外，铝合金在冷却凝固的过程中，在一定的温度范围内存在液态和固态金属，此时的铝合金强度和塑性都很低。在这个温度范围内，容易产生裂纹，特别是在这几种情况共同存在的情况下，裂纹发生情况更加严重。裂纹的存在会产生应力集中，降低了整个焊接结构的强度。对于裂纹的检验方法，有经验的工作人员可以直接凭视觉进行评估。为了保险起见，还可以采用量尺或者X光进行检测。

2、气孔

铝合金焊接中容易产生气孔，因为在铝合金焊缝中存在着氢，它的溶解度随着温度的下降会不断减少。当焊缝凝固时间短时，焊缝中的气泡就来不及排出，最终会形成气孔。气孔的存在降低了焊缝的强度和塑性，也降低了焊缝的冲击韧性。跟气孔形成相关的因素有很多，比如平均电弧电压、焊嘴高度以及焊接环境等。当平均电弧电压较低时，容易引起电弧失稳飞溅，从而破坏焊缝平衡，带入更多的氢进入焊缝中。焊嘴高度越大，焊丝端部温度越高，保护区域效果减弱，从而增加焊缝中氢的含量，易形成气孔。此外，外界环境湿度也会影响气孔的形成。对于气孔的检验方法，表面的气孔可以借助放大镜等工具进行外观检验。对于焊缝内的气孔则需要借助致密性检验或者X光检验。

3、焊缝成型不良、咬边以及夹渣

焊接成型不良的主要表现是焊缝中心高于两边，整个焊缝面凹凸不平，比较粗糙。咬边会使焊缝的实际工作面积减小，容易产生应力集中，降低焊缝强度。焊接成型和咬边缺陷都是由于焊工操作不当造成的。比如焊接电压过高、焊接速度过快等都会引起上述缺陷。针对焊接成型和咬边缺陷，企业应当提高焊工的焊接技能和工作素质，对焊接产品要严格把关。焊接中出现夹渣缺陷主要是因为焊缝坡口清除不干净或者焊丝产生的氧化物污染物。

八、针对铝合金焊接常见缺陷采取的措施

1、裂纹。第一，选取合适的焊接铝合金，避免使用那些含共晶相及杂质相比较多的铝合金，铝合金中含有少量细化晶粒的变质剂可以有效防止产生热裂纹。第二，采用熔化极自动氩弧焊等加热集中的焊接方法，该焊接方法有效防止裂纹产生。第三，在焊接时可以将焊缝开坡口或者采用双面焊，还可以采取分段焊以及焊前预热等，这都可以降低焊缝产生裂纹的可能性。

2、气孔。第一，选择高的输入热量或者增加熔池的搅动，能够延长焊接时间，使氢气尽可能完全的排出焊缝。第二，可以采用钨极双面同步氩弧焊法。一方面能够增加保护气体的保护效果，另一方面也能搅拌熔池，避免氢气的进入，同时排出焊缝中的氢气。第三，保持焊接环境干燥，对焊接坡口进行清洗烘干，可以有效避免气孔的产生。

3、夹渣缺陷。应当对焊接坡口进行及时清理，控制焊接环境，避免杂质进入焊缝。在对咬边进行检测时，先用主尺靠紧焊缝的一边，然后将高度尺移动到刚好接触焊缝的另一边。这个测量出来的高度值就是咬边量，要根据标准和实际需要对咬边量进行控制。

九、铝合金焊接研究现状及发展趋势

近年来，改进创新的TIG和MIG焊、激光焊、激光-电弧焊及FSW就是比较先进的铝合金焊接新方法，在国内外高新领域的应用越来越多。随着铝合金焊接方法与技术的不断成熟，铝合金材料在制造业领域中的应用会更加深入。反过来，制造业的需求也必将促进铝合金焊接技术的进一步发展。现在，传统的TIG、MIG焊设备随着计算机技术进步不断改进和创新。高能密度焊接设备在高科技铝合金产品制造业中的应用也越来越广泛。焊接技术发展逐步向高质量、高效率、低成本、低劳动强度、低能耗方向发展。焊接过程自动化、智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件的重要方向。

结语：

总之，目前包括电子束焊和激光焊在内的高能量束焊都以能量大、焊缝深宽比高和速度快等优势备受青睐。但是，这种高能量束焊技术仍然存在着一定的缺陷，首先，铝合金在用激光进行焊接时，其对能量的反射是比较大的，这就导致它的吸收效率较低；其次，这种焊接技术会带有裂纹、气孔、未焊透和焊缝成型变化等常见的问题，甚至会出现特殊缺陷；第三，这种技术会由于铝合金成分挥发的散失，使其强度变低，无法达到应用中要求的强度。铝合金的焊接技术先进与否直接影响铝合金结构的外观、力学性能等，因此必须不断优化铝合金的焊接工艺，在对铝合金的焊接工艺进行选择时要综合考虑方法先进程度、焊接效率以及成本问题，并不断改进现有焊接方法，以提高铝合金焊接处的整体性能。

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