(1)

1 鋁合金焊接的特點

鋁合金由于重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結構產品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結構重量可減輕50%以上。

鋁合金焊接有幾大難點:

①鋁合金焊接接頭軟化嚴重,強度系數低,這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙;

②鋁合金表面易產生難熔的氧化膜(Al2O3其熔點為2060 ℃) ,這就需要采用大功率密度的焊接工藝;

③鋁合金焊接容易產生氣孔;

④鋁合金焊接易產生熱裂紋;

⑤線膨脹系數大,易產生焊接變形;

⑥鋁合金熱導率大(約為鋼的4倍) ,相同焊接速度下,熱輸入要比焊接鋼材大2～4倍。

因此,鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。

2 鋁合金的先進焊接工藝

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

2. 1 　鋁合金的攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英國焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固態塑性連接工藝。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與工件間的攪拌摩擦,摩擦產生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態,并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動,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,是一種固態連接過程,故焊接時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,如鋁及高強鋁合金、銅合金、鈦合金以及異種材料、復合材料焊接等。目前攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應用較多。已經成功地進行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。國外已經進入工業化生產階段,在挪威已經應用此技術焊接快艇上長為20 m 的結構件,美國洛克希德?馬丁航空航天公司用該項技術焊接了鋁合金儲存液氧的低溫容器火箭結構件。

鋁合金攪拌摩擦焊焊縫是經過塑性變形和動態再結晶而形成,焊縫區晶粒細化,無熔焊的樹枝晶,組織細密,熱影響區較熔化焊時窄,無合金元素燒損、裂紋和氣孔等缺陷,綜合性能良好。與傳統熔焊方法相比,它無飛濺、煙塵,不需要添加焊絲和保護氣體,接頭性能良好。由于是固相焊接工藝,加熱溫度低,焊接熱影響區顯微組織變化小,如亞穩定相基本保持不變,這對于熱處理強化鋁合金及沉淀強化鋁合金非常有利。焊后的殘余應力和變形非常小,對于薄板鋁合金焊后基本不變形。與普通摩擦焊相比,它可不受軸類零件的限制,可焊接直焊縫、角焊縫。傳統焊接工藝焊接鋁合金要求對表面進行去除氧化膜,并在48h 內進行加工,而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可,并對裝配要求不高。并且攪拌摩擦焊比熔化焊節省能源、污染小。

攪拌摩擦焊鋁合金也存在一定的缺點:

①鋁合金攪拌摩擦焊接時速度低于熔化焊;

②焊件夾持要求高,焊接過程中對焊件要求加一定的壓力,反面要求有墊板;

③焊后端頭形成一個攪拌頭殘留的孔洞,一般需要補焊上或機械切除;

④攪拌頭適應性差,不同厚度鋁合金板材要求不同結構的攪拌頭,且攪拌頭磨損快;

(二)

鋁合金激光- 電弧復合焊工藝中可控參數較多,主要有以下幾方面。

①激光功率和電弧電流電壓等:復合焊接對激光功率要求降低,同時功率因素對工藝影響很大,激光功率越大,熔深越大,而且這種影響力遠大于激光單獨焊接時對熔深的影響,增加電弧電源功率,熔化區寬度增加,熱影響區增大,若采用脈沖YAG激光器,可調節脈沖頻率和寬度以能提高工藝穩定性,減少氣孔的形成;

②焊接速度參數:隨焊接速度的增加,焊接熱輸入降低,焊縫熔深降低,而且不同的焊接速度影響匙孔的作用有所不同,從而影響焊接的穩定性;

③激光與電弧中心的距離:在一定范圍內,激光與電弧中心距DLA11越小則熔深越大,此時增加電弧電流不僅增加熔寬,而且增加熔深;

④激光與電弧配合方式:國際上對復合焊的研究一般采用激光垂直入射,電弧與激光束成一定角度,沿焊接方向激光或在電弧前或在電弧后,不同的設計安排影響復合焊接的工藝穩定性和焊接氣孔、裂紋的形成;

⑤填充材料的影響:通過填充焊絲、粉末來補充合金元素的燒損,增加焊縫強度,改善工藝性能,防止熱裂紋;

⑥保護氣體成分及流速:復合焊中保護氣體一般為Ar 、He 或Ar/ He 混合氣體,Ar 的電離能低,易于形成等離子體,與激光束光子形成耦合作用,不利于保護,所以純He 氣比純Ar 氣保護效果好,但從經濟角度來看Ar氣更經濟一些,國外有用Ar75%+He25%混合氣保護進行激光焊接,效果良好,且可改善工藝性能。其它還有一些因素影響,如焊前鋁合金表面的清潔,氧化膜的去除,焊后熱處理等。當焊接高強度厚板鋁合金時,可采用多道焊工藝達到完全熔透焊接,但厚板鋁合金焊接易產生氣孔、熱裂紋及焊縫軟化等問題,且其過程比較復雜。厚板鋁合金焊接變形嚴重,所以必須采用一些防變形的工藝[10～12 ] 。

2.4 鋁合金的電子束焊接

電子束焊是指在真空環境下,利用會聚的高速電子流轟擊工件接縫處產生的熱能,使被焊金屬熔合的一種焊接方法。電子束作為焊接熱源的突出特點是功率密度高、穿透能力強、精確、快速、可控、保護效果好。對于鋁合金電子束焊接,由于能量密度高可大大減小熱影響區,提高焊接接頭強度,避免熱裂紋等缺陷的產生。由于能量密度高,穿透能力強可對難以焊接的鋁合金厚板進行焊接。

同傳統電弧焊接鋁合金相比,電子束焊能量密度高3～4 個數量級,與另外一種高能量密度焊接工藝——激光焊接相當。因此焊接接頭的熱影響區非常小,接頭強度較傳統焊接方法提高很多。電子束的穿透性能好,可對大厚度的鋁合金進行施焊,焊后接頭力學性能良好。鋁合金焊縫金屬的抗裂性能隨著焊接能量密度的增加和熱輸入的減少而增加[13 ] 。所以鋁合金電子束焊接接頭的抗裂性能要比采用傳統焊接方法的焊接接頭高很多,一般要比氬弧焊焊縫高出1～1. 5 倍。鋁合金電子束焊焊后殘余應力小,變形小,對薄板焊后幾乎可做到不變形。電子束焊要求在真空條件下完成,真空是最好的保護手段,在這種條件下可以得到純凈的焊縫金屬,避免了空氣或保護氣體的污染。電子束焊接鋁合金在真空重熔時,焊縫中雜質含量微乎其微,焊縫氣體含量降低接近一半,從而焊縫塑性、韌性大大提高。電子束可控性好,可以方便地進行掃描、偏轉、跟蹤等,易于焊接過程的自動化,并且通過電子束掃描熔池可以消除缺陷,提高接頭質量[14] 。

電子束焊接獲得優良的焊縫的最有效方法是焊接過程中同時對剛剛焊過的焊縫進行掃描。回掃間距決定晶粒細化的可控程度,凝固組織可由粗大的柱狀晶轉化為細小等軸晶。對AlMg0. 4Si1. 2 合金進行掃描焊接與無掃描焊接相比,晶體主軸長度減少到無掃描焊接時的1/ 5 ;焊縫硬度提高80 % ,接近母材水平。鋁合金焊縫金屬晶粒細化程度對接頭性能有重要影響。采用具有回掃運動的電子束掃描焊接,可減少合金元素的損失,細化焊縫組織,使之變為細小的等軸晶,并提高硬度。對于已經成核生長的晶體,如果電子束掃描間距過小在電子束掃描時產生重熔,但導致電子束回掃細化晶粒的作用減弱[15] 。圖6 為晶體主軸長度與焊縫金屬硬度的關系,圖7為掃描頻率fs和焊接速度v 、焊縫金屬晶體主軸長度L 的關系。
鋁合金電子束焊時對電子束流非常敏感,尤其是對于大厚度鋁合金板焊接時,電子束流小時不能焊透,大時產生下塌,出現凹坑。鋁合金電子束焊接的另外一個難點是焊接氣孔。鋁合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3 和MgO ,容易吸收大量的水分是鋁合金焊縫中氣孔的主要來源。鋁合金表面氧化膜比重接近基體,容易進入焊縫產生夾雜、氣孔。尤其是防銹鋁合金電子束焊,氣孔問題較為嚴重。傳統TIG 焊鋁合金時通常采用大的熱輸入量并在較低的焊接速度下進行焊接,促使氫從熔池中逸出,而電子束焊接鋁合金時速度快,熱輸入量小,氫來不及從熔池中逸出,容易形成氣孔。通常電子束焊鋁合金采用表面下聚焦和較窄的焊縫以及掃描重熔的方法來防止氣孔的產生。另外,電子束焊。