鋁合金的焊接技術

鋁及其合金因具有良好的耐蝕性、導電性、導熱性以及高的比強度而廣泛應用於工業領域，鋁合金的產量僅次於鋼鐵的。近年來，隨著鋁合金在汽車製造、造船、國防和航空、容器製造、體育器材業等製造領域的廣泛應用，鋁合金焊接技術也在突飛猛進地發展。

一、鋁合金的焊接性

純鋁的熔點是660℃．焊接用的鋁合金熔點大約在560℃。鋁合金焊接有以下難點：

1鋁合金焊接接頭軟化嚴重，對於有熱處理強化性能的鋁合金，焊接接頭經歷了較大的熱循環．熱影響區強度退化較為明顯．其抗拉強度大約只有母材的60％～70％，這是熱處理強化鋁合金焊接接頭一個比較典型的焊接缺陷。

2合金表面易產生熔點很高的氧化膜23，其熔點為2060℃，焊接時難熔的氧化膜會妨礙填充金屬和母材的熔合，導致氧化物的夾渣；

3鋁及鋁合金焊接凝固時，熔池裡的氣體因來不及逸出而較易形成氣孔；

4熔化狀態的鋁及鋁合金在結晶凝固後，體積大約要縮減6％。由此所產生的收縮應力可能會導致工件變形和焊接裂紋產生；

5線膨脹係數大，易產生焊接變形；

6鋁及鋁合金焊接過程中，熔池金屬沒有顏色的變化，容易造成焊穿或塌陷；

7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的2倍～4倍。

二、鋁合金的傳統焊接技術

鋁合金的焊接要求採用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的焊接方法。目前，生產中常用TIG焊、MIG

焊來焊接鋁合金材料。

1、鎢極惰性氣體保護電弧焊（TIG）

1始於本世紀30年代，是最早的氣體保護電弧焊方法，它是為了適應活潑金屬(鋁、錳、鈦等)的焊接而產生的。TIG是以高熔點的鎢和焊件分別作為兩個電極，在兩電極之間用惰性氣體(氬、氦或氬氮混合氣體)隔絕空氣作為保護的一種電弧焊方法。其優點是：焊接過程穩定，焊後無需清渣，焊接接頭保護效果好，易於實現全方位和自動焊接。其缺點是：焊前清理要求高．主要是清除焊接接頭表面的汙物及氧化膜；鎢極承載電流能力較低，焊接熔深有限，生產效率低，適宜薄板焊接；惰性氣體較貴，生產成本高。

2、熔化極惰性氣體保護電弧焊（MIG）。為了克服TIG焊的熔深有限缺點，人們開始採用MIG焊。MIG是以連續送進的焊絲和焊件分別作為兩個極性不同的電極。在電極間高溫電弧熱作用和惰性氣體的保護下，將焊絲熔化、過渡並填充焊縫的一種電弧焊方法。其優點是：焊接過程以焊絲作為電極。採用高密度電流，焊接熔深大，熔敷速度快，生產效率高，可焊大厚度板材。

三、鋁合金先進焊接技術MIG、TIG能夠得到良好的焊接接頭，但是，這兩種方法卻有熔透能力差、焊接變形大、生產效率低等缺點。近年來，很多科技工作者開始探討鋁合金焊接的新方法，如激光焊、雙光束激光焊、激光-電弧複合焊以及攪拌焊摩擦等，下面主要介紹這四種焊接方法的主要特點。

1、鋁合金的激光焊隨著大功率、高性能激光加工設備的不斷開發，鋁合金激光焊接技術發展很快，傳統的TIG、MIG焊相比，激光焊接鋁合金具有以下優點；

1能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到熔化區和熱影響區窄而熔深大的焊縫；

2冷卻速度快，能得到組織微細的焊縫，故焊接接頭性能良好；

3焊接速度快、功能多、適應性強、可靠性高，且不需要真空裝置，所以在焊接精度、效率、自動化等方面具有無可比擬的優勢。激光有很高的能量密度，焊接鋁合金可以有效防止傳統焊接工藝產生的缺陷，強度係數提高很大。但激光器功率一般都比較小，對鋁合金厚板的焊接困難，同時鋁合金表面對激光束的吸收率很低，要達到深熔焊時存在閥值問題，所以工藝上有一定難度。

2、鋁合金的激光-電弧複合焊雖然激光焊接鋁合金有許多優勢，但仍存在較大的侷限性，如設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序嚴等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發展了激光-電弧複合焊工藝。激光-電弧複合主要是激光與TIG電弧、MIG電弧及等離子體複合。鋁合金激光-電弧複合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸收率以及深熔焊的閥等問題。用激光和電弧複合焊接方法來焊接鋁合金時，激光與電弧的相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產生良好的複合效應。能顯著提高焊接效率，這主要基於兩種效應：一是高的能量密度導致了高的焊接速度；二是兩種熱源同時作用在一個相同區域的疊加效應。

3、鋁合金的雙束激光焊

激光單獨焊接鋁合金時會產生由於鑰孔塌陷而產生的氣孔。對此，人們又研究了雙束激光焊，發現雙束激光焊有相對較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比，能提高鑰孔的穩定性，可以明顯地降低氣孔敏感性。原因在於雙束激光焊接時第一束激光產生熔池，並對附近區域進行預熱，累積的熱量使第二束激光照射該處時，可以熔化更多的母材，從而形成較寬的焊縫。此外，由於第二束激光能可以把第一束激光形成的鑰孔後壁氣化，避免了鑰孔的塌陷，所以形成氣孔的機率就要小一些。

4、鋁合金的攪拌摩擦焊

（FSW）雖然鋁合金的熔化焊所得焊縫為鑄態組織，且焊接接頭在熱循環作用下，會造成接頭力學性能下降。於是人們提出了攪拌摩擦焊這一工藝。它利用高速旋轉的攪拌頭和軸肩與金屬摩擦生熱使金屬處於塑性狀態，隨著攪拌頭向前移動，金屬向攪拌頭後方流動、填充、形成緻密焊縫，是一種固相焊接方法。鋁合金攪拌摩擦焊的優點：

1焊接接頭質量好。

FSW屬固相焊，焊接接頭不易產生熔焊時凝固過程中出現的裂紋、氣孔等缺陷；焊接溫度低於鋁合金熔點，能得到與母材組織相近的接頭且工件變形小；焊後沒有色澤變化。

2成本低。

不需填充材料和保護氣體；對裝配精度要求不高，焊前準備工序簡單；厚板焊接不需開坡口；接合機構簡單、易於管理、節能。

3不產生飛濺或難聞的煙氣，

也不發生紫外線或紅外線等有害光線。其缺點是：因焊接時需要施加較大的頂鍛壓力和向前驅動力，工裝設備較為複雜；焊接缺陷需要固相焊接方法補焊。