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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(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結(jié)構(gòu)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(shù)低,這也是阻礙鋁合金應(yīng)用的障礙;

　　 ②鋁合金表面易產(chǎn)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(chǎn)生氣孔;

　　 ④鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋;

　　 ⑤線膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生焊接變形;

　　 ⑥鋁合金熱導(dǎo)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(yè)得到了一定應(yīng)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(tài)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(zhuǎn)與工件間的攪拌摩擦,摩擦產(chǎn)生熱使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài),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(tài)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(fù)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(yīng)用較多。已經(jīng)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(jīng)進入工業(yè)化生產(chǎn)階段,在挪威已經(jīng)應(yīng)用此技術(shù)焊接快艇上長為20 m 的結(jié)構(gòu)件,美國洛克希德·馬丁航空航天公司用該項技術(shù)焊接了鋁合金儲存液氧的低溫容器火箭結(jié)構(gòu)件。

　　鋁合金攪拌摩擦焊焊縫是經(jīng)過塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶而形成,焊縫區(qū)晶粒細化,無熔焊的樹枝晶,組織細密,熱影響區(qū)較熔化焊時窄,無合金元素?zé)龘p、裂紋和氣孔等缺陷,綜合性能良好。與傳統(tǒng)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(qū)顯微組織變化小,如亞穩(wěn)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(yīng)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(tǒng)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(nèi)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(jié)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(yīng)性差,不同厚度鋁合金板材要求不同結(jié)構(gòu)的攪拌頭,且攪拌頭磨損快;

　　 ⑤工藝還不成熟,目前限于結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件,如平直的結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)簡單,主要有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭的移動速度、對焊件的壓力及攪拌頭的尺寸等。

　　2.2 鋁合金的激光焊接

　　鋁及鋁合金激光焊接技術(shù)(Laser Welding) 是近十幾年來發(fā)展起來的一項新技術(shù),與傳統(tǒng)焊接工藝相比,它具有功能強、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區(qū)小、焊接變形小、速度高、易于工業(yè)自動化等優(yōu)點,特別對熱處理鋁合金有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。可提高加工速度并極大地降低熱輸入,從而可提高生產(chǎn)效率,改善焊接質(zhì)量。在焊接高強度大厚度鋁合金時,傳統(tǒng)的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時形成大深度的匙孔,發(fā)生匙孔效應(yīng),則可以得到實現(xiàn)。

　　激光焊接鋁合金有以下優(yōu)點：

　　 ①能量密度高,熱輸入低,熱變形量小,熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大;

　　 ②冷卻速度高而得到微細焊縫組織,接頭性能良好;

　　 ③與接觸焊相比,激光焊不用電極,所以減少了工時和成本;

　　 ④不需要電子束焊時的真空氣氛,且保護氣和壓力可選擇,被焊工件的形狀不受電磁影響,不產(chǎn)生X射線;

　　 ⑤可對密閉透明物體內(nèi)部金屬材料進行焊接;

　　 ⑥激光可用光導(dǎo)纖維進行遠距離的傳輸,從而使工藝適應(yīng)性好,配合計算機和機械手,可實現(xiàn)焊接過程的自動化與精密控制。

　　現(xiàn)在應(yīng)用的激光器主要是CO2和YAG激光器,CO2激光器功率大,對于要求大功率的厚板焊接比較適合。但鋁合金表面對CO2激光束的吸收率比較小,在焊接過程中造成大量的能量損失。YAG激光一般功率比較小,鋁合金表面對YAG激光束的吸收率相對CO2激光較大,可用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo),適應(yīng)性強,工藝安排簡單等。

　　在焊接大厚度鋁合金時,傳統(tǒng)的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時形成大深度的匙孔,發(fā)生匙孔效應(yīng),則可以得到實現(xiàn) 。

　　鋁及鋁合金的激光焊接難點在于鋁及鋁合金對輻射能的吸收很弱,對CO2 激光束(波長為10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %;對YAG激光束(波長為1. 06 μm)吸收率接近5 %。