基于铝合金先进焊接工艺的探索

基于铝合金先进焊接工艺的探索

何君,毛德龙,王晓传

中车青岛四方机车车辆股份有限公司质量管理部 山东 青岛 266111

摘要：铝是地球上发现储量仅次于氧和硅的元素物质，往往以铝化合物的形式存在于明矾石、云母、铝土矿、长石以及高岭石等岩石和矿石中。纯铝属于白色轻金属，具有优良的延展性，往往可以制成铝板材、铝箔状、铝粉状、铝带状、铝丝状以及铝棒材等。它的活性较强，极易在空气中形成氧化膜，防止金属腐蚀，所以在电流输送为核心的工业领域应用广泛。我国是铝合金和金属铝的生产大国。随着铝合金焊接工艺的不断发展，铝合金在航空航天、精密电子产业和汽车产业中的应用极其广泛，推动了各行各业的发展。现阶段，铝合金焊接过程中往往借助非熔化极气体保护焊（TungstenInertGas,TIG）焊接工艺和熔化极惰性气体保护焊（MetalInert-gasWelding,MIG）焊接工艺进行铝合金装备产品焊接。尽管这两种焊接工艺可以保证焊接接头的稳定性，但是在实际运用过程中存在焊接变形较大、焊接熔透能力不高以及焊接线效率低下等弊病。近些年来，诸如激光焊、摩擦搅拌焊以及双数激光焊等铝合金先进焊接工艺不断发展推动了铝合金先进焊接技术的应用和铝合金装备产品的发展。因此，探索铝合金先进焊接工艺对铝合金在新市场中的推广和新材料应用具有重要的推动意义。

关键词：铝合金；先进焊接工艺；策略

1铝合金焊接概述

铝合金型材不仅重量轻，而且具有良好的抗压强度和耐腐蚀性。因此，它们被广泛应用于各种焊接产品中。在工业生产焊接过程中，经常会出现排气口、裂纹和接头“等强度”，极大地危及工业生产的质量。首先，焊接过程中的排气口主要由氡气引起，氡气的主要来源是各种因素形成的水。防止排气口的具体通道是去除熔池中的水分吸收。具体方法包括：焊接前必须解决焊接材料的干燥问题，焊接前应做好消除产品工件描述杂志和期刊的工作，确保氩气瓶内的含水量小于0.08%；焊接过程中，根据熔池持续高温的持续时间，改进焊接工艺，促进氢的析出。换言之，在连续高温条件下快速焊接可用于改善氢的沉淀。其次，焊接裂纹的根本原因涉及以下两个方面：第一，熔池中存在脆性温度范围。在从液体到冷却和冷凝的过程中，存在一个稳定的范围。抗压强度和脆性较低，极易发生焊接裂纹；其次，相对较大的焊接膨胀系数促进了熔池冷却过程中的较大拉伸变形，尤其是在脆性温度区，这提高了冷却和冷凝过程中出现裂纹的可能性。因此，它可以用来减少脆性温度区，改进焊接工艺，并添加其他化学元素，以避免焊接过程中出现过多裂纹。最后，针对非时效增强铝合金型材焊接过程中的等强度问题，采用淬火焊接，接头中部等强度，冷却时接头中部等强度；然而，对于时效强化铝合金型材，在淬火或冷却条件下，连接件之间会出现强度不等的情况。通过焊后热处理、增加垫块、注意焊接顺序等方法，可以防止接头强度不均。

2铝合金的焊接特点

铝合金自身具有质量轻、比强度高、高比模量、耐腐蚀性、高导电性、耐磁性、低温性能好、焊接成型好以及高导热性等特点，因此在各类焊接结构的装备产品中应用广泛[3]。但是，正因为铝合金质量轻的特性，铝合金在实际开展焊接的过程中极易出现接头软化的情况，导致铝合金整体强度系数降低，在一定程度上阻碍了铝合金装备产品的应用。具体来说，铝合金的焊接过程中的特点体现在以下几个方面：第一，铝合金在焊接过程中极易产生熔点较高的难溶氧化膜，所以在实际开展铝合金焊接的过程中往往依托于功率密度较大的焊接工艺；第二，铝合金在实际焊接的过程中极易产生气孔和热裂纹；第三，由于铝合金焊接过程中线膨胀系数会逐步增加，容易发生焊接变形，所以焊接工艺的技术要求标准较高；第四，与钢相比，铝合金的导热率更好，所以在同等焊接速度下，铝合金的焊接热输入往往比钢材大2～4倍。整体而言，铝合金焊接工艺务必采用焊接热输入量较小、焊接能量密度大以及焊接速度高的焊接工艺和焊接方法，以保证铝合金装备产品的质量。

3铝合金的先进焊接工艺

3.1高能密度焊

高能相对密度焊接包括激光焊接、正离子焊接、电子束焊接等，其中激光焊接始于1960年。关键是根据二氧化碳和钇铝紫齿黑激光器进行焊接。该焊接工艺不仅功率大、熔透性强、焊接速度快、能保持自动化工艺和精确操作，而且在具体的焊接工艺中还存在各种缺点。为了更好地克服激光焊接工艺中的不足，一些科学研究明确提出，根据TIG焊和MIGenterprise焊等复合焊接方法，消除了焊接的缺点，扩大了激光焊接的应用范围，提高了激光焊接的质量；电子束焊接始于1950年。其中，真空电子焊具有精度高、效率高、熔透性强的优点，尤其是高效能相对密度的特点，可以大大减少热危险区，提高接头处的焊接质量，避免接头处焊接裂纹的发生。适用于航空航天、汽车制造等行业厚铝夹板条件下的焊接。等离子焊接始于1980年。不仅功率密度很高，而且水射流速度更快，这使得动能集中在焊接过程中。焊接过程中变形小，接头中部均匀。焊接厚度可减少2.5cm，大大提高了焊接质量。目前，等离子焊接主要用于新的航空航天商品项目。

3.2铝合金激光焊接工艺

基于铝合金焊接的能量密度大和焊接速度高的特点，高性能、大功率的铝合金激光焊接加工设备也在不断研制和开发，促进了铝合金激光焊接工艺的发展，逐步成为现阶段铝合金先进焊接工艺的代表和重要发展方向。现阶段，铝合金激光焊接工艺在汽车行业中的部件连接上使用较为广泛，在全铝结构上可以形成接近30m的激光焊缝。与TIG焊接工艺和MIG焊接工艺相比，铝合金激光焊接工艺具有诸多优点。首先，铝合金激光焊接工艺的热输入量较低、能量密度较高，所以焊接的装备产品变形小，在熔化区和热影响区可以形成窄小深大的焊接缝隙。其次，铝合金激光焊接工艺能够在保证焊缝细微的基础上加速冷却，确保焊接接头性能优良。最后，整体焊接速度有所加快，具备了适应性强、功能性多以及可靠稳定的特征，尤其是摆脱了真空装置的束缚，所以焊接工艺自动化、焊接工艺效率提升以及焊接工艺精度提升都是其主要优势。作为高能密度的铝合金激光焊接工艺，通过激光焊接工艺的铝合金避免了传统铝合金焊接过程中因为工艺不成熟和工艺标准不高造成的缺陷，大大增加了铝合金装备产品的强度。

3.3搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊起源于1991年的美国。搅拌摩擦焊技术经过20多年的发展，已经有了长足的发展，并在工业生产中得到了广泛的应用。焊接混合焊接技术不仅成本相对较低，而且适应性强。尤其是接头处的综合物理性能提升了焊接质量的智能化水平，减少了对人的依赖。当最大的问题还不够时，整个焊接过程中的机械设备很强，焊接产品和工件的刚度很高。作为一种固体焊接技术，尤其是当它被纳入当代焊接水平法规时，具有明显的资金效率，将进一步取代固溶焊接技术，成为更好地焊接铝合金型材的关键技术方法。

4结论

铝及铝合金焊接技术广泛应用于工业生产中。随着焊接技术的飞速发展，焊接质量和焊接性能不断提高，极大地改善了传统焊接技术的诸多缺点，提升了铝合金结构的生产水平。有鉴于此，本文针对传统铝及铝合金焊接全过程中存在的问题，简要介绍了现代铝及铝合金焊接新技术，为积极开发和设计铝及铝合金加工技术，成长高性能铝合金产品提供了理论来源。

参考文献：

[1]史涛，刘翥寰，高忠林，等.汽车车身铝合金点焊的特点及对焊接设备的要求[J].焊接技术，2021(9):120-123.

[2]张艳辉，侯振国，苗佳，等.焊接道次对铝合金厚板性能的影响研究[J].焊接技术，2021(9):31-33.

[3]林雨廷，周广浩，白晶.铝合金蜂窝板钎焊接头超声波定量化检测研究[J].焊接技术，2021(9):136-138.

[4]蔡创，谢佳，刘致杰，等.铝合金摆动激光-MIG复合焊接特性及气孔控制[J].中国激光，2021(18):17-26.