厚板高强铝合金焊接发展现状

不大不小谢

2018年3月2日 14:31

摘要结合高强铝合金焊接的特点、难点，介绍了几种目前国际上焊接高强厚板铝合金的新工艺，新方法—搅拌摩擦焊、双丝MIG焊、激光一电弧焊；与传统电弧焊相比，它们在厚板高强铝合金焊接方面更具优越性。

1 厚板高强铝合金的特点

1.1 高强铝合金的性能特点

高强铝合金因具有高的比强度和比刚度、耐腐蚀性能好、无磁性、低温性能好以及良好的加工和力学性能，成为航空航天、轻型战车结构的理想材料。随着现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的强度和综合性能提出了更高的要求。高强铝合金制造各种结构材料和零部件主要是通过焊接成形，因此焊接性能是其重要的工艺性能指标。铝合金焊接有几大难点：

(1)铝合金焊接接头软化严重，强度系数低；

(2)铝合金表而易产生难熔的氧化膜，需要采用大功率密度的焊接工艺；

(3)铝合金焊接容易产生气孔；

(4)铝合金焊接易产生热裂纹；

(5)线膨胀系数大，易发生焊接变形；

(6)铝合金导热率大(约为钢的4倍)，相同焊接速度下，热输入量要比焊接钢材大2-4倍。

1.2 厚板高强铝合金的焊接特点和难点

厚板高强铝合金除了具有普通铝合金焊接的特点外，由于其厚度大，再加上铝合金的高导热性，采用普通的焊接方法时，因其焊接热输入量小，需采用多层多道焊，而焊缝表面很容易形成的高熔点氧化铝，会导致焊缝夹渣，而且焊后热裂纹严重，焊缝强度不高，所以普通焊接方法对厚板的焊接难度非常大。鉴于厚板高强铝合金以上的焊接特点和难点，要想得到优良的焊缝，就需要采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

国际焊接界围绕着高强铝合金尤其对于厚板的焊接瓶颈问题做了大量的研究，成果显著。近些年来发明了几种新的焊接工艺，在交通、航天、航空等行业得到了一定应用，几种新工艺可以较好地解决铝合金焊接难点，焊后接头性能良好，并能对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

2 厚板高强铝合金的焊接新工艺

2.1 厚板高强铝合金的搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是通过高速旋转的搅拌头与被焊材料间的剧烈热机联合作用而实现的固相连接。搅拌摩擦焊在铝合金材料的焊接中具有常规熔焊方法难以实现的优点，它可将厚板一道焊完，并得到焊后变形小、机械性能优良的焊缝。

搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.2-6.0 mm的铝合金板材焊接问题；发展到1997年就实现了12-25mm厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用。1999年搅拌摩擦焊可以焊接50 mm厚的铜合金及75mm厚度的铝合金零件和产品；2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100mm厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8-100.0mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。

2.2 高强铝合金的双丝MIG焊

2.2.1双丝MIG焊的原理

早期的双丝焊，两根焊丝通过同一个导电嘴，这种方法的特点是两根焊丝的电位相同，只是送丝速度不同，无法对两个电弧分别进行控制，焊接参数非常难调。德国CLOOS公司开发出了“TANDEM"双丝焊接技术，该技术将两根焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊槍里，两根焊丝分别由各自电源独立供电，相互绝缘，除送丝速度可以不同外，其他所有的参数都彼此独立，两根焊丝的直径、材质甚至用或不用脉冲都可以不一样，这样可以最佳地控制电弧，在保证每个电弧稳定燃烧的前提下，将两个电弧的相互干扰降到最低。

TANDEM双丝MIG焊时，两根焊丝以一定角度前后排列，前丝焊接电流较大，以便形成较大的熔深，后丝电流稍小，起到填充盖面的作用；两根焊丝充分利用电弧的能量互为加热，大大提高熔敷率，使熔池里有充足的熔融金属与母材充分熔合，因此焊缝成形美观。一前一后两个电弧，大大加长了熔池的尺寸，熔池中的气体有充足的时间析出，气孔倾向极低。这种焊接方法虽然电流大，但焊接速度很快，因此热输入量反而小，焊接变形也很小。与其他焊接技术相比，熔敷速度快、焊接效率高、焊接质量好、飞溅少。双丝焊接系统组成示意如下图所示。

2.2.2 厚板高强铝合金的双丝MIG焊

目前超硬铝合金中厚板的焊接主要采用单丝熔化极氩弧焊(MIG)，通常用粗焊丝大电流或细焊丝高电流密度来焊接。对于前者而言，大电流焊接会因焊接热输入过大而导致晶粒严重粗化，降低接头性能，焊缝成形差、容易产生“皱皮”现象；后者用细丝大电流密度焊接时对送丝速度要求极高，当送丝速度无法满足时，焊接则不能正常进行。因此，利用双丝焊技术焊接中厚板超硬铝铝合金，通过协调器可调整各自参数，形成统一熔池，最大限度地满足电弧控制要求，从而获得满意的焊缝，同时又提高了焊接效率。

实验证明，TANDEM双丝 MIG焊熔敷效率是单丝普通焊的3倍，焊接速度也可以提高1-3倍。对于厚板高强铝合金焊接性能良好，例如用TANDEM双丝MIG焊焊接40mm厚的7A52铝合金，通过对试板焊接后力学性能检验，双丝的焊接接头抗拉强度平均为250-270 MPa，有的高达280MPa，均超过母材强度的60%，同时焊后焊缝的热裂纹、气孔明显减少；而单丝的焊接接头抗拉强度平均只在240-260 MPa，虽然也达到了母材的60%，但比双丝焊明显低一个档次。

2.3 高强铝合金的激光一电弧焊

2.3.1 激光一电弧焊的原理

由于铝合金对激光的高反射和自身的高导热性，使得母材对激光的利用率低，从而限制了激光在铝合金厚板焊接中的应用。为了提高激光利用率，解决焊接厚板时焊接熔深浅的问题，目前，国际上焊接高强厚板铝合金的另一热点是将激光一电弧复合起来进行焊接。这种工艺被认为是综合了激光与电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，同时，通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的祸合特性和电弧的稳定性。

电弧的介入，不仅可以降低金属表而对激光束的反射率，而且电弧等离子体将吸收光致等离子体，从而有效提高了激光束的能量传输效率。复合焊工艺同时降低了激光焊接产生深熔焊时的阂值要求。而与传统焊接工艺相比，能量密度大大提高，减小了热影响区。焊后接头强度系数大大提高，同时复合焊接成形性好，残余应力、焊后变形小。激光电弧复合焊是将物理性质和能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成了一种全新高效的热源。因此激光电弧复合热源将是铝合金的理想焊接热源。其原理如下图所示。

2.3.2 厚板高强铝合金的激光一电弧焊

用激光焊接铝合金时存在的问题是：由于铝合金对激光的高反射性，铝合金对激光的吸收率不仅很低而且没有规律，反射的激光可能对其他焊接部位、焊接设备、甚至操作人员造成意想不到的危害；其次由于铝合金表而的氧化膜，使得焊缝成形很不规则，并且有凹坑出现，有时还有严重的飞溅；当焊接某些铝合金时，由于铝的导热性良好，使得产生的气泡不能及时浮出表而，从而造成大的气孔和裂纹。

1997年，Shida Tomohik等人研究发现，利用电弧激光顺序焊接可以较好地解决上述问题。电弧和激光的相对位置如下图所示。MIG电弧在前形成熔池，激光束在后作用于熔池的后半部分，这种焊接方法对于铝合金厚板的焊接效果非常好。