铝及铝合金焊接工艺的现状和发展趋势

姜桂柯

摘要：对铝及铝合金焊接特点进行分析，比较了TIG、MIG、PAW不同焊接方法焊接铝及其合金时的优缺点。通过搅拌摩擦焊及变极性焊接两种焊接工艺的介绍，结合本企业产品，对两种焊接方法的应用进行了展望。

关键词：铝合金 搅拌摩擦焊 搅拌头 变极性 TIG/PAW

随着科学技术的发展，低密度、高强度金属材料越来越多地得到应用，铝合金以其低温特性、质量轻、强度高的优点，已经被广泛应用在航空航天、机车和民用工业中，成为一种重要的加工材料。

在铝合金的加工过程中，铝合金的焊接是其中一个重要的加工环节。铝合金导热快在空气中容易被氧化，其表面形成一层致密、难熔、体积质量大的氧化膜，阻碍基体金属的熔合。所以对于铝合金焊接必须可靠清理其表面致密氧化膜，才能保证正常的焊接。

目前铝合金的焊接方法有交流TIG、直流氩弧TIG、熔化极气体保护焊MIG、穿孔变极性等离子焊接、真空电子束和激光以及搅拌摩擦焊等，但应用较多的仍然是交流TIG和MIG两种方法，其余的不是工艺或设备不成熟，就是设备价格昂贵、应用场合受限制等因素而没有得到广泛应用。在此通过对铝及其合金焊接特点及常用焊接方法的分析，对目前比较先进的铝合金焊接技术一搅拌摩擦焊和变极性焊接进行简要介绍。

1.铝及其合金的焊接特点

1.1.采用热量集中的焊接特点

从物理性能上看，铝及其合金具有导热性强而热量大，线膨胀系数大，熔点低和高温强度小等特点。焊接时，首先必须采用能量集中的热源，以保证熔合良好；其次，要采用垫板和夹具，以保证装配质量和防止焊接变形。例如，纯铝在370～C左右时强度不超过9.8N/mm2，因此焊接时不能采用悬空方式，否则会因支持不住溶池液态金属的重量而破坏焊缝成形。

1.2.有氧化膜，焊接时需要阴极清理

从化学性质上看，铝及其合金表面极易形成难熔的氧化膜（三氧化二铝的熔点2050°C），而铝只有660°C，所以焊接时必须先除氧化膜，否则会造成焊缝金属夹渣及未熔合。

1.3.溶池不易观察

铝及其合金由固态转变为液态时，并无颜色的变化，因此也不易确定接缝的坡口是否熔化，造成焊接操作上的困难。

1.4.焊缝气孔倾向大

首先，液态铝对氧的溶解速度比固态下大20倍左右，加上铝导热快，气体来不及逸出而造成气孔；其次，三氧化二铝易吸附水分而使焊缝产生气孔；母材及焊丝未清理干净（油和水）、保护气体不纯也是造成气孔的一个方面。

1.5.焊接接头的等强性

铝合金焊接后接头软化，表现在强度或塑性有所下降，这种接头的性能上的薄弱环节，可以存在于焊缝、熔合区或热影响区三个区域中的一个区域之中。

总之，由于铝合金焊接的敏感性，往往存在着检验工序多、气孔率高、焊接变形大以及接头强度系数低（只达母材的60%-80%）等缺点。

2.常用焊接方法的特点

铝及其合金常用的电弧焊接方法主要有交流钨极氩弧焊（TIC）和熔化极气体保护焊（MIG）。

2.1.铝合金的交流TIG焊接

2.1.1.对于交流TIG焊接，最常用的是交流方波。即用电源输出的交流负半波对铝合金氧化膜进行破碎处理（也称为“阴极破碎”），正半波对铝合金进行熔化焊接。

2.1.2.交流TIG焊接的优、缺点

优点：交流TIG一般适用于焊接薄板（3mm以下）；具有电弧稳定、成形美观、焊件变形小、操作灵活等优点；最适合于焊接尺寸较精密的小零件。

缺点：由于受钨极允许电流密度的限制，它的熔透能力小，对于厚板需要开坡口，采用多层焊，由此导致热输入量大，焊接变形大，接头性能下降，尤其是塑性性能；对工件及焊丝的清理要求高。

2.2.熔化极气体保护焊（MIG）接的优、缺点

优点：适用于焊接厚度8mm以上的铝或铝合金的板材；生产效率是TIG的3-5倍。

缺点：气孔倾向比TIG焊大；焊接线能量大，焊接变形大；同样对工件及焊丝的清要求高。

总之，以上两种焊接方法具有工艺要求高，对焊接材料的要求高，容易产生气孔，接头性能下降等问题。

3.铝及其合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种新兴的固态连接方法。通过搅拌针和轴肩与工件之间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充人搅拌针后所形成的空腔内，从而实现可靠的连接。它不仅具有传统摩擦焊接的优点，而且突破了传统摩擦焊接只能焊接轴类零件的限制，可以焊接板类零件，实现多种接头形式，不同位置的焊接。

与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有以下特点：

3.1.焊接过程无熔化，因此无气孔、裂纹、夹渣等缺陷；

3.2.无需保护气体和填丝；

3.3.残余变形小、应力低；

3.4.接头组织性能优于熔焊；

3.5.全机械化操作，效率高。

由于搅拌摩擦焊的焊接温度低于合金元素的熔点，从而避免了合金内易挥发元素和低熔点元素的损失，接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷，因此适用于熔化温度较低、塑性较好的有色金属铝、铜的焊接。对于焊接材料而言，搅拌磨擦焊可以焊接所有牌号的铝合金，包括可以熔焊的5000、6000系列铝合金和熔焊难以焊接的2000、7000、铝锂合金材料；同时搅拌磨擦焊还可以实现不同种材料的连接。正常情况下，搅拌磨擦焊不需要焊丝和保护气，焊接过程消耗较少，焊接接头强度可以达到母材金属的80%以上。

搅拌头是搅拌摩擦焊的关键，最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成。搅拌头的几何外形和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式，对于给定板厚的材料来说，焊接质量和效率主要取决于搅拌头的外形和几何设计。因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。

4.铝及其合金的变极性焊接

变极性焊接能够在保证最佳焊接质量的同时，提高焊接效率、降低焊接变形，同时使弧焊方式按照实际需要的阴极清理强度和密度进行铝合金焊接。铝及其合金的变极性焊接有变极性TIG焊接、变极性等离子焊接。

4.1.铝合金的变极性TIG焊接

变极性电源可以分别设置正向焊接电流、反向清理电流和清理密度。变极性区别于交流的最大特点是：变极性的电源是直流，而不是交流。变极性控制部分只是在程序设定的时段内将焊接电流迅速反向，并同时定义其输出的大小，使之具备反向阴极清理的功能。在反极性阶段，电源可以采用更高的电

流迅速破碎铝合金表面的氧化膜。

在焊接过程中由于钨极的烧损情况与钨极正向电流的时间和大小有关，变极性电源通过短时间和大电流来满足阴极清理，使得钨极端头能保持锥状，有利于电弧能量的集中。为了保证钨极承受大电流的能力，交流TIG焊时钨极则需要被预制成滴球状，降低了电弧能量的集中程度。由于电源良好的输出特性，采用变极性焊接电源进行铝合金焊接，可以获得焊接熔深大、热影响区窄、接头的强度和塑性指标高等焊接效果。

采用变极性TIG焊接工艺，可以一次焊透至少6mm厚度的铝合金。

4.2.铝合金的变极性等离子焊接

铝合金的变极性等离子焊接是在变极性TIG焊接的基础上发展起来的。产生于美国20世纪80年代，主要用于航天产品的焊接。目前国内也逐渐在航天及民用产品中应用此工艺。

变极性等离子焊接具有很高的能量密度和电弧射流速度，射流速度可达到300-2000m/s（普通电弧射流速度为80-150 m/s）；具有压缩电弧特性，使其在焊接过程中具有穿孔焊接的特点；等离子弧柱挺度好，热量集中，因而可以得到很好的熔深；等离子焊缝窄，热影响区小，铝合金接头强度高；正面焊接和阴极雾化的时间可以以0.1ms设置，加大清理和焊接的密度，容易保证焊接的质量和效率；更好地延长钨极的使用寿命，降低焊缝夹钨的风险。

采用变极性等离子焊接工艺，可以一次焊透至少16mm的铝合金（对某些铝合金，如采用He或He+Ar气体，一次可焊透25mm），并能实现双面成形，具有焊缝气孔少、焊接变形小和接头强度高（达到母材的0.8-1.0）等优点。

变极性TIG焊接需要控制的焊接参数较少，而对变极性等离子焊接系统相对变极性TIG需要控制的焊接参数较多，并且控制精度和响应速度要求更加严格。能够实现变极性等离子焊接的变极性电源与控制系统，可以轻松实现变极性TIG焊接。由于等离子焊枪较重，焊接过程要求平稳，所以变极性等离子焊接只适合于自动焊接。其设备主要包括等离子焊接电源、等离子焊枪、自动送丝系统、控制系统、智能温控水箱、焊接工装等。

5.结论

5.1.搅拌摩擦焊技术能够实现铝及其合金等难以熔焊金属的优质高效连接，目前已经广泛应用于航空航天、高速列车、船舶、电力、建筑、汽车和装饰行业所用铝、镁、铜及其合金的连接。

5.2.在国外，变极性TIG/PAW焊接已经是非常成熟的工艺，被广泛应用于对焊接质量有严格要求的厚大铝合金件的精密焊接。

5.3.目前，随着工厂电控产品和城市轨道车辆市场份额的加大，对铝合金箱体和铝合金车体的焊接制造技术及焊接质量要求会越来越高，常用的焊接方法已经不能满足效率及质量的要求。搅拌磨擦焊和变极性焊接方法会随着铝合金材料的大量使用而得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]张宏光.铝合金变极性TIC/PAW焊接技术及其应用，2006

[2]周振丰.金属熔焊原理及工艺.北京：机械工业出版社，1982

[3]姜焕中.电弧焊及电渣焊.北京：机械工业出版社，1988