焊接工艺在铝材加工中的应用研究

邹 超，郝先芃

（龙口市丛林铝材有限公司技术部，山东 龙口 265705）

铝合金属于轻金属材料范畴，因为其具备较强的耐腐蚀性、优良的热导性和电导性、高比强度和比模量等众多优势，不但在航空航天领域内有着大量应用，同时还是轻型轿车、汽车以及现代高速列车等诸多产品不可或缺的生产材料。伴随现代科技的迅速发展，铝材加工的焊接工艺日趋多样化。当前，在铝材加工过程中常用的焊接工艺主要有MIG、激光焊接、搅拌摩擦焊以及电子束焊接等等。

1 铝合金焊接概述

所谓“铝合金焊接”，主要指的是对铝合金材料进行焊接的过程。铝合金，具有轻质量与高强度的特征；常用的焊接方法是自动MIG焊与手工MIG焊两种，以上两种方法所使用的焊接装置、保护气体、焊丝以及母材等都是不同的。对于铝合金的加工及保存而言，应确保有“防水、防尘、干燥”环境；环境温度往往需超过5℃、湿度应小于70%，过高的湿度通常会显著加大焊缝出现气孔的概率，进而对铝材加工的焊接质量造成巨大的负面影响。此外，空气的不断流通可能会对气体保护产生影响，进而形成焊接气孔；对于此现象，可以加装挡风板来防止室内穿堂风造成的影响。在开展铝合金焊接作业时，应当注重采取以下几种防护举措：第一，在焊接作业开始前采取化学或者机械形式将焊丝外表以及工件四周的氧化物清理干净；第二，在焊接环节应当使用符合要求的保护气体来加以保护；第三，在气焊过程中使用熔剂，在焊接时持续以焊丝挑破熔池外表形成的氧化膜。

2 铝合金的焊接性

在铝合金焊接凝固的过程中，熔池当中的气体由于无法及时向外逸出而比较容易会产生气孔。当铝合金完全暴露于空气当中时，其表面会在很短时间内产生较高熔点的氧化膜(A12O3)，其熔点大约是2050℃，远远超过铝（熔点约为660℃）及铝合金（熔点约为560℃）的熔点；在焊接过程中，难以熔化的氧化膜则会对母材与填充金属的熔合产生影响，造成氧化物中出现夹渣。在对铝合金进行焊接时，熔池金属的颜色并未发生任何改变，极易引起塌陷或者焊穿问题。铝合金散热速度快、热导率较大，在焊接过程中需消耗大量的热量。在对厚板进行焊接时，通常都应对焊接部位展开预热。当处于熔化状态的铝合金完全结晶凝固以后，其体积可能会减少6%左右。因此形成的收缩应力或许会造成出现焊接裂缝以及工件形变。针对进行热处理后的铝合金，因为焊头通过了比较大的热循环，焊头的热影响区强度则会有较大程度的降低，其抗拉强度往往会下降30%～40%。

3 焊接工艺在铝材加工中的应用

3.1 MIG焊接工艺在铝材加工中的应用

现阶段，可应用于铝材加工的MIG焊接方法有很多，比如：第一，直流MIG焊。在铝材加工过程中应用直流MIG焊方法，保持电源输出电流的方向和大小不发生变化，现阶段的应用相对偏少。第二，直流脉冲MIG焊。又可称作“脉冲MIG焊”，在铝材加工时，选择周期性改变的脉冲电流进行焊接，能够对焊接热输入和熔滴过渡等加以高效调控，目前有着较多的应用。第三，直流双脉冲MIG焊。其主要有双脉冲加等速送丝和单脉冲加低频脉冲送丝两种送丝方式，前者送丝比较简单、后者送丝较为繁杂。双脉冲MIG焊，通过低频脉冲调整滴过渡的高频脉冲（低频的范围是0.5Hz～50Hz、高频的范围是50Hz～300Hz），借此以取得周期性改变的强弱脉冲群。在铝材加工过程中应用该焊接工艺，得到的焊缝外观呈鱼鳞状，可有效控制气孔出现的几率。相较于铝合金MIG焊工艺，双脉冲MIG焊在铝材加工中的运用有着较为明显的优势，其大大拓宽了电流的应用范围；能够对熔池尺寸以及熔滴过渡等进行有效控制，达到全方位的焊接；能够有效调整热输入量，增强焊头的质量；能够得到美观的焊缝；能够增大焊头间的缝隙（最大缝隙可以达到3mm）；能够使裂纹的敏感性有较大幅度的下降；能够提高熔透能力，有利于中厚材料的焊接。

双脉冲MIG焊在铝材加工中应用的基本原理如下：①熔池搅拌。在双脉冲MIG焊运用过程中，电弧不仅可以传递物质和供应热能，而且还具备较强的刚性，可以在熔池内进行搅拌，相较于传统脉冲MIG焊方法，可以获得更好的搅拌效果，能够对细化晶粒和粗晶进行破碎，加快气体的排出速度，大大加强焊接接头的性能。②熔滴冲击。在铝材加工过程中应用双脉冲MIG焊工艺时，熔化后的焊丝通过射滴（亚射滴）形式过渡到熔池内，熔滴包含有很多的动能和热能，从而对熔池产生冲击，增强搅拌效果，进而加强焊接接头的性能。③双脉冲协同强化。相较于传统脉冲MIG焊方法，双脉冲下强弱脉冲群呈周期性改变趋势，二者共同作用能够在很大程度上加强熔池搅拌的效果，借此以得到更加强的熔透能力。④低频诱发熔池共振。双脉冲MIG焊接工艺的频率比较低，而熔池本身的振动频率也是非常低的，所以在铝材加工焊接作业过程中，熔池极易产生共振作用，从而不断加强焊接质量。

3.2 激光焊接工艺在铝材加工中的应用

3.2.1 双光束激光焊

所谓“双光束激光焊”，主要指的是两束激光共同对焊件外表产生作用的焊接工艺。其实现途径主要有以下两种：第一，用两台单独运行的激光器实施耦合；第二，以分光系统将单束激光分解成两束光。在使用双光束激光焊时，两光点有3种不同的排列形式。在光点连线与焊接方向相平行时，呈串行排列；与焊接方向相垂直时，呈并行排列；除此以外，还能够与焊接方向成特定的角度。在光点并行排列的时候，焊缝的宽度与串行排列相比大10%，可适当减少对装配的需求。

3.2.2 激光填丝焊

激光填丝焊，不仅具备传统激光焊工艺的优势，还能够优化焊缝成形、降低装配要求、提高冶金性能、加强力学性能以及避免出现热裂纹等等，进而能够有效拓宽激光焊工艺的运用范畴，更加适用于铝材加工的焊接。此方法的核心技术就是处理好焊丝的送进装置及送进形式等问题，为确保焊丝长期处在激光光斑的照射下，焊丝应当具备较强的指向性及刚直性，此对于送丝机构的校直作用有着更加严格的要求；除此以外，还需要采用手段对光致等离子体进行调控。

3.2.3 激光+电弧复合焊

激光+电弧复合热源将电弧与激光这两类完全不同的能量传输机制、物理机制的热源相互结合起来，并且对工件的相同部位产生作用，热源的互相强化和互相作用以形成“协同效应”，可以得到“1+1>2”的效果，具备高效率、大熔深以及强搭桥力等诸多特征，是近几年内迅猛发展的焊接效率较高的工艺，已成为铝材加工激光焊接的主要研究方向。按照电弧与激光所处空间位置的差异，激光+电弧复合焊可划分成旁轴复合与同轴复合两种形式。现阶段的研究大都采取旁轴复合形式，此形式较为简单、便利，然而其工艺参数较为繁杂，对于焊接空间有着极高的要求，同时电弧与激光成特定角度会造成热源作用的不对称性；同轴复合则不会出现以上问题，然而其对于焊接设备有着严格的设计要求。激光+电弧复合焊发展初期应用的激光功率偏小，主要是通过激光对电弧进行压缩、增强或者诱导，电弧是必不可少的成形要素。当前，大功率激光器有着广泛的运用，激光渐渐占据着焊缝成形的主导地位，电弧主要发挥合金元素过渡、激光吸收率提升等各类作用。

3.3 搅拌摩擦焊工艺在铝材加工中的应用

搅拌摩擦焊，具有环保、绿色、成本低、质量高等众多特征，是激光焊接后出现的新型焊接工艺。搅拌摩擦焊的出现及不断发展，引起了全球各国焊接行业的高度重视；相较于以往的熔化焊接方式，搅拌摩擦焊有着熔化焊难以企及的优势：在焊接作业时并未满足材料的熔点要求，如此就不会产生裂纹或者气孔等问题；不会形成辐射、烟尘或者飞溅等现象，不会对焊接人员的身体健康造成影响；无需添加焊丝，可大幅减少焊接费用。因为其具有诸多优势，搅拌摩擦焊工艺可应用于镁、铝等轻质合金，特别适用于7XXX系列（Al-Zn）合金、2XXX系列（Al-Cu）合金，同样可应用于钢合金、钛合金、镁合金以及铜合金等合金的焊接。

搅拌摩擦焊工艺在铝材加工中应用的基本原理如下：搅拌摩擦焊选择旋转速度较快的、外观独特的搅拌头用作焊接工具，在刚开始焊接时将处于高速旋转状态的搅拌头以特定的下插速率插入到2块试板的连接缝隙当中，在插入到事先设置好的深度时（也就是搅拌头的轴肩和工件的外表无缝接触），通常会停留0.2s，搅拌头顺着焊接的方向进行旋转运动。轴肩和工件外表摩擦形成的热量与搅拌针搅拌形成的热量使得焊缝温度有所提高，接头金属充分塑性软化，软化后的金属跟随搅拌头的运动而不断移动，产生持续性的塑性流，塑性流里面的金属与塑性流触碰的部分金属因为软化情况的差异，将会形成程度完全不同的塑性变性能。搅拌头将发生塑性形变的材料填充搅拌头后侧的空腔，同时在搅拌头轴肩和搅拌针搅拌、挤压的共同作用下以达到材料的连接。

4 结论

综上所述，要想加强铝材加工的效率和质量，则应采用更加先进的焊接工艺和方法。近几年内，伴随科学技术的日益创新发展，MIG焊、激光焊以及搅拌摩擦焊等相对先进的焊接工艺，在铝材加工行业有着愈来愈广泛的应用。在铝材加工焊接工艺日益完善的背景下，铝合金材料将会渗透到各行各业当中；反过来，各行各业不断增长的诉求同样必定会推动铝材加工焊接工艺的不断创新。当前，传统MIG焊和TIG焊装置得益于计算机技术的发展而有较大幅度的提升。相较于熔化焊接工艺，搅拌摩擦焊可以有效防止铝材加工过程中产生各类缺陷，可以形成性能较强的接头；以往焊接性能相对偏低的中高强度铝材，使用搅拌摩擦焊则可得到强性能的接头。