Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接技术的应用进展*

刘成文，吴志远，左立杰，李国庆，陈范铭，朱文静，贺毅强，陈劲松

(江苏海洋大学 江苏省先进材料功能调控技术重点实验室，江苏 连云港 222005)

0 引言

铝合金因其优异的耐腐蚀性、高强度比、高韧性等特点已成为海洋工程装备研究的热点材料之一。但高强韧耐腐蚀铝合金由于焊接性能差，焊接工艺复杂，这严重限制了其在海洋工程装备上的应用，如船舶、钻井平台部件等。在科技发展和海洋强国战略目标指引下，船舶行业迅速崛起，新的焊接技术不断出现，焊接技术的进步扩大了铝合金在海洋工程装备上的应用范围。铝及其他铝合金材料的焊接方式已经不再只是单纯地局限于传统的焊条式电弧焊、普通电弧焊、气体保护焊等基本焊接工艺和方法，高质量、高效率、低成本、低能源、低劳动强度的焊接技术一度成为铝合金焊接的研究方向[1]。

1 Al-Zn-Mg-Cu系合金特性及应用

纯铝的强度较低，限制了其作为结构材料的应用场景。在纯铝中加入适量的合金元素(如硅、铜、镁、锰)，采用固溶强化、时效强化及弥散强化等方法均可以提高其强度。其中，船用板材变形铝合金的主要类型包括用于Al-Mg型体系的5A01，5A30，5A70以及用于Al-Zn-Mg型体系的7A19合金。Al-Zn-Mg合金具有中等强度、可焊接性能好等优点。Al-Zn-Mg合金中加入适量的Cu元素可大幅提高合金的塑韧性，尤其是耐腐蚀性能，但Cu元素的添加降低了合金的焊接性能。如果能解决Al-Zn-Mg-Cu的焊接难题，那么该合金势必会成为海洋工程装备轻量化设计的首选材料之一。

Al-Zn-Mg-Cu系合金是以Zn为主要强化元素，可经热处理强化的铝合金。在适当的热处理条件下，其强度可达400～800 MPa，又称高强度或超高强度铝合金，如7A52，7075，7475等。它具有比强度高、加工性能好、断裂韧性高等优点，广泛应用于航空航天、军工国防、轨道交通、造船等领域[2]。但焊接工艺和质量尚存在一些难题，为此很多科研工作者在焊接工艺、成分设计等方面对Al-Zn-Mg-Cu系合金进行研究，进而提高其焊接性能，以期可以将其稳定地应用在海洋工程装备上。

2 Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接的难点

Al-Zn-Mg-Cu系合金的热裂现象较为严重，而焊接需要在高温下进行，因此，对于热裂严重的合金其焊接性能往往也差强人意。刘国永[3]采用熔化极气体保护电弧焊工艺对T6态的Al-5Zn-Mg-Cu合金板进行了焊接，发现焊缝处的抗拉强度、冲击韧性和断裂韧性等机械性能均低于母材，同时，焊缝边缘区域组织的“过时效”致使热影响区的应力腐蚀开裂敏感性增加[4]。

符建民等[5]采用钨极氩弧焊工艺焊接对Al-4Zn-3Mg-Cu合金的研究发现，该铝合金焊接时产生裂纹的诱因如下：焊合合金中，有化学杂质成分；不当的机加工装配配合方法；焊接过程中不合理的工艺参数；不规范的焊接操作等。故需要有针对性地采取适当方法来避免裂纹的产生。

由此可知，Al-Zn-Mg-Cu系合金传统焊接的焊接头性能较差，难以实现对高难度焊件的焊接需求。Al-Zn-Mg-Cu系合金在海洋环境服役条件下存在着很多焊接问题，如焊缝存在气孔导致开裂，杂质成分会使铝合金焊接时产生裂纹，以及海洋装备材料中至关重要的抗应力腐蚀性能差等。随着焊接技术的发展，研究者开始尝试使用新的焊接工艺，以期能够解决该焊接难点问题。因此，新的焊接技术、焊接参数以及工艺的优化设计、海洋工程装备材料的成分优化等，一度成为海洋工程装备材料推广应用的研究热点。

3 Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接技术发展方向

目前Al-Zn-Mg-Cu系合金应用较为广泛的焊接方法有熔化极气体保护电弧焊(MIG焊)、电子束焊、激光焊和搅拌摩擦焊等[6]。

3.1 熔化极气体保护电弧焊(MIG焊)

铝合金焊接方式中应用较为广泛的是MIG焊，尤其是双丝MIG焊。其特点在于去膜和熔敷效率好，并且所用的保护气体为氩气，具有时间和成本的优势。

张传臣等[7]分别利用单、双丝气体保护焊对Al-5Zn-3Mg-Cu合金厚板进行焊接。结果表明：双丝焊接接头可以有效地减少Zn元素的挥发，其焊接头综合性能均优于单丝焊接工艺；且双丝MIG焊的焊接速度相当于普通单丝焊的2～4倍；熔敷效率也大大提高，是普通单丝焊的3倍。陶传琦等[8]通过对15 mm厚的Al-5Zn-2Mg-Cu合金MIG焊和激光-MIG复合焊的研究发现：复合焊接头力学性能略高于MIG焊，同时焊接效率远高于MIG焊，且其焊接热输入低于MIG焊。

乔琳崴[9]采用Super-MIG机器人焊接系统，焊料为直径1.2 mm的ER5356铝硅焊丝；采用等离子-MIG复合焊接方法对4 mm厚的Al-6Zn-3Mg-2Cu合金进行对接试验。通过查阅数据，发现焊接速度、MIG电流和等离子电流对Super-MIG的焊接参数都有影响，而焊接力矩高度则影响着等离子气流速度，其他参数对其影响不大。梁媛媛等[10]采用单因素方法研究各参数对焊缝质量的影响。结果显示，送丝速度和焊接速度对焊道几何尺寸影响较为明显；送丝速度提升，焊道余高和熔宽均增大，而焊接速度提升，焊道余高和熔宽则减小。这与王安平等[11]的研究结果吻合。王安平等[11]还得出结论：焊接电流由160 A增加到240 A时，焊缝熔深和熔宽均增加；电弧电压由20.5 V增加到25 V时，焊缝熔宽逐渐增加，熔深变化很小。由此可以看出，影响焊缝成型质量的主要参数是送丝速度、焊接速度、焊接电流和电弧电压。

传统的焊接方式被取代将是大势所趋，很多学者已经致力于探究更加先进的焊接方法。类似于复合MIG焊的焊接方法也在不断更新，势必会推动实现船舶用Al-Zn-Mg-Cu系合金的轻量化，相信对于Al-Zn-Mg-Cu系合金的MIG焊的探索会更进一步深入。

3.2 电子束焊

电子束焊分两大类，即真空和非真空电子束焊。应用广泛的是真空电子束焊。真空电子束焊的优势主要可概括为精准、迅速、高功率、低密度、穿透性能强、可控制性好、防护效果佳。能量密度高可大幅降低热影响范围，提高焊接连续点的强度，从而防止热裂纹等不良缺陷的出现；穿透性较强使其可用于各种材料的难以焊接的铝合金厚板。因此，在航空、飞机和汽车制造等领域，对于质量技术要求较高的一些铝合金零部件，均可以采用这种焊接方法。如运载火箭的贮盒壳体、汽车变速器传动齿轮等都会使用电子束焊[12]。

翟熙伟等[13]在20 mm厚Al-5Zn-3Mg-Cu合金的电子束焊接实验中，对其力学性能进行分析。结果表明，在电压 60 kV、电子束流120 mA、聚焦电流763 mA、焊接速度 800 mm/min的条件下，可得到良好的焊缝表面。

Wang等[14]对Al-8Zn-2Mg-2Cu合金电子束焊接接头组织分别进行了焊接热处理、老化处理以及阶梯式溶液处理。对比结果发现，热处理后焊接接头的机械性能得到一定程度的提升，阶梯式溶液处理对焊接接头的强化作用要大于老化处理。

电子束焊的优势很多，但亦有一些弊端限制了其广泛应用。首先，真空环境中操作复杂，成本较高，而且真空室很大程度上限制了焊接工件的尺寸与形状；其次，在焊接时电子束对于焊接位置的稳定性不是很好，易引起焊接的位置错误；再次，一旦受到电磁场的影响，焊接质量会大大下降。此外，为了保障操作人员的安全，需要注意防护电子束焊时产生的X射线[15]。

3.3 激光焊

激光焊技术诞生于20世纪60年代，其主要的优点体现在3个方面：首先，能量密度高，穿透深，焊缝受到热影响的区域小，变形小，接头强度高；其次，生产速度快，效率高；最后，焊接工艺过程中可以通过自动化及精密管理，实现针对密闭透明物体内部的各种金属材料的焊接[16]。由于铝合金在空气或电磁波辐射下对激光具有极高的反射力，且导热性能较好，因此，铝合金在激光焊接过程中容易产生气孔、热裂纹等缺陷[17]。此外，铝合金因高温强度低，其焊缝在焊接中容易产生塌陷或接头软化等缺陷[18]。为了有效克服铝及铝合金材料在焊接工艺中的不足，针对激光焊接工艺国内外均开展了大量研究[19]，开发出复合式激光焊、双束式激光焊和超声波振动式激光焊[20]等方式。

冯聪等[21]通过实验发现，激光等离子弧焊能很好地适应板焊接中的间隙和错位。近年来，国外研究者也对激光焊作了大量探究。如Evdokimov等[22]在小孔激光焊接过程中发现，钢和铝在熔池中混合会生成复杂的异种组织，进而引起焊接金属力学性能的变化。还有学者采用真空激光焊接技术，以150 mm/min的速度，使用16 kW的激光两道焊缝，生产了80 mm厚的SA5083级钢。

激光焊接铝合金因其优势突出[23]，在Al-Zn-Mg-Cu系合金中的应用也十分普遍。焊接时热输入较小并且能够保证热源集中，特别是用光纤激光焊接铝合金时，可以保证能量更加集中，激光波长却更短，从而明显改善了高反射现象[24]。陈超等[25]研究了Al-5Zn-3Mg-Cu合金激光焊接接头的单级时效行为，确定了合理的单级时效工艺。结果表明，Al-5Zn-3Mg-Cu合金激光焊接焊缝和母材在不同温度下达到峰值硬度所需的时间基本相同。当老化温度从120 ℃升高至160 ℃时，接头时效硬化速度明显加快，达到峰值硬度的时间明显缩短。

采取该焊接技术有利于取代传统的铝合金焊接件，可以减少铝合金板材厚度，从而达到轻量化和高强度的目的。此外，铝合金对激光的反射效果明显，为了保证有效熔深，通常选用较大功率的参数进行焊接，这进一步恶化了焊缝的元素挥发现象[26]。采用激光电弧焊可以改善这一缺点，并保留激光焊的优势，将激光和电弧这两种物理机制、能量传输机制均不相同的热源结合在一起，使其既具有激光的高能量密度，也具有电弧的高输入热量。张德芬等[27]对比研究了铝合金激光焊和激光-MIG电弧复合焊，实验结果表明，激光-电弧复合焊的抗拉强度高、铺展性好、焊缝晶粒更均匀、细小程度更好。王旭[28]对 Al-8Zn-2Mg-Cu铝合金进行激光电弧焊接，并对焊接接头采用475 ℃×1 h固溶+120 ℃×24 h时效处理，实验结果显示，焊缝区抗拉强度提高，延伸率也提高。

3.4 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊通过安装在搅拌摩擦焊机主轴上的搅拌头高速旋转，然后逐渐下压至待焊金属板接缝中心处，此时搅拌头与金属板相接触从而产生剧烈摩擦及材料的塑性变形产热，使搅拌头搅拌区域的金属温度上升、软化，从而达到高塑性状态[29]。

国内外学者和研究人员对不同类型铝合金的搅拌摩擦焊作了大量研究，取得了丰硕的成果[30]。如黎俊初等[31]对Al-6Zn-3Mg-2Cu合金钢筋FSW焊件与非保温钢筋焊件的研究，将二者同时进行180 ℃受热作用时效优化处理，发现经同等温度工艺保温加热条件处理后，非保温钢筋焊件对其回拉反弹率、抗拉动力强度以及抗拉伸长率程度均明显高于所参加受热条件处理后的保温钢筋和焊接头。

李然等[32]对外径为110 mm、厚度为17 mm的Al-6Zn-3Mg-2Cu合金液压油缸进行了环形焊接试验，得到了内部无缺陷且成形良好的焊接接头，再对其进行了拉伸、硬度、金相组织等测试分析。结果表明：焊接接头的抗拉强度为360 MPa，可达母材的66%；焊缝组织分区明显，焊核区为再结晶等轴晶粒，明显细化，热影响区组织发生变形，并受热粗化；焊接接头硬度分布呈“W”形，焊核区顶部硬度达到了母材硬度，前进侧的热影响区处硬度最低。

冯莹莹等[33]对Al-6Zn-3Mg-2Cu合金焊接过程温度场与流场的变化规律进行了研究。结果表明：焊接过程中，焊接温度是后退侧低于前进侧，材料流速是前进侧低于后退侧，焊缝的最高温度出现在肩缘内侧。焊接后上述铝合金的力学性能得到改善。另外，当焊接压力和速度减小时，相应的焊接速度也相应降低，这样可以提高焊缝成型性。消除表面沟槽缺陷可以通过提高焊接压力或提高转速来实现，而消除内孔缺陷可通过降低转速来实现。

搅拌摩擦焊的固态特性导致了熔焊过程中常见的气孔、溶质重分布、凝固裂纹和液化裂纹等缺陷[34]。针对这些缺陷，目前主流的优化研究方法有超声波辅助、表面改性等。超声波辅助搅拌摩擦焊能改善焊缝成形，使接头内部的孔洞以及隧道缺陷大幅度减少。山东大学采用焊接工件表面加载超声波方法进行搅拌摩擦焊，是国内较早开展超声波搅拌摩擦焊的单位[35]。国内还有学者提出了在待焊工件底部和背板施加超声能量的方法[36-37]，均获得了不错的效果，在实际操作时，尝试调整超声施加的位置，可以达到更好的效果。金玉花等[38]采用滚动轧制对Al-6Zn-2Mg-2Cu铝合金搅拌摩擦焊焊缝进行双面滚压，接头表层晶粒明显细化，细晶强化层深达200 μm，残余应力得到改善。Terumasa等[39]使用飞秒激光喷丸技术处理7075-T73铝合金 FSW 接头，实验结果表明疲劳寿命明显提高。

Al-Zn-Mg-Cu系合金的搅拌摩擦焊具有零部件无任何焊接变形、残余应力较小、焊接接头的整体综合力学性能较好、成本低、适应区域广、焊接品质好等优点[40]。主要局限性则是由于焊接过程中的机械动力较大，焊接的设备必须具有很好的机械刚性。搅拌式摩擦焊技术作为先进的固态联动式连接加热技术，其应用得到特别重视，在现代化运载加热工具发展到高速化、轻型化的过程中，技术上的经济效益更加明显。

4 总结与展望

(1) 通过大量实验得出，双丝MIG焊和激光-MIG复合焊比MIG焊更具有优势，在今后Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接中的应用也将更加广泛。

(2) 在对Al-Zn-Mg-Cu系合金的焊接研究方面，搅拌摩擦焊的研究最多，对电子束焊的研究较少，还需要进行更多的实验，从而使Al-Zn-Mg-Cu系合金的焊接技术更加成熟。针对不同的合金系，找到并采取最优的焊接方法。

(3) 铝合金船体的焊接控制不仅包含铝合金船体焊接的自身和工艺，而且还要掌握好焊接前的各个环节。唯有全面考量船用Al-Zn-Mg-Cu系合金在加热焊接前、加热中所遇到的各种问题，才能确保铝合金船体加热焊接后形状尺寸稳定。

(4) 我国船用铝材工业化走过曲折道路，未来也将有着广阔的市场前景。随着我国铝合金焊接工艺技术的进一步发展，Al-Zn-Mg-Cu系合金在船舶工业领域中的应用将更加广泛。随着船舶用Al-Zn-Mg-Cu系合金的焊接方法与成果不断创新，我国船舶焊接制造技术将不断发展和进步。