王泽荫

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741000）

相对于钢铁材料，铝合金具有比强度高、相对密度小、塑性和韧性好等诸多优点，而且具有减轻重量、降低油耗、节约能源、减少污染等绿色环保的作用。所以在交通运输工具、航空航天器、电子元器件、机械结构件等的制作[1-3]等领域得到了广泛的应用，尤其在高铁、城市轨道交通、汽车、航空、电子、机械等行业，铝合金的需求量越来越大[4，5]。与日益增长的铝合金用量相比，铝合金的焊接设备及工艺显得有些落后，已经成为制约铝合金材料在上述领域大面积应用的主要瓶颈。

1 铝合金焊接时存在的问题

除了上述特点外，铝合金还具有化学性能活泼、易氧化、热膨胀系数大等特点，这些特点，导致铝合金在焊接过程中容易出现以下问题：

（1）氧化

铝合金易被氧化生成Al2O3，Al2O3熔点为2054℃，比铝合金的熔点高很多，Al2O3的真密度为3.973g/cm3，大于铝合金本身的密度。由于Al2O3以及其它杂质的存在，所以在焊接时，容易在焊缝中产生夹渣缺陷，降低了焊缝的力学性能。

（2）焊接变形

铝合金具有弹性模量低、导热和热膨胀系数大[6-10]的特点，这就导致在焊接过程中，材料的形变应力大，在形变应力的作用下，焊件将会出现横向、纵向、波浪、弯曲、扭曲等多种变形。

（3）晶粒粗大

铝合金热导率高，所以在焊接过程中，焊缝区和热影响区金属大量吸收热量，导致晶粒增长速度加快，晶粒粗大[11]。

（4）气孔

焊接过程中，由于弧柱区保护气体的密封不严以及保护性气体中存在微量水分，熔池金属吸收了周围环境中的H元素，结合形成H2泡。来不及逸出的H2气泡残留在焊缝中形成氢气孔。

（5）裂纹

铝合金焊缝区及近焊缝区存在的低熔点共晶体在受热后易熔化，熔化后的液态低熔点共晶体流失后，在晶界和亚晶界处留下缝隙，即裂纹。

（6）接头软化

铝合金在焊接过程中，熔池液态金属冷却速度快，极易凝固，凝固后形成α固溶体和非平衡共晶相[12]，并且随着冷却速度的进一步增大，晶界处形成的网状共晶组织使接头的强度和塑性降低，导致接头软化。

（7）焊缝下塌

液态铝的表面张力较小，焊接过程中不容易托住熔池，从而产生焊缝下塌现象。

2 传统的铝合金焊接技术

2.1 非熔化极惰性气体保护焊

非熔化极惰性气体保护焊的典型方式是钨极氩弧焊[13]。钨极氩弧焊的正负两极分别由钨极和被焊工件构成[14]，钨极的常用材料是纯钨或活化钨，其工作原理是在氩气或氦气的保护下，当接通电源时，钨极与工件间形成电弧热，在电弧热的作用下熔化母材和填充焊丝[15]，凝固后形成焊接接头。

按操作方式不同，非熔化极惰性气体保护焊分为：手工钨极氩弧焊和机械化钨极氩弧焊。

以氩气作为保护气体的TIG焊具有热量集中、焊件变形小、焊缝金属纯度高、力学性能好、焊接电弧稳定等特点，但TIG的载流能力较小，焊缝熔深浅，只适用于薄板的焊接。

双TIG焊可对焊件正反两面同时施焊，与TIG焊相比，具有焊接电弧更集中、熔深更大、热影响区更窄、焊件变形更小、不容易产生裂纹[16]等特点，适合于中厚板的焊接。

活性TIG焊，又称为A-TIG焊，是在焊接之前在工件表面涂覆一层活性剂（SiO2、TiO2、Cr2O3等）来改变电阻大小，提高热输入，增大焊缝的熔深和熔宽，改善焊缝的外观质量。

钨极氩弧焊随着钨极的烧损容易对焊缝形成钨污染，且钨极的价格昂贵。

2.2 熔化极气体保护焊

熔化极气体保护焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）的正负电极分别由填充材料（焊丝）和被焊工件构成，其工作原理是当接通电源时，正负电极间短路产生电弧热，在电弧热的作用下将填充材料和被焊工件熔化形成焊缝。

根据保护气体性质的不同，又将熔化极气体保护焊分为两类：熔化极惰性气体和熔化极活性气体保护焊。

熔化极惰性气体保护焊（Metal Inertia Gas，MIG）的保护气体主要是氦气和氩气，焊接时熔化极惰性气体保护焊不会产生熔渣，减少了焊后清渣的工序，生产效率高，适用范围广，易实现机械化和自动化。根据熔滴过渡形式的不同，熔化极惰性气体保护焊适用于焊接各种厚度的板材。

熔化极惰性气体保护焊由于其热输入量较大，所以在焊接时易变形、产生裂纹和烧穿现象；相对来说，惰性气体的价格较贵，因此焊接成本较高。

熔化极活性气体保护焊（Metal Active Gas Arc Welding，MAG），又称为混合气体保护焊，它是在氩气中加入一定比例的CO2，或者同时加入一定比例的CO2和O2。因加入的活性气体具有较强的氧化性，所以不适用于活泼金属如铝、镁、铜等及其合金的焊接。

3 新型铝合金焊接技术

3.1 激光焊接（LBW）技术

激光焊接（Laser Beam Welding，LBW）是以激光束为热源，以惰性气体（氦气、氩气、氮气）为保护气的一种非接触式焊接方法。激光焊接的核心部件是激光器，激光器的种类较多，在焊接技术中采用的是CO2激光器和Nd:YAG激光器。

激光焊接的熔深大小、焊接过程的稳定程度都与材料对激光能量的吸收率有关，吸收率越高，获得的焊缝熔深越大，焊接过程越稳定，反之，则会出现未熔合、未焊透、焊接过程中断等缺陷。材料对激光能量的吸收率与材料的电阻系数和材料的表面状态有关。

激光焊接技术在焊接过程中不需使用电极，其热输入量较小，相变范围和变形量也较小，具有焊接速度快、焊接变形小、接头质量好、焊缝深宽比大等优点。

目前，使用激光焊焊接铝合金材料仍存在很多难点：一是铝合金对激光的反射率较高，导致铝合金对激光能量的吸收率较低，不利于金属的熔化，产生焊接缺陷的可能性较大。提高激光能量吸收率的措施主要有工件的阳极氧化和喷砂处理、小孔诱导、改变激光器的参数来增加激光密度等；二是易产生氢气孔，产生氢气孔的原因有焊接区周围空气的入侵、焊接材料吸潮、工件和焊材表面的杂质、焊接工艺参数的影响等，防止氢气孔产生的措施是切断氢气来源，制定合理的焊接工艺。

另外，激光焊接的设备昂贵，生产成本高。

为了克服或减少激光焊接的不足，可将激光焊与电弧焊、等离子弧焊、搅拌摩擦焊等方法结合起来，形成复合焊技术。

3.2 超声辅助焊接技术

超声辅助焊接技术是将超声能量引入到熔池中，利用超声波的机械振动、声空化、声流等非线性效应，使熔池产生受迫振动，起到稳定电弧、减少缺陷、改善接头质量的作用。

超声能量在电弧焊中主要有以下作用：一是压缩电弧，从而提高电弧的刚性和指向性，以更为集中的电弧能量增加焊缝的熔深；二是利用超声能量产生的机械振动打断正在生长的等轴晶粒，使得熔池中的晶粒数量增多，体积变小，从而起到细化晶粒、组织成分均匀、焊缝力学性能增强的作用；三是利用超声波产生的冲击力在焊缝区形成位错，形成塑性应变层，从而释放焊缝处由热作用引起的残余内应力，减小焊接变形；四是利用超声波产生的声空化、声流以及热效应，减小焊缝处的温度梯度差异，使得焊缝处的温度分布和组织分布更加均匀，从而减小由相变残余应力引起的焊接变形。

目前应用较多的超声辅助焊接技术主要有超声辅助电弧焊和超声辅助激光焊。

超声辅助焊采用氩气做为保护气体，电源极性接法为直流反极性接法。

在采用超声辅助激光焊时，需先用砂纸、无水乙醇打磨擦拭工件表面，并在风干后的 24小时内完成焊接。

超声辅助焊的设备复杂，成本较高，操作难度大，使其在工业生产中的大规模应用受到限制。

3.3 搅拌摩擦焊（FSW）

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）的工作原理是用高速转动的搅拌头对焊接材料进行摩擦，用摩擦产生的热量来软化母材，并使之熔合形成焊缝。

搅拌摩擦焊焊接时通过摩擦产生的热量低于焊接材料的熔点，因此焊接材料没有被熔化，也就不存在焊接材料二次结晶的过程，不会产生晶粒粗大、气孔、接头软化、焊缝下塌陷缺陷，搅拌摩擦焊的焊后残余应力和变形较小，焊接接头的晶粒细小，强度和硬度较高。另外，搅拌摩擦焊焊接过程中不产生烟尘和飞溅，也不需要添充材料和保护气体，生产工艺相对简单，生产成本较低。

搅拌摩擦焊的关键部件是搅拌头，焊接不同的材料类型、材料厚度、焊缝形状所选用的搅拌头的几何形状和几何参数各不相同，搅拌头在焊接时的旋转速度、倾角、偏移量、轴肩下压量、搅拌头与工件的相对移动速度等，都会对焊缝质量产生较大的影响。在焊接时，应根据实际情况选用合适的焊接设备，制定合理的焊接工艺。

根据铝合金种类的不同，铝合金的搅拌摩擦焊可分为不可热处理和可热处理两种类型。

可热处理的铝合金在进行搅拌摩擦焊接时，焊接区的强度会显著降低，同时会使得一些低熔点的共晶体液化，形成液化裂纹，通过降低搅拌头的转速和焊接速度，可减少液化裂纹的产生。另外，由于焊接热输入量小，搅拌摩擦焊对母材的组织结构和力学性能的影响较小。搅拌摩擦焊的众多优点，使其在铝合金焊接方面的应用越来越广范。

搅拌摩擦焊不仅可以用于同种材料的焊接，还可对异种金属材料进行焊接，比如对铝合金与铜合金、铝合金与镁合金之间进行焊接，这也是搅拌摩擦焊应用广泛的原因之一。

4 总结

（1）焊接设备与工艺对金属材料在各行业的应用起着制约性的作用，对铝合金焊接设备与工艺的研究是铝合金广泛应用与市场化的前提。

（2）随着科技水平的不断提高，应用于铝合金焊接的新设备、新工艺也在逐步发展，目前相对成熟的有激光焊（LBW）、超声辅助焊、搅拌摩擦焊，但这些技术也存在不同程度的不足之处，需要进一步的完善与优化。

（3）未来铝合金材料的焊接发展方向应主要从设备和工艺着手。

（4）随着市场需求的增大和变化，新型材料也将被研发和应用，焊接技术的发展也应随之提高，发展的方向必然是智能高效、绿色环保的。