铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光- 电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。 关键词: 铝合金 搅拌摩擦焊 激光焊 激光- 电弧复合焊 电子束焊 1 铝合金焊接的特点 铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。 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,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍; ②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060 ℃) ,这就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,易产生焊接变形; ⑥铝合金热导率大(约为钢的4 倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4 倍。 因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。 2 铝合金的先进焊接工艺 针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。 2. 1 铝合金的搅拌摩擦焊接 搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ] 。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ] 。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ] 。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。 铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。 搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点: ①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊; ②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板; ③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除; ④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快; ⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。 2.2 铝合金的激光焊接 铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。 激光焊接铝合金有以下优点: ①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大; ②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好; ③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本; ④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线; ⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接; ⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。 现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。 在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5 ] 。 铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %;对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度
铝的焊接:
一. 首先强烈推荐购买一套专用铝材送丝工具，一套工具将包含以下物品：
1 .非金属衬管——设计来最大程度减小送丝摩擦
2. U型槽驱动滚轮——用来避免教软的铝丝断裂或者变形。这些驱动滚轮不会象V型槽滚轮一样刮伤铝丝。使用V型槽滚轮的话，会让焊丝刮花衬管造成堵塞，引起送丝故障。
3.进口和出口引导装置——设计来避免焊丝刮伤。
4.接触头——使用在铝材焊接的接触头有更大直径的开口，因为在铝丝升温时，产生的膨胀比钢材多。因此，铝丝专用接触头的尺寸在小得足够保持电接触的同时，又足够允许膨胀。
二. 装载焊丝到焊机
这里有一个正确装入铝丝的窍门，(同样适用钢制焊丝)对装载铝焊丝、避免焊接时的故障非常重要。用一只手安全的握住焊丝轴确保其不会松开，一但你拆开了玻璃纸包装，就用另一只手握住焊丝松开的一头——在将其放入驱动滚轮之前不要松手。缺少经验的人通常会没握紧松开的一头，而导致整捆焊丝开始松脱散开。如果这样的事发生了，将无法补救，焊接作业也会受很大的影响——你不得不购买另一捆焊丝。
三. 设置焊丝刹车的松紧度
松紧度只需要保证焊丝刚刚不会松脱即可，但是不能太紧，否则会造成对焊丝的拖拽。要正确的设置，先将松紧度调到最低，然后装上焊丝，让其通过驱动滚轮，如果除了装焊丝的滚轴在动，而其他部件都停止了的话，就说明不够紧。操作时要小心，因为过紧会造成加在焊丝上的力过多。另外，焊丝用完的最后几圈无法送丝时不要紧张；通常是因为焊丝太硬而不容易松脱。
四. 设置驱动滚轮松紧度
这可能是整个设置程序中最重要的一步。专家推荐的是，将丝头以微小的角度位于离绝缘材料表面1英寸的地方。然后，将滚轮松紧度设置在几乎最小。按下焊枪上的开关，观察其运作——在焊丝接触到绝缘材料表面的时候应该滑动。从那一点开始调紧松紧度直到焊丝停止滑动。再一次的，要注意，太紧会导致焊丝的断裂。这意味着焊丝停留在焊枪里，而焊丝驱动滚轮仍然在转动，最终的结果是焊丝跑出滚轮后断裂，或者积压倒退导致焊丝乱成一团，包括引导衬管，焊枪衬管等。要记住，在你按上述内容设置滚轮松紧度的时候，按下焊枪的开关，送出的焊丝是烫的，所以总是戴上质量好的焊接手套。
五. 确保良好的电源连接
第一步，焊接用的夹具应该安全的夹在焊接工件没有上漆和污染的区域。要清洁工件，使用除脂溶剂来清除所有的油脂。在进行焊接前还要确保工件表面的干燥。同时，不要在有可燃材料在附近的情况下焊接，诸如溶剂或者油漆的容器。第二步，用干净的不锈钢丝刷将铝材的表面氧化物清除干净。
六. 定位非常重要
在焊接的时候，尽量保持焊枪电缆的笔直，以最大程度减少对较软铝丝的送丝约束。焊枪电缆线的弯曲会导致焊丝打结，造成很差的送丝。
七. 铝型材焊接注意事项
铝管的焊接:
焊接特性：铝及铝合金具有导热性强而热容量大，线胀系数大，熔点低和高温强度小等特点，焊接难度大，应采取一定的措施，才能保证焊接质量。
管件及焊丝的清理，焊丝及破口两侧50mm范围内表面用丙酮清洗干净，用不锈钢丝刷刷去表面氧化膜，露出金属光泽，清理好的破口必须在2小时内焊接，清理好的焊丝放入未用的筒内，必须在8小时内用完，否则重新处理。
钨棒选用铈钨棒，氩气钝质不小于99.96%，且含水量不应大于50mg/m3。 4环境温度不低于5℃，否则应预热至100~200℃方可施焊，相对湿度控。
如果你要在家或者车间焊接铝材，那么首先我们需要澄清下面一些被大众误解的东西：1.你至少需要拥有一台价值4000美元的焊机和高超的焊接技巧来焊接铝材；2.不需要练习就可以完成效果很好的焊接作业；3.你需要购买适合铝材焊接的昂贵焊枪。
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