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鋁及鋁合金焊接工藝的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
? ? ?目前鋁合金的焊接方法有交流TIG、直流氬弧TIG、熔化**氣體保護焊MIG、穿孔變**性等離子焊接、真空電子束和激光以及攪拌摩擦焊等，但應(yīng)用較多的仍然是交流TIG和MIG兩種方法。
? ? 鋁及其合金的焊接特點
? ? 1.采用熱量集中的焊接特點
??? 從物理性能上看，鋁及其合金具有導(dǎo)熱性強而熱量大，線膨脹系數(shù)大，熔點低和高溫強度小等特點。焊接時，首先必須采用能量集中的熱源，以保證熔合良好；其次，要采用墊板和夾具，以保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。例如，純鋁在370~C左右時強度不超過9.8N/mm2，因此焊接時不能采用懸空方式，否則會因支持不住溶池液態(tài)金屬的重量而破壞焊縫成形。
? ? 有氧化膜，焊接時需要陰**清理
??? 從化學(xué)性質(zhì)上看，鋁及其合金表面**易形成難熔的氧化膜(三氧化二鋁的熔點2050°C)，而鋁只有660°C，所以焊接時必須先除氧化膜，否則會造成焊縫金屬夾渣及未熔合。
? ? 溶池不易觀察
??? 鋁及其合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，并無顏色的變化，因此也不易確定接縫的坡口是否熔化，造成焊接操作上的困難。
? ? 焊縫氣孔傾向大
??? 首先，液態(tài)鋁對氧的溶解速度比固態(tài)下大20倍左右，加上鋁導(dǎo)熱快，氣體來不及逸出而造成氣孔；其次，三氧化二鋁易吸附水分而使焊縫產(chǎn)生氣孔；母材及焊絲未清理干凈(油和水)、保護氣體不純也是造成氣孔的一個方面。
? ? 焊接接頭的等強性
??? 鋁合金焊接后接頭軟化，表現(xiàn)在強度或塑性有所下降，這種接頭的性能上的薄弱環(huán)節(jié)，可以存在于焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)三個區(qū)域中的一個區(qū)域之中。
總之，由于鋁合金焊接的敏感性，往往存在著檢驗工序多、氣孔率高、焊接變形大以及接頭強度系數(shù)低(只達(dá)母材的60％-80％)等缺點。
? ? 常用焊接方法的特點
??? 鋁及其合金常用的電弧焊接方法主要有交流鎢**氬弧焊(TIC)和熔化**氣體保護焊(MIG)。
? ? 2.鋁合金的交流TIG焊接
? ? 對于交流TIG焊接，**常用的是交流方波。即用電源輸出的交流負(fù)半波對鋁合金氧化膜進行破碎處理(也稱為“陰**破碎”)，正半波對鋁合金進行熔化焊接。
? ? 交流TIG焊接的優(yōu)、缺點
??? 優(yōu)點：交流TIG一般適用于焊接薄板(3mm以下)；具有電弧穩(wěn)定、成形美觀、焊件變形小、操作靈活等優(yōu)點；**適合于焊接尺寸較精密的小零件。
??? 缺點：由于受鎢**允許電流密度的限制，它的熔透能力小，對于厚板需要開坡口，采用多層焊，由此導(dǎo)致熱輸入量大，焊接變形大，接頭性能下降，尤其是塑性性能；對工件及焊絲的清理要求高。
? ? 熔化**氣體保護焊(MIG)接的優(yōu)、缺點
??? 優(yōu)點：適用于焊接厚度8mm以上的鋁或鋁合金的板材；生產(chǎn)效率是TIG的3-5倍。
??? 缺點：氣孔傾向比TIG焊大；焊接線能量大，焊接變形大；同樣對工件及焊絲的清要求高。
??? 總之，以上兩種焊接方法具有工藝要求高，對焊接材料的要求高，容易產(chǎn)生氣孔，接頭性能下降等問題。
? ?3.鋁及其合金的攪拌摩擦焊接
??? 攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種新興的固態(tài)連接方法。通過攪拌針和軸肩與工件之間的摩擦熱，在攪拌針的附近形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的作用下填充人攪拌針后所形成的空腔內(nèi)，從而實現(xiàn)可靠的連接。它不僅具有傳統(tǒng)摩擦焊接的優(yōu)點，而且突破了傳統(tǒng)摩擦焊接只能焊接軸類零件的限制，可以焊接板類零件，實現(xiàn)多種接頭形式，不同位置的焊接。
??? 與傳統(tǒng)焊接方法相比，攪拌摩擦焊具有以下特點：
? ? 焊接過程無熔化，因此無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷；
? ? 無需保護氣體和填絲；
? ? 殘余變形小、應(yīng)力低；
? ? 接頭組織性能優(yōu)于熔焊；
? ? 全機械化操作，效率高。
? ? 由于攪拌摩擦焊的焊接溫度低于合金元素的熔點，從而避免了合金內(nèi)易揮發(fā)元素和低熔點元素的損失，接頭內(nèi)不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷，因此適用于熔化溫度較低、塑性較好的有色金屬鋁、銅的焊接。對于焊接材料而言，攪拌磨擦焊可以焊接所有牌號的鋁合金，包括可以熔焊的5000、6000系列鋁合金和熔焊難以焊接的2000、7000、鋁鋰合金材料；同時攪拌磨擦焊還可以實現(xiàn)不同種材料的連接。正常情況下，攪拌磨擦焊不需要焊絲和保護氣，焊接過程消耗較少，焊接接頭強度可以達(dá)到母材金屬的80％以上。
??? 攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵，**優(yōu)攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質(zhì)量接頭的前提。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成。攪拌頭的幾何外形和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入方式，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式，對于給定板厚的材料來說，焊接質(zhì)量和效率主要取決于攪拌頭的外形和幾何設(shè)計。因而設(shè)計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵。
? ? 鋁及其合金的變**性焊接
??? 變**性焊接能夠在保證**佳焊接質(zhì)量的同時，提高焊接效率、降低焊接變形，同時使弧焊方式按照實際需要的陰**清理強度和密度進行鋁合金焊接。鋁及其合金的變**性焊接有變**性TIG焊接、變**性等離子焊接。
? ? 4.鋁合金的變**性TIG焊接
??? 變**性電源可以分別設(shè)置正向焊接電流、反向清理電流和清理密度。變**性區(qū)別于交流的**大特點是：變**性的電源是直流，而不是交流。變**性控制部分只是在程序設(shè)定的時段內(nèi)將焊接電流迅速反向，并同時定義其輸出的大小，使之具備反向陰**清理的功能。在反**性階段，電源可以采用更高的電流迅速破碎鋁合金表面的氧化膜。
??? 在焊接過程中由于鎢**的燒損情況與鎢**正向電流的時間和大小有關(guān)，變**性電源通過短時間和大電流來滿足陰**清理，使得鎢**端頭能保持錐狀，有利于電弧能量的集中。為了保證鎢**承受大電流的能力，交流TIG焊時鎢**則需要被預(yù)制成滴球狀，降低了電弧能量的集中程度。由于電源良好的輸出特性，采用變**性焊接電源進行鋁合金焊接，可以獲得焊接熔深大、熱影響區(qū)窄、接頭的強度和塑性指標(biāo)高等焊接效果。
??? 采用變**性TIG焊接工藝，可以一次焊透至少6mm厚度的鋁合金。
? ? 鋁合金的變**性等離子焊接
??? 鋁合金的變**性等離子焊接是在變**性TIG焊接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。產(chǎn)生于美國20世紀(jì)80年代，主要用于航天產(chǎn)品的焊接。目前國內(nèi)也逐漸在航天及民用產(chǎn)品中應(yīng)用此工藝。
??? 變**性等離子焊接具有很高的能量密度和電弧射流速度，射流速度可達(dá)到300-2000m/s(普通電弧射流速度為80-150 m/s)；具有壓縮電弧特性，使其在焊接過程中具有穿孔焊接的特點；等離子弧柱挺度好，熱量集中，因而可以得到很好的熔深；等離子焊縫窄，熱影響區(qū)小，鋁合金接頭強度高；正面焊接和陰**霧化的時間可以以0.1ms設(shè)置，加大清理和焊接的密度，容易保證焊接的質(zhì)量和效率；更好地延長鎢**的使用壽命，降低焊縫夾鎢的風(fēng)險。
??? 采用變**性等離子焊接工藝，可以一次焊透至少16mm的鋁合金(對某些鋁合金，如采用He或He+Ar氣體，一次可焊透25mm)，并能實現(xiàn)雙面成形，具有焊縫氣孔少、焊接變形小和接頭強度高(達(dá)到母材的0.8-1.0)等優(yōu)點。
??? 變**性TIG焊接需要控制的焊接參數(shù)較少，而對變**性等離子焊接系統(tǒng)相對變**性TIG需要控制的焊接參數(shù)較多，并且控制精度和響應(yīng)速度要求更加嚴(yán)格。能夠?qū)崿F(xiàn)變**性等離子焊接的變**性電源與控制系統(tǒng)，可以輕松實現(xiàn)變**性TIG焊接。由于等離子焊槍較重，焊接過程要求平穩(wěn)，所以變**性等離子焊接只適合于自動焊接。其設(shè)備主要包括等離子焊接電源、等離子焊槍、自動送絲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能溫控水箱、焊接工裝等。
? ? 攪拌摩擦焊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及其合金等難以熔焊金屬的優(yōu)質(zhì)**連接，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、船舶、電力、建筑、汽車和裝飾行業(yè)所用鋁、鎂、銅及其合金的連接。
? ? 在國外，變**性TIG/PAW焊接已經(jīng)是非常成熟的工藝，被廣泛應(yīng)用于對焊接質(zhì)量有嚴(yán)格要求的厚大鋁合金件的精密焊接。
? ? 目前，隨著工廠電控產(chǎn)品和城市軌道車輛市場份額的加大，對鋁合金箱體和鋁合金車體的焊接制造技術(shù)及焊接質(zhì)量要求會越來越高，常用的焊接方法已經(jīng)不能滿足效率及質(zhì)量的要求。攪拌磨擦焊和變**性焊接方法會隨著鋁合金材料的大量使用而得到越來越廣泛的應(yīng)用。
