杜 亮，閆福旭

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300000）

1 鋁合金的焊接特性

1.1 鋁合金極易氧化

鋁合金在空氣和焊接過(guò)程中易氧化，形成致密的氧化鋁膜。氧化鋁膜的熔點(diǎn)可達(dá)2050℃，非常穩(wěn)定，不易去除，阻礙了焊接過(guò)程。導(dǎo)致在焊接過(guò)程中容易形成氣孔、夾渣等缺陷，從而降低焊接件的力學(xué)性能。

1.2 高熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性

鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和熔化潛熱都很大，導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的兩倍以上。在焊接過(guò)程中，大量的熱能被傳遞到母材上，并迅速消散。因此，焊接鋁和鋁合金比焊接鋼消耗更多的熱量。為了獲得較高的功率和焊接質(zhì)量，必須采取預(yù)熱措施。由于其良好的導(dǎo)電性，其焊接必須選擇高電流值。

1.3 易形成熱裂紋

鋁的線(xiàn)膨脹系數(shù)為23.5×10-6/℃，約為鋼的兩倍。凝固體積收縮也較大。因此，一些鋁合金在焊接時(shí)，由于收縮內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，往往會(huì)出現(xiàn)裂紋。

1.4 易形成氣孔

鋁及鋁合金熔池在高溫下易吸收氣體和溶解大量氫氣。在焊接冷卻和凝固過(guò)程中，這些氣體沒(méi)有時(shí)間析出和凝結(jié)，在焊縫中形成氣孔。

1.5 合金元素的蒸發(fā)和燒損

一些鋁合金中含有鎂、鋅等低沸點(diǎn)合金元素，在高溫火焰或電弧的作用下?lián)]發(fā)燃燒，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分，降低焊接接頭的性能。

2 鋁合金常用焊接方法

鋁及鋁合金的焊接方法有很多種，每種方法都適用于不同的場(chǎng)合。因此，必須根據(jù)鋁合金的牌號(hào)、焊接厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件和接頭質(zhì)量要求進(jìn)行選擇。目前鋁合金常用的焊接方法有氬弧焊、電子束焊接、攪拌摩擦焊等。

2.1 氬弧焊

鋁合金氬弧焊操作簡(jiǎn)單，成本低，易于推廣。最常用的兩種方法是非熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊。

2.1.1 非熔化極

工作原理及特點(diǎn):非熔化極氬弧焊是電弧在非熔化極(通常是鎢極)和工件之間燃燒，在焊接電弧周?chē)鬟^(guò)一種不和金屬起化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體(常用氬氣)，形成一個(gè)保護(hù)氣罩，使鎢極端部、電弧和熔池及鄰近熱影響區(qū)的高溫金屬不與空氣接觸，能防止氧化和吸收有害氣體，從而形成致密的焊接接頭，其力學(xué)性能非常好，該過(guò)程可以自動(dòng)去除工件表面的氧化膜，這樣可以很好地焊接鋁合金，避免工件表面損傷。其缺點(diǎn)是采用手工操作，焊接速度慢，生產(chǎn)效率低。隨著技術(shù)和焊接技術(shù)的發(fā)展，各種形式的變極性焊接波形逐漸出現(xiàn)，可以大大提高焊接效率和焊接接頭的質(zhì)量和性能。

2.1.2 熔化極

熔化極焊接具有代表性的特點(diǎn)為：絲輪可將焊絲送出，導(dǎo)電嘴導(dǎo)電，電弧所產(chǎn)生的位置為焊絲和母材中間，母材、焊絲可得到有效地熔化，氬弧氣使用更有助于金屬絲完成焊接。熔化極焊接與鎢極氬弧焊最突出的差別為用焊絲作為電極，經(jīng)過(guò)一定時(shí)常的溶化后注入到熔池內(nèi)，冷卻后出現(xiàn)焊縫；另外一種方式是使用保護(hù)氣體，此種氣體主要是由一種氬氣釋放出多種混合氣體，同時(shí)將這部分混合氣體應(yīng)用于熔化極氬弧焊操作中。將氦氣、氬氣作為焊接保護(hù)氣體時(shí)，將這種操作方式稱(chēng)為MIG焊；將氧化性氣體包括二氧化碳、氧氣與惰性氣體相混合時(shí)，將其稱(chēng)為MAG焊。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期總結(jié)發(fā)現(xiàn)，半自動(dòng)熔化極氬弧焊、富氬混合氣體作為保護(hù)氣體的應(yīng)用范圍最為廣泛，自動(dòng)熔化極氬弧焊應(yīng)用范圍次之。

2.2 電子束焊接

電子束焊接是利用高能電子束轟擊焊接部位產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的一種方法。該焊件具有沖擊面小、熱集中、熔透性強(qiáng)、可熔化的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種方法往往需要在真空環(huán)境中進(jìn)行，這樣可以最大限度地減少空氣對(duì)焊縫的損傷。熱溶解度的降低導(dǎo)致鋁合金中溶解氣體的析出，其次是焊接過(guò)程中摻雜氣體的熱膨脹。通過(guò)加強(qiáng)預(yù)處理、降低焊接速度，可以有效抑制氣孔的產(chǎn)生。

2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種安裝在攪拌摩擦焊主軸上的金屬板接頭，其高速旋轉(zhuǎn)，使攪拌頭與金屬板發(fā)生摩擦。攪拌摩擦焊能有效防止裂紋和氣孔的產(chǎn)生，但攪拌摩擦焊也存在摩擦頭磨損快、焊接效率低、復(fù)雜零件焊接困難等缺陷。然而，攪拌摩擦焊成形過(guò)程與組織的關(guān)系、金屬塑性流動(dòng)機(jī)理一直是焊接研究的難點(diǎn)。

3 鋁合金焊接常見(jiàn)缺陷及預(yù)防措施

3.1 氣孔

一般認(rèn)為焊縫中氫的含量與氣孔的形成密切相關(guān)。隨著溫度的降低，氫的溶解度急劇下降。因此，當(dāng)焊縫凝固過(guò)快時(shí)，會(huì)在焊縫金屬表面形成氣孔和氣泡。射線(xiàn)檢測(cè)和解剖結(jié)果表明，沿焊縫長(zhǎng)度方向，氣孔可分為三種類(lèi)型。第一類(lèi)是相對(duì)集中的小氣孔，有時(shí)伴有少量的大氣孔，主要分布在電弧早期或焊縫與母材熔合區(qū)附近。第二類(lèi)為孤立大氣孔，是最常見(jiàn)的氣孔，主要分布在焊縫中，一般分布在焊縫中部。第三類(lèi)是熔合區(qū)和焊縫存在鏈狀或蜂窩狀氣孔。這種氣孔的形成導(dǎo)致焊縫中氣孔總數(shù)急劇增加。

圖1 焊縫氣孔宏觀(guān)形貌

3.2 裂紋

鋁合金在熔池中冷卻，在一定溫度范圍內(nèi)凝固。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，既有液態(tài)金屬又有固態(tài)金屬，它們的強(qiáng)度和塑性都很低，所以這個(gè)溫度范圍被稱(chēng)為脆性溫度范圍。同時(shí)由于鋁合金線(xiàn)膨脹系數(shù)高，焊縫金屬在冷縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸變形。當(dāng)熔化金屬的脆性溫度范圍與最大拉伸變形時(shí)間一致時(shí)，裂紋隨即產(chǎn)生。然而，當(dāng)焊件的結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，焊接應(yīng)力也較大，容易使可焊性好的鋁合金也會(huì)產(chǎn)生裂紋。根據(jù)裂紋的大小可分為宏觀(guān)裂紋和微觀(guān)裂紋。宏觀(guān)裂紋可用肉眼觀(guān)察，而焊縫內(nèi)的微觀(guān)裂紋則需要用顯微鏡或無(wú)損檢測(cè)來(lái)觀(guān)察。焊接裂紋是危害最大的焊接缺陷之一，需要嚴(yán)格的檢測(cè)和控制。

圖2 焊接裂紋

圖3 焊縫未熔合

3.3 焊縫未熔合

未熔合是母材金屬未與焊縫層金屬熔透的現(xiàn)象；焊接電流過(guò)小、焊接速度過(guò)快、坡口尺寸不合理是導(dǎo)致焊縫未熔合的主要原因。未熔合缺陷的出現(xiàn)將影響焊縫的疲勞強(qiáng)度、質(zhì)量和使用壽命。

4 焊接缺陷的預(yù)防措施

4.1 防止焊接氣孔的措施

4.1.1 母材和焊絲表面狀況

焊接前必須嚴(yán)格清除母材和焊絲表面的油、水和纖維物質(zhì)。清洗不僅要去除表面的油脂、水分和纖維物質(zhì)，還要去除表面的氧化膜。

4.1.2 焊絲內(nèi)部質(zhì)量

鋁合金焊絲原材料的內(nèi)在質(zhì)量取決于鋁合金焊絲原材料生產(chǎn)廠(chǎng)家的鑄軋水平。在鑄造過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格清除保護(hù)氣氛中的氣體，以減少原材料中氣體（主要是氫氣）和雜質(zhì)的含量。如果氣體在原材料中被吸收，將對(duì)成品焊絲產(chǎn)生很大的影響，并增加焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔的傾向。

4.1.3 焊接工藝的影響

焊接工藝也是影響鋁合金焊接氣孔敏感性的重要因素。因此，在鋁合金焊接過(guò)程中，采用合理的焊接工藝參數(shù)來(lái)防止氣孔的形成是非常重要的。若進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)焊接焊接速度慢、熔池耗時(shí)較多的情況下，可以為焊接吸氫提供空間。若焊接速度快，焊接吸氫時(shí)間受到限制，但熔池冷卻速度過(guò)快，不利于氣泡漂浮和氣孔的形成。如何選擇焊接速度，必須根據(jù)母材、母材體積、預(yù)熱溫度和層間溫度、焊接電流和電弧電壓等因素找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

4.2 防止焊接裂紋的措施

首先，合理選擇材料，控制母材和焊絲的成分。焊絲中Fe/Si的含量比應(yīng)大于1，以降低焊縫金屬中低熔點(diǎn)共晶硅的含量。其次，選用抗熱裂性強(qiáng)的焊絲。焊絲在焊縫金屬中加入少量的晶粒細(xì)化劑，以防止熱裂紋的發(fā)生。盡量采用集中加熱焊接方法，加大電流，提高焊接速度。在焊接過(guò)程中，可采取分段焊接、預(yù)熱等措施。在鋁結(jié)構(gòu)的裝配和焊接過(guò)程中，不要使焊縫承受較大的剛度。當(dāng)焊接完成或中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)填塞焊接接頭，然后清除熱源，否則容易造成焊接裂紋。

4.3 防止未熔合的保護(hù)措施

為防止未熔合缺陷的發(fā)生，應(yīng)根據(jù)板厚選擇合適的焊接電流。焊接時(shí)應(yīng)在可能的范圍內(nèi)選擇較大的坡口角度，清理根部時(shí)應(yīng)加大坡口半徑。在實(shí)際應(yīng)用中，需要選擇較大的坡口角度。夾層焊接時(shí)應(yīng)控制層間溫度，清理焊道、矯正焊槍角度可有效防止缺陷的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然鋁合金焊接工藝復(fù)雜，加工難度大。但隨著焊接技術(shù)的迅速發(fā)展，新的焊接技術(shù)在鋁合金焊接中的應(yīng)用也將得到迅速發(fā)展。在對(duì)鋁合金焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化時(shí)，最大限度地控制接頭缺陷，形成綜合性能良好的焊接結(jié)構(gòu)。隨著鋁合金焊接技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信鋁合金焊接將在生產(chǎn)中發(fā)揮更加廣泛的作用。