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        鋁合金焊接技術(shù)現(xiàn)狀研究

        2021-12-05 07:17:03王澤蔭
        世界有色金屬 2021年10期
        關(guān)鍵詞:惰性氣體電弧晶粒

        王澤蔭

        (甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741000)

        相對于鋼鐵材料,鋁合金具有比強(qiáng)度高、相對密度小、塑性和韌性好等諸多優(yōu)點(diǎn),而且具有減輕重量、降低油耗、節(jié)約能源、減少污染等綠色環(huán)保的作用。所以在交通運(yùn)輸工具、航空航天器、電子元器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等的制作[1-3]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,尤其在高鐵、城市軌道交通、汽車、航空、電子、機(jī)械等行業(yè),鋁合金的需求量越來越大[4,5]。與日益增長的鋁合金用量相比,鋁合金的焊接設(shè)備及工藝顯得有些落后,已經(jīng)成為制約鋁合金材料在上述領(lǐng)域大面積應(yīng)用的主要瓶頸。

        1 鋁合金焊接時(shí)存在的問題

        除了上述特點(diǎn)外,鋁合金還具有化學(xué)性能活潑、易氧化、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn),這些特點(diǎn),導(dǎo)致鋁合金在焊接過程中容易出現(xiàn)以下問題:

        (1)氧化

        鋁合金易被氧化生成Al2O3,Al2O3熔點(diǎn)為2054℃,比鋁合金的熔點(diǎn)高很多,Al2O3的真密度為3.973g/cm3,大于鋁合金本身的密度。由于Al2O3以及其它雜質(zhì)的存在,所以在焊接時(shí),容易在焊縫中產(chǎn)生夾渣缺陷,降低了焊縫的力學(xué)性能。

        (2)焊接變形

        鋁合金具有彈性模量低、導(dǎo)熱和熱膨脹系數(shù)大[6-10]的特點(diǎn),這就導(dǎo)致在焊接過程中,材料的形變應(yīng)力大,在形變應(yīng)力的作用下,焊件將會(huì)出現(xiàn)橫向、縱向、波浪、彎曲、扭曲等多種變形。

        (3)晶粒粗大

        鋁合金熱導(dǎo)率高,所以在焊接過程中,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)金屬大量吸收熱量,導(dǎo)致晶粒增長速度加快,晶粒粗大[11]。

        (4)氣孔

        焊接過程中,由于弧柱區(qū)保護(hù)氣體的密封不嚴(yán)以及保護(hù)性氣體中存在微量水分,熔池金屬吸收了周圍環(huán)境中的H元素,結(jié)合形成H2泡。來不及逸出的H2氣泡殘留在焊縫中形成氫氣孔。

        (5)裂紋

        鋁合金焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)存在的低熔點(diǎn)共晶體在受熱后易熔化,熔化后的液態(tài)低熔點(diǎn)共晶體流失后,在晶界和亞晶界處留下縫隙,即裂紋。

        (6)接頭軟化

        鋁合金在焊接過程中,熔池液態(tài)金屬冷卻速度快,極易凝固,凝固后形成α固溶體和非平衡共晶相[12],并且隨著冷卻速度的進(jìn)一步增大,晶界處形成的網(wǎng)狀共晶組織使接頭的強(qiáng)度和塑性降低,導(dǎo)致接頭軟化。

        (7)焊縫下塌

        液態(tài)鋁的表面張力較小,焊接過程中不容易托住熔池,從而產(chǎn)生焊縫下塌現(xiàn)象。

        2 傳統(tǒng)的鋁合金焊接技術(shù)

        2.1 非熔化極惰性氣體保護(hù)焊

        非熔化極惰性氣體保護(hù)焊的典型方式是鎢極氬弧焊[13]。鎢極氬弧焊的正負(fù)兩極分別由鎢極和被焊工件構(gòu)成[14],鎢極的常用材料是純鎢或活化鎢,其工作原理是在氬氣或氦氣的保護(hù)下,當(dāng)接通電源時(shí),鎢極與工件間形成電弧熱,在電弧熱的作用下熔化母材和填充焊絲[15],凝固后形成焊接接頭。

        按操作方式不同,非熔化極惰性氣體保護(hù)焊分為:手工鎢極氬弧焊和機(jī)械化鎢極氬弧焊。

        以氬氣作為保護(hù)氣體的TIG焊具有熱量集中、焊件變形小、焊縫金屬純度高、力學(xué)性能好、焊接電弧穩(wěn)定等特點(diǎn),但TIG的載流能力較小,焊縫熔深淺,只適用于薄板的焊接。

        雙TIG焊可對焊件正反兩面同時(shí)施焊,與TIG焊相比,具有焊接電弧更集中、熔深更大、熱影響區(qū)更窄、焊件變形更小、不容易產(chǎn)生裂紋[16]等特點(diǎn),適合于中厚板的焊接。

        活性TIG焊,又稱為A-TIG焊,是在焊接之前在工件表面涂覆一層活性劑(SiO2、TiO2、Cr2O3等)來改變電阻大小,提高熱輸入,增大焊縫的熔深和熔寬,改善焊縫的外觀質(zhì)量。

        鎢極氬弧焊隨著鎢極的燒損容易對焊縫形成鎢污染,且鎢極的價(jià)格昂貴。

        2.2 熔化極氣體保護(hù)焊

        熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)的正負(fù)電極分別由填充材料(焊絲)和被焊工件構(gòu)成,其工作原理是當(dāng)接通電源時(shí),正負(fù)電極間短路產(chǎn)生電弧熱,在電弧熱的作用下將填充材料和被焊工件熔化形成焊縫。

        根據(jù)保護(hù)氣體性質(zhì)的不同,又將熔化極氣體保護(hù)焊分為兩類:熔化極惰性氣體和熔化極活性氣體保護(hù)焊。

        熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metal Inertia Gas,MIG)的保護(hù)氣體主要是氦氣和氬氣,焊接時(shí)熔化極惰性氣體保護(hù)焊不會(huì)產(chǎn)生熔渣,減少了焊后清渣的工序,生產(chǎn)效率高,適用范圍廣,易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。根據(jù)熔滴過渡形式的不同,熔化極惰性氣體保護(hù)焊適用于焊接各種厚度的板材。

        熔化極惰性氣體保護(hù)焊由于其熱輸入量較大,所以在焊接時(shí)易變形、產(chǎn)生裂紋和燒穿現(xiàn)象;相對來說,惰性氣體的價(jià)格較貴,因此焊接成本較高。

        熔化極活性氣體保護(hù)焊(Metal Active Gas Arc Welding,MAG),又稱為混合氣體保護(hù)焊,它是在氬氣中加入一定比例的CO2,或者同時(shí)加入一定比例的CO2和O2。因加入的活性氣體具有較強(qiáng)的氧化性,所以不適用于活潑金屬如鋁、鎂、銅等及其合金的焊接。

        3 新型鋁合金焊接技術(shù)

        3.1 激光焊接(LBW)技術(shù)

        激光焊接(Laser Beam Welding,LBW)是以激光束為熱源,以惰性氣體(氦氣、氬氣、氮?dú)猓楸Wo(hù)氣的一種非接觸式焊接方法。激光焊接的核心部件是激光器,激光器的種類較多,在焊接技術(shù)中采用的是CO2激光器和Nd:YAG激光器。

        激光焊接的熔深大小、焊接過程的穩(wěn)定程度都與材料對激光能量的吸收率有關(guān),吸收率越高,獲得的焊縫熔深越大,焊接過程越穩(wěn)定,反之,則會(huì)出現(xiàn)未熔合、未焊透、焊接過程中斷等缺陷。材料對激光能量的吸收率與材料的電阻系數(shù)和材料的表面狀態(tài)有關(guān)。

        激光焊接技術(shù)在焊接過程中不需使用電極,其熱輸入量較小,相變范圍和變形量也較小,具有焊接速度快、焊接變形小、接頭質(zhì)量好、焊縫深寬比大等優(yōu)點(diǎn)。

        目前,使用激光焊焊接鋁合金材料仍存在很多難點(diǎn):一是鋁合金對激光的反射率較高,導(dǎo)致鋁合金對激光能量的吸收率較低,不利于金屬的熔化,產(chǎn)生焊接缺陷的可能性較大。提高激光能量吸收率的措施主要有工件的陽極氧化和噴砂處理、小孔誘導(dǎo)、改變激光器的參數(shù)來增加激光密度等;二是易產(chǎn)生氫氣孔,產(chǎn)生氫氣孔的原因有焊接區(qū)周圍空氣的入侵、焊接材料吸潮、工件和焊材表面的雜質(zhì)、焊接工藝參數(shù)的影響等,防止氫氣孔產(chǎn)生的措施是切斷氫氣來源,制定合理的焊接工藝。

        另外,激光焊接的設(shè)備昂貴,生產(chǎn)成本高。

        為了克服或減少激光焊接的不足,可將激光焊與電弧焊、等離子弧焊、攪拌摩擦焊等方法結(jié)合起來,形成復(fù)合焊技術(shù)。

        3.2 超聲輔助焊接技術(shù)

        超聲輔助焊接技術(shù)是將超聲能量引入到熔池中,利用超聲波的機(jī)械振動(dòng)、聲空化、聲流等非線性效應(yīng),使熔池產(chǎn)生受迫振動(dòng),起到穩(wěn)定電弧、減少缺陷、改善接頭質(zhì)量的作用。

        超聲能量在電弧焊中主要有以下作用:一是壓縮電弧,從而提高電弧的剛性和指向性,以更為集中的電弧能量增加焊縫的熔深;二是利用超聲能量產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)打斷正在生長的等軸晶粒,使得熔池中的晶粒數(shù)量增多,體積變小,從而起到細(xì)化晶粒、組織成分均勻、焊縫力學(xué)性能增強(qiáng)的作用;三是利用超聲波產(chǎn)生的沖擊力在焊縫區(qū)形成位錯(cuò),形成塑性應(yīng)變層,從而釋放焊縫處由熱作用引起的殘余內(nèi)應(yīng)力,減小焊接變形;四是利用超聲波產(chǎn)生的聲空化、聲流以及熱效應(yīng),減小焊縫處的溫度梯度差異,使得焊縫處的溫度分布和組織分布更加均勻,從而減小由相變殘余應(yīng)力引起的焊接變形。

        目前應(yīng)用較多的超聲輔助焊接技術(shù)主要有超聲輔助電弧焊和超聲輔助激光焊。

        超聲輔助焊采用氬氣做為保護(hù)氣體,電源極性接法為直流反極性接法。

        在采用超聲輔助激光焊時(shí),需先用砂紙、無水乙醇打磨擦拭工件表面,并在風(fēng)干后的 24小時(shí)內(nèi)完成焊接。

        超聲輔助焊的設(shè)備復(fù)雜,成本較高,操作難度大,使其在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

        3.3 攪拌摩擦焊(FSW)

        攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,F(xiàn)SW)的工作原理是用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌頭對焊接材料進(jìn)行摩擦,用摩擦產(chǎn)生的熱量來軟化母材,并使之熔合形成焊縫。

        攪拌摩擦焊焊接時(shí)通過摩擦產(chǎn)生的熱量低于焊接材料的熔點(diǎn),因此焊接材料沒有被熔化,也就不存在焊接材料二次結(jié)晶的過程,不會(huì)產(chǎn)生晶粒粗大、氣孔、接頭軟化、焊縫下塌陷缺陷,攪拌摩擦焊的焊后殘余應(yīng)力和變形較小,焊接接頭的晶粒細(xì)小,強(qiáng)度和硬度較高。另外,攪拌摩擦焊焊接過程中不產(chǎn)生煙塵和飛濺,也不需要添充材料和保護(hù)氣體,生產(chǎn)工藝相對簡單,生產(chǎn)成本較低。

        攪拌摩擦焊的關(guān)鍵部件是攪拌頭,焊接不同的材料類型、材料厚度、焊縫形狀所選用的攪拌頭的幾何形狀和幾何參數(shù)各不相同,攪拌頭在焊接時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度、傾角、偏移量、軸肩下壓量、攪拌頭與工件的相對移動(dòng)速度等,都會(huì)對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。在焊接時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適的焊接設(shè)備,制定合理的焊接工藝。

        根據(jù)鋁合金種類的不同,鋁合金的攪拌摩擦焊可分為不可熱處理和可熱處理兩種類型。

        可熱處理的鋁合金在進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí),焊接區(qū)的強(qiáng)度會(huì)顯著降低,同時(shí)會(huì)使得一些低熔點(diǎn)的共晶體液化,形成液化裂紋,通過降低攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度,可減少液化裂紋的產(chǎn)生。另外,由于焊接熱輸入量小,攪拌摩擦焊對母材的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響較小。攪拌摩擦焊的眾多優(yōu)點(diǎn),使其在鋁合金焊接方面的應(yīng)用越來越廣范。

        攪拌摩擦焊不僅可以用于同種材料的焊接,還可對異種金屬材料進(jìn)行焊接,比如對鋁合金與銅合金、鋁合金與鎂合金之間進(jìn)行焊接,這也是攪拌摩擦焊應(yīng)用廣泛的原因之一。

        4 總結(jié)

        (1)焊接設(shè)備與工藝對金屬材料在各行業(yè)的應(yīng)用起著制約性的作用,對鋁合金焊接設(shè)備與工藝的研究是鋁合金廣泛應(yīng)用與市場化的前提。

        (2)隨著科技水平的不斷提高,應(yīng)用于鋁合金焊接的新設(shè)備、新工藝也在逐步發(fā)展,目前相對成熟的有激光焊(LBW)、超聲輔助焊、攪拌摩擦焊,但這些技術(shù)也存在不同程度的不足之處,需要進(jìn)一步的完善與優(yōu)化。

        (3)未來鋁合金材料的焊接發(fā)展方向應(yīng)主要從設(shè)備和工藝著手。

        (4)隨著市場需求的增大和變化,新型材料也將被研發(fā)和應(yīng)用,焊接技術(shù)的發(fā)展也應(yīng)隨之提高,發(fā)展的方向必然是智能高效、綠色環(huán)保的。

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