舒 偉

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司湛江分公司，湛江 524057）

鋁是地球上發(fā)現(xiàn)儲量僅次于氧和硅的元素物質(zhì)，往往以鋁化合物的形式存在于明礬石、云母、鋁土礦、長石以及高嶺石等巖石和礦石中。純鋁屬于白色輕金屬，具有優(yōu)良的延展性，往往可以制成鋁板材、鋁箔狀、鋁粉狀、鋁帶狀、鋁絲狀以及鋁棒材等。它的活性較強，極易在空氣中形成氧化膜，防止金屬腐蝕，所以在電流輸送為核心的工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛。我國是鋁合金和金屬鋁的生產(chǎn)大國。隨著鋁合金焊接工藝的不斷發(fā)展，鋁合金在航空航天、精密電子產(chǎn)業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)中的應用極其廣泛，推動了各行各業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，鋁合金焊接過程中往往借助非熔化極氣體保護焊（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接工藝和熔化極惰性氣體保護焊（Metal Inert-gas Welding，MIG）焊接工藝進行鋁合金裝備產(chǎn)品焊接。盡管這兩種焊接工藝可以保證焊接接頭的穩(wěn)定性，但是在實際運用過程中存在焊接變形較大、焊接熔透能力不高以及焊接線效率低下等弊病。近些年來，諸如激光焊、摩擦攪拌焊以及雙數(shù)激光焊等鋁合金先進焊接工藝不斷發(fā)展推動了鋁合金先進焊接技術(shù)的應用和鋁合金裝備產(chǎn)品的發(fā)展。因此，探索鋁合金先進焊接工藝對鋁合金在新市場中的推廣和新材料應用具有重要的推動意義。

1 鋁合金的分類和應用特點

自從20 世紀初電工鋁合金1050 出現(xiàn)以來，國際上關(guān)于鋁合金的分類已經(jīng)基本形成了約定俗成的3 種分類依據(jù)，即鋁合金的化學成分、鋁合金的成型工藝和鋁合金中是否含有鋯[1]。我國對于鋁合金的研究和應用十分廣泛。因此，基于我國的實際情況，鋁合金又有4 大分類，即鑄造鋁合金、變形鋁合金、航空鋁合金以及壓鑄鋁合金。早期設(shè)計的變形鋁合金，往往需要具備塑性變形的良好能力，還需具有一定的強度。所以，鋁合金成分中金屬間化合物是缺失的，僅僅包含兩項合金，就能保證變形鋁合金符合低塑性變形和高強度的特點。現(xiàn)階段，由于鋁合金的發(fā)展成熟和工藝進步，它已經(jīng)運用到了航天航空設(shè)備、精密電子元件、汽車零部件以及機件外殼等領(lǐng)域[2]。

2 鋁合金的焊接特點

鋁合金自身具有質(zhì)量輕、比強度高、高比模量、耐腐蝕性、高導電性、耐磁性、低溫性能好、焊接成型好以及高導熱性等特點，因此在各類焊接結(jié)構(gòu)的裝備產(chǎn)品中應用廣泛[3]。但是，正因為鋁合金質(zhì)量輕的特性，鋁合金在實際開展焊接的過程中極易出現(xiàn)接頭軟化的情況，導致鋁合金整體強度系數(shù)降低，在一定程度上阻礙了鋁合金裝備產(chǎn)品的應用。具體來說，鋁合金的焊接過程中的特點體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，鋁合金在焊接過程中極易產(chǎn)生熔點較高的難溶氧化膜，所以在實際開展鋁合金焊接的過程中往往依托于功率密度較大的焊接工藝；第二，鋁合金在實際焊接的過程中極易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋；第三，由于鋁合金焊接過程中線膨脹系數(shù)會逐步增加，容易發(fā)生焊接變形，所以焊接工藝的技術(shù)要求標準較高；第四，與鋼相比，鋁合金的導熱率更好，所以在同等焊接速度下，鋁合金的焊接熱輸入往往比鋼材大2 ～4 倍。整體而言，鋁合金焊接工藝務必采用焊接熱輸入量較小、焊接能量密度大以及焊接速度高的焊接工藝和焊接方法，以保證鋁合金裝備產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。

3 鋁合金的先進焊接工藝

3.1 鋁合金激光焊接工藝

基于鋁合金焊接的能量密度大和焊接速度高的特點，高性能、大功率的鋁合金激光焊接加工設(shè)備也在不斷研制和開發(fā)，促進了鋁合金激光焊接工藝的發(fā)展，逐步成為現(xiàn)階段鋁合金先進焊接工藝的代表和重要發(fā)展方向。現(xiàn)階段，鋁合金激光焊接工藝在汽車行業(yè)中的部件連接上使用較為廣泛，在全鋁結(jié)構(gòu)上可以形成接近30 m 的激光焊縫[5]。與TIG 焊接工藝和MIG 焊接工藝相比，鋁合金激光焊接工藝具有諸多優(yōu)點。首先，鋁合金激光焊接工藝的熱輸入量較低、能量密度較高，所以焊接的裝備產(chǎn)品變形小，在熔化區(qū)和熱影響區(qū)可以形成窄小深大的焊接縫隙。其次，鋁合金激光焊接工藝能夠在保證焊縫細微的基礎(chǔ)上加速冷卻，確保焊接接頭性能優(yōu)良。最后，整體焊接速度有所加快，具備了適應性強、功能性多以及可靠穩(wěn)定的特征，尤其是擺脫了真空裝置的束縛，所以焊接工藝自動化、焊接工藝效率提升以及焊接工藝精度提升都是其主要優(yōu)勢。作為高能密度的鋁合金激光焊接工藝，通過激光焊接工藝的鋁合金避免了傳統(tǒng)鋁合金焊接過程中因為工藝不成熟和工藝標準不高造成的缺陷，大大增加了鋁合金裝備產(chǎn)品的強度。但是需要注意，在實際運用激光焊接工藝焊接鋁合金的時候，激光焊接器的功率較小，針對厚度較高的鋁合金板材焊接成效不明顯。此外，鋁合金表面不太容易吸收激光束，深熔焊接的時候難免存在閾值問題。

3.2 鋁合金摩擦攪拌焊接工藝

盡管現(xiàn)階段鋁合金裝備產(chǎn)品的熔焊能夠?qū)崿F(xiàn)高速度焊接且應用較為廣泛，但是熔化焊焊縫是一種鑄態(tài)組織，焊接接頭長期處于熱循環(huán)狀態(tài)極易出現(xiàn)組織變化，導致鋁合金力學性能不足[6]。另外，熔焊鋁合金的過程中，鋁合金接頭極易出現(xiàn)變形大、缺陷多、接頭顏色變化以及熱影響區(qū)加寬等問題。所以，20 世紀90年代英國最先提出了鋁合金摩擦攪拌焊接工藝，并成功應用于航空航天、造船工業(yè)以及汽車工業(yè)的鋁合金連接裝備產(chǎn)品。鋁合金摩擦攪拌焊接工藝引入我國后，憑借其優(yōu)點獲得了廣泛應用。首先，鋁合金摩擦攪拌焊接工藝焊接的鋁合金接頭質(zhì)量良好，且摩擦攪拌焊接工藝屬于固相焊，焊接過程中接頭往往不會出現(xiàn)熔焊時凝固過程出現(xiàn)的焊接氣孔和焊接裂紋等問題，且焊接后接頭顏色與母材料顏色的差異較小。鋁合金摩擦攪拌焊接工藝的焊接溫度遠遠低于鋁合金熔點，所以鋁合金裝備產(chǎn)品的變形較小，且組織與母材料相當接近。其次，運用鋁合金摩擦攪拌焊接工藝的過程中，裝配精度要求往往不高，也不需要保護氣體和其他填充材料，焊接前的準備工序相對簡單。對于厚度較高的鋁合金板材而言，它不需要開坡口，易于操作，節(jié)能系數(shù)較高。最后，鋁合金摩擦攪拌焊接工藝操作更容易實現(xiàn)自動化和機械化，整個焊接過程的穩(wěn)定系數(shù)和安全系數(shù)更高，操作過程中也不會出現(xiàn)有害光線、難聞氣味等?？梢?，應用鋁合金攪拌摩擦焊接工藝可有效規(guī)避鋁合金焊接中的各種缺陷，且作為固態(tài)鏈接工藝，其焊接后的鋁合金接頭性能優(yōu)良，也可以有效焊接傳統(tǒng)鋁合金焊接中無法焊接的部分[7]。

3.3 鋁合金雙束激光焊接工藝

隨著鋁合金激光焊接工藝的成熟，雙束激光焊接工藝憑借其焊縫深寬比較低和焊寬較寬，有效降低了焊接過程中鋁合金氣孔的敏感性，提高了鑰孔的穩(wěn)定性，避免了鋁合金激光焊接工藝運用過程中鑰孔塌陷造成的氣孔。這是因為鋁合金雙束激光焊接工藝在焊接過程中第一束激光可以產(chǎn)生熔池，并在焊接區(qū)域附近進行良好的預熱，確保第二束激光照射的過程中母材可以熔化，進而保證焊縫較寬。第二束激光可以將第一束激光形成的鑰孔后壁氣化，所以采用鋁合金雙束激光焊接工藝焊接的鋁合金裝備產(chǎn)品出現(xiàn)氣孔的幾率較低。

3.4 鋁合金激光-電弧復合焊接工藝

無論是鋁合金激光焊接工藝還是鋁合金雙束激光焊接工藝，盡管焊接過程優(yōu)勢明顯，但是如焊接設(shè)備成本偏高、工序復雜以及接頭間隙偏小等問題依舊導致鋁合金激光焊接工藝和鋁合金雙束激光焊接工藝的應用存在一定的局限。所以，依托鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展的激光-電弧復合焊接工藝應運而生。具體來說，激光-電弧復合焊接工藝充分結(jié)合了鋁合金激光焊接工藝、TIG 電弧、MIG 電弧以及等離子體等，在汽車車體、汽車輪軸等方面應用較為廣泛[8]。

鋁合金激光-電弧復合焊接工藝充分結(jié)合不同鋁合金焊接工藝的優(yōu)點，徹底實現(xiàn)了激光焊接功率要求、深熔焊閾值以及鋁合金表面吸收激光束等問題。此外，激光-電弧復合焊接工藝焊接鋁合金，電弧和激光之間相互影響，避免了單項使用電弧焊接工藝或者激光焊接工藝的缺陷，實現(xiàn)了“復合”效應[9]。

4 鋁合金的先進焊接工藝應用

鋁合金先進焊接工藝在造船工業(yè)中的應用廣泛。鋁合金憑借其裝備產(chǎn)品密度較小，有效滿足了造船工業(yè)中船舶重量控制的需求，有效降低了船舶的重心，保證了造船過程中船舶的穩(wěn)定性和安全性。所以，在游艇、漁船以及艦艇生產(chǎn)建造中，鋁合金裝備產(chǎn)品應用最廣泛。近年來，鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)焊接生產(chǎn)的鋁合金構(gòu)件、鋁合金裝備等，在多家船舶生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛應用，基本實現(xiàn)了集約化生產(chǎn)[10]。這是因為鋁合金攪拌摩擦焊接工藝可以保證船舶生產(chǎn)過程中相關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)件和鋁合金裝備產(chǎn)品精確度達標，在節(jié)省時間的同時，實現(xiàn)了船舶輕合金預成型結(jié)構(gòu)的焊接，保證了船舶生產(chǎn)過程中成本控制、性能提升、重量降低和外觀精美的需求。除了提供鋁合金結(jié)構(gòu)件和裝備產(chǎn)品以外，攪拌摩擦焊接工藝還能用于船舶零部件的現(xiàn)場裝配，創(chuàng)新了船舶生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)連接 模式。

鋁合金作為一種輕金屬材料，憑借其自身高比模量、耐腐蝕性、高導電性以及高導熱性等獨特優(yōu)勢，在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛應用。鋁合金先進焊接工藝的應用，保證了鋁合金成型工藝性和焊接連接性，使得鋁合金材料在航天飛船、登月車以及航天飛機等航空航天設(shè)備中應用較多。比如，依托先進焊接工藝，焊接自動化和焊接現(xiàn)代化保證了航空航天產(chǎn)業(yè)中航天器對焊接技術(shù)可靠性和高質(zhì)量的要求。

長期以來，汽車輕量化、汽車環(huán)?；约捌嚬?jié)能化是汽車生產(chǎn)行業(yè)一直探索和發(fā)展的方向，更是社會發(fā)展和汽車發(fā)展的必然趨勢。隨著鋁合金激光焊接工藝、鋁合金雙束激光焊接工藝、鋁合金激光-電弧復合焊接工藝的成熟和發(fā)展，汽車生產(chǎn)過程中一些零部件的物理化學特殊性能引起的焊接困難得到了良好解決。尤其在整車車身焊接中，鋁合金先進焊接工藝價值巨大。

5 結(jié)語

鋁合金是自20 世紀出現(xiàn)以來世界范圍內(nèi)迅速普及和采用的一種工程和工業(yè)金屬材料。鋁合金屬于一類具有開發(fā)潛力的金屬材料，密度低、高比強度和比剛度、易加工，在汽車行業(yè)、航空工業(yè)以及造船工業(yè)等方面得到了廣泛應用。所以，鋁合金先進焊接工藝的研究是一項持續(xù)性工程，需要不斷開發(fā)和創(chuàng)造，才能促使鋁合金得到更廣泛的應用。此外，鋁合金先進焊接工藝的出現(xiàn)必然會降低鋁合金生產(chǎn)焊接成本，提高焊接生產(chǎn)效率和焊接裝備的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對于鋁合金焊接生產(chǎn)而言，要認識到鋁合金先進焊接工藝的發(fā)展方向和發(fā)展需求，結(jié)合鋁合金的焊接特性，科學合理推動鋁合金焊接技術(shù)朝著自動化、高效化和現(xiàn)代化方向發(fā)展。