铝合金材料焊接方法研究进展

胡永鹅，龙 琼，韩兴科，何 波，王 尧，杨秀芳

(贵州理工学院 材料与冶金工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

铝合金在汽车制造业上具有其他材料不可替代的功能，因此铝合金车体发展速度非常快。尤其是近些年来，我国的铝合金材料焊接技术更是发展迅速，出现了很多新兴的焊接技术，比如：TIG 焊接技术、CMT 焊接技术、激光焊接以及摩擦搅拌焊等。 这些新兴的焊接技术，显示出极大的技术优势，为自动化焊接提供了理论基础。 基于此，本文通过概述铝合金CMT 焊、TIG 焊、高能密度焊、等离子弧焊、MIG 焊、摩擦塞补焊及搅拌摩擦焊等几种焊接技术，对铝合金材料焊接工艺的前景进行了展望，并就铝合金材料焊接工艺，分析了各种焊接工艺特点。

1 铝合金材料的应用

铝可加工成各种型材，具有优良的导电性、抗蚀性和导热性，其产品已广泛应用于印刷业、汽车制造业、建筑业、电子通讯业、石油化工业、能源动力、包装容器、机械电器等行业[1-3]。 铝及其合金材料的加工工艺有铸造、冲压、锻造、挤压以及深加工等。

铝的耐蚀性能很好，而且强度好。 纯铝的抗拉强度是低碳钢的五分之一，如果经过热处理强化和合金化强化，其强度会大大增加。 另外，铝的加工性能好、上色容易且由于本身很轻，安装就轻便很多。 铝的熔点低，易于再生。 所以，从节能、环保、安全要求的等多方面考虑，铝及铝合金材料是很有锻造价值的金属材料。

基于赵云宝等[4]对铝合金焊接技术的竞争形势研究分析，现全球铝合金焊接技术已经步入技术成熟期，当前铝合金焊接技术的研究热点集中于TIG 焊接系统、激光焊接自动控制、搅拌摩擦焊接系统、多种材料的复合焊技术等焊接技术。

2 铝合金的焊接技术

2.1 TIG 焊接技术

现今，TIG 焊接技术已经得到了较为广泛的应用，通过TIG 焊薄板焊接技术能够使铝合金材料完美的契合，为铝合金材料的焊接技术提供了更多的可能性。

TIG 焊具有适用面广、焊接过程稳定、焊接质量好、适于薄板焊接、焊接过程易于实现自动化等优点。 但TIG 焊也存在抗风能力差、焊接过程不够稳定、容易产生气孔生产效率低等问题。 王健存等[5]用TIG 焊焊接LD10 铝合金时，在焊接过程中加入活性剂，结果表明活性剂不但可以改善焊接接头气孔现象，而且可以细化晶粒。 通过利用活性焊丝对铝合金进行焊接，同样可以改善TIG 在焊接过程中存在的缺陷。 谢佳成等[6]利用活性涂层焊丝和活性药芯焊丝对铝合金进行了活性钨极氩弧焊试验，实验结果表明，改善了传统活性焊接中活性剂涂敷不均匀的缺陷，而且焊缝表面成形良好，熔深增加明显。

TIG 焊的主要用于焊接薄的和中等厚度的铝材料工件。 TIG 焊接在动车组铝合金车体焊接中的应用以铝合金薄板的手工焊接为主，惰性保护气体通常为纯氩气，其焊接质量较高，能够很好的满足动车组车体的装配精度要求。

2.2 高能密度焊

高能密度焊主要应用于新型设备的研制、设备的智能化以及加工的柔性化、束流品质的提高及诊断、新材料的焊接等。 激光焊、电子束焊接、等离子弧焊等都是属于高能密度焊。

2.2.1 激光焊

激光在很多领域得到了非常广泛的应用，尤其是在铝合金焊接领域中。 Genchen Peng 等[7]对35 mm 厚的5A06 铝合金在不同环境压力下进行了一系列的圆盘激光焊接实验，得出了激光焊接过程中环境压力应限制在小于102 Pa，使获得高的焊接质量。 激光焊焊接铝及其合金时，特别是在热处理过程，必须考虑缺陷存在的可能性，Viscusi 等[8]研究并探讨了克服这些缺陷的可能性。 激光焊与传统焊接技术相比，具有很显著的优势，如变形小、热影响范围小、生产效率高、接头损伤轻、热输入低等[9]。

激光焊焊缝深宽比相对于传统的方式比较大、热影响区变得比较窄、焊接速度快、焊接变形非常小、能量密度也非常大。 但是想要获得良好的成型效果和优质的焊缝，适合的焊接参数尤为重要。 张亦弛等[10]针对5052 铝合金薄板的脉冲激光焊焊接参数进行了正交实验，实验结果显示，离焦量为-2.5 mm、焊接速度270 mm/min、脉冲频率18 Hz 的焊接参数下能获得表面成型良好，并有一定熔深的优质焊缝。

2.2.2 电子束焊

电子束焊指利用在高真空环境中会聚高功率密度的电子束轰击工件接缝处所产生的热能进行焊接[11]，是金属加热、熔合，形成焊缝的一种焊接方法，其焊接过程在真空下进行，因为在真空中可以避免空气对焊缝成形的影响[12]。 电子束焊接过程中的温度测量是一项困难的工作，基于此，Lord Jaykishan Nayak 等[13]对高能高速电子束焊接中热电偶的响应滞后进行了估算，对测量温度进行了修正，验证并报告了能量输入和焊接速度对瞬态温度演化的影响。

电子束焊的尽管加热功率密度大、焊缝深度比大、适应性强。 但其也有一定的限制条件，电子束焊进行焊接时的设备较复杂，不易操作。 进行焊接的工件在尺寸和形状上也受限制，且进行焊接前要求电子束焊工件焊前去磁处理，防止有磁偏移从而影响焊接效果。

2.2.3 等离子弧焊

等离子弧焊是新型高效的焊接方法[14]，其具有生产率高，焊接效率高、成本低、焊缝质量好、焊接速度快、应力变形小等特点。 春兰等[15]以3003 铝合金为试验对象，采用脉冲等离子弧焊接方法，对其进行焊接试验，并对铝合金的焊接质量和接头性能进行了分析，实验结果表明，采用该焊接系统进行了焊接试验，实现了良好的焊缝成形。

铝及铝合金进行等离子弧焊接时常采用矩形波交流焊接电源，而且常用氩气作为保护气体。 对于纯铝和防锈铝，采用等离子弧焊，其焊接效果好。 在微束等离子弧焊接过程中，电弧光辐射存在三个明显差异的区域，电弧三区的光辐射和尺寸的变化主要是在低频时脉冲电流值的瞬时变化[16]。

2.3 电阻点焊

电阻点焊同人工绑扎相比较，具有生产效率高、节约劳动力、降低成本等优点。 但由于焊接大电流的作用，焊缝中常会出现缺陷和焊点质量不稳定等问题。 为改善电阻点焊对铝合金连接不稳定的缺陷，初明明等[17]对5052 铝合金压印-电阻点焊复合连接的可行性进行了探究性试验，实验结果表明，压印-电阻点焊复合连接可以实现对5052 铝合金接头的有效连接，而且接头的形貌可以利用超声C 扫描进行检测。

电阻点焊接头熔核尺寸和抗剪力的影响因素有很多，王楠楠等[18]以AlSi12 为中间层对A6061 铝合金与Q235 低碳钢进行了电阻点焊，研究了焊接电流、焊接时间与电极压力对接头熔核尺寸和抗剪力的影响，结果表明，接头熔核直径和抗剪力随焊接电流和焊接时间的增加而增加，而且会随电极压力的增大而降低。 与纯铝相比，铝合金的塑性变形温度区窄，线膨胀率大，伸长率小，因此需精确控制焊接参数才能避免裂纹和缩孔。 经Umair Shah 等[19]研究将高频超声振动有效地集成到电阻点焊工艺中，与传统的电阻焊相比，强度和破坏位移都有所提高，而且有效的去除了裂纹。 电阻点焊和其他焊接方式也有所联系，张月莹等[20]研究了SUS301L 奥氏体不锈钢与6063-T6 铝合金异种金属电阻点焊接头的显微组织特征及电极形貌的影响，结果显示，奥氏体不锈钢与铝合金异种材料的焊接接头具有焊接钎焊的特点。

2.4 搅拌摩擦焊

张璐霞等[21]针对铝合金搅拌摩擦焊的研究现状，详细介绍了搅拌摩擦焊在铝及铝合金材料中的应用，并且阐述了铝合金材料和其他金属及其合金的搅拌摩擦焊接技术。

搅拌摩擦焊焊接效果受其焊接参数的影响。Wu Tingke 等[22]建立了搅拌摩擦焊的有限元模型，通过数值模拟研究了搅拌摩擦焊接过程中材料的流动规律，分析搅拌摩擦焊焊接缺陷的形成，优化了其焊接参数。

搅拌摩擦焊的焊接过程中对环境的污染很小，主要是用在熔化温度较低的有色金属，如铝、铜等合金材料。 搅拌头的材料选择会影响焊接效果。 He Ma 等[23]研究了间隙变化对2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊接头质量和热机械性能的影响。 研究表明当间隙超过0.8 mm 时，刀具传递的材料不会完全填满销向前运动形成空腔。

铝合金材料焊接时容易产生气孔，这就需要一种新的焊接技术来修补铝合金材料的焊接缺陷，而摩擦塞补焊就是这一种焊接技术。 Bo Du等[24]通过模拟和实验，验证了AA2219 铝合金通过摩擦塞焊焊接时，较高的焊接力和转速可以促进材料流动，提高界面法向力，有利于获得较好的连接。 刘凯旋等[25]对2219-T87 铝合金搅拌摩擦焊缝进行摩擦塞补焊工艺试验，实验结果表明，在7 500 r/min 的焊接转速和40～55 kN 的焊接压力下可获得无缺陷摩擦塞补焊接头。 搅拌摩擦点焊也有很高的应用价值和研究意义，它是在搅拌摩擦焊接基础上，研究开发的一种创新的焊接技术[26]。

2.5 MIG 焊接技术

MIG 焊在焊接过程中，电弧稳定，氧化性弱，适合焊接铝、铜、钛等有色金属。 雷振等[27]采用激光-MIG 复合焊和MIG 焊分别对高速列车A6N01S-T5 铝合金型材进行了焊接研究。 并对焊缝外观、焊接变形、接头力学性能和显微组织进行了分析。 试验结果表明，采用激光-MIG 复合焊可实现型材的高效焊接。

MIG 焊接技术与埋弧焊和手工电弧焊相比，焊接成本低、焊缝抗裂性能高、焊后变形较小、生产效率高、操作简便等优势。 胡秀华等[28]利用MIG 焊和搅拌摩擦焊对20 mm 厚的新型铝合金进行焊接，通过实验对比两种焊接形式对焊接接头的微观组织和力学性能的影响，结果显示：MIG焊和搅拌摩擦焊断口都位于焊缝处，且都属于韧性断裂，第二相粒子或强化相粒子分布于韧窝中，成为韧性断裂的微孔源，断口表面分布着许多撕裂棱。

对于传统的MIG 焊，铝合金焊接时电弧稳定性较差，而且容易产生烧穿和熔池下榻等缺陷，使得焊接效率降低。 所以若用双脉冲MIG 焊接铝合金材料，可通过改变其焊接电流波形参数来获得成形优良的焊缝，弥补了传统MIG 焊接技术在工艺上的一些缺陷。 但双脉冲MIG 焊接设备在整体性能仍需要提升，基于此，钟启明等[29]研制新型双脉冲MIG 焊接电源，结果显示该焊接电源可以使得最终焊缝成形良好，鱼鳞纹清晰，无明显缺陷。

2.6 CMT 焊接技术

CMT 焊接作为一种添加剂制造方法，已在汽车工业、国防部门和发电厂得到应用[30]。 CMT焊接技术具有热输人量小、电弧更稳定、焊接变形小、焊缝均匀一致等优点。 但是因为热输入低，厚板不容易焊透，从而导致效率比较低。 刘晓莉等[31]针对5083 铝合金中厚板拼板，研究如何运用双丝CMT 焊接技术来实现单面焊双面成形，确定最佳过渡模式及工艺参数范围。 张楠楠等[32]用CMT 焊接方法进行钢铝薄板的搭接实验，重点研究了焊接参数对焊缝宏观形貌、力学性能等的影响，结果表明利用二氧化碳保护可以有效促进金属间化合物的生成，使得焊接接头的抗拉强度、塑性和硬度均有所提高。 CMT 焊在一定程度上优异于MIG 焊。 基于此，路浩[33]研究了厚板铝合金CMT 焊接工艺和脉冲MIG 焊接工艺的区别，并进行了实验，结果表明CMT 焊接方法可获得相对脉冲焊接更加优良的铝合金焊接接头。 CMT 焊接技术适用于薄板焊接，尤其是铝件材料的焊接。

3 结语

铝合金材料的焊接技术在一定程度上会影响最后成品的结构、外观甚至是其他关键性能，所以新兴技术的出现使焊接质量、焊接性能不断提高，极大了改善了传统焊接技术的诸多不足，促进了铝合金构建的制造水平。 另外，铝合金材料已经逐渐渗透于汽车行业中，其焊接质量的高低将直接影响车身的整体水平，也将威胁着乘客们的生命安全，所以对铝合金材料的焊接要求也越来越高，选择适合的焊接工艺也尤为重要。 近年来，铝合金材料的焊接方法和技术逐渐走向成熟，在不久的将来会更加深入制造业。 反之，随着科学技术的不断革新，制造业的需求不断提高，也必将促使铝合金材料的焊接方法和技术不断完善和发展，从而使焊接方法逐步向高效率、低成本、低能耗等方向发展，焊接过程也会向自动化、最优化方向进攻。 不难预料，铝及铝合金工业的发展前景非常可观，而且现已经影响了我国的经济水平且带动了我国经济的发展。