基于铝合金先进焊接工艺的探索

舒 伟

（中海油能源发展装备技术有限公司湛江分公司，湛江 524057）

铝是地球上发现储量仅次于氧和硅的元素物质，往往以铝化合物的形式存在于明矾石、云母、铝土矿、长石以及高岭石等岩石和矿石中。纯铝属于白色轻金属，具有优良的延展性，往往可以制成铝板材、铝箔状、铝粉状、铝带状、铝丝状以及铝棒材等。它的活性较强，极易在空气中形成氧化膜，防止金属腐蚀，所以在电流输送为核心的工业领域应用广泛。我国是铝合金和金属铝的生产大国。随着铝合金焊接工艺的不断发展，铝合金在航空航天、精密电子产业和汽车产业中的应用极其广泛，推动了各行各业的发展。现阶段，铝合金焊接过程中往往借助非熔化极气体保护焊（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接工艺和熔化极惰性气体保护焊（Metal Inert-gas Welding，MIG）焊接工艺进行铝合金装备产品焊接。尽管这两种焊接工艺可以保证焊接接头的稳定性，但是在实际运用过程中存在焊接变形较大、焊接熔透能力不高以及焊接线效率低下等弊病。近些年来，诸如激光焊、摩擦搅拌焊以及双数激光焊等铝合金先进焊接工艺不断发展推动了铝合金先进焊接技术的应用和铝合金装备产品的发展。因此，探索铝合金先进焊接工艺对铝合金在新市场中的推广和新材料应用具有重要的推动意义。

1 铝合金的分类和应用特点

自从20 世纪初电工铝合金1050 出现以来，国际上关于铝合金的分类已经基本形成了约定俗成的3 种分类依据，即铝合金的化学成分、铝合金的成型工艺和铝合金中是否含有锆[1]。我国对于铝合金的研究和应用十分广泛。因此，基于我国的实际情况，铝合金又有4 大分类，即铸造铝合金、变形铝合金、航空铝合金以及压铸铝合金。早期设计的变形铝合金，往往需要具备塑性变形的良好能力，还需具有一定的强度。所以，铝合金成分中金属间化合物是缺失的，仅仅包含两项合金，就能保证变形铝合金符合低塑性变形和高强度的特点。现阶段，由于铝合金的发展成熟和工艺进步，它已经运用到了航天航空设备、精密电子元件、汽车零部件以及机件外壳等领域[2]。

2 铝合金的焊接特点

铝合金自身具有质量轻、比强度高、高比模量、耐腐蚀性、高导电性、耐磁性、低温性能好、焊接成型好以及高导热性等特点，因此在各类焊接结构的装备产品中应用广泛[3]。但是，正因为铝合金质量轻的特性，铝合金在实际开展焊接的过程中极易出现接头软化的情况，导致铝合金整体强度系数降低，在一定程度上阻碍了铝合金装备产品的应用。具体来说，铝合金的焊接过程中的特点体现在以下几个方面：第一，铝合金在焊接过程中极易产生熔点较高的难溶氧化膜，所以在实际开展铝合金焊接的过程中往往依托于功率密度较大的焊接工艺；第二，铝合金在实际焊接的过程中极易产生气孔和热裂纹；第三，由于铝合金焊接过程中线膨胀系数会逐步增加，容易发生焊接变形，所以焊接工艺的技术要求标准较高；第四，与钢相比，铝合金的导热率更好，所以在同等焊接速度下，铝合金的焊接热输入往往比钢材大2 ～4 倍。整体而言，铝合金焊接工艺务必采用焊接热输入量较小、焊接能量密度大以及焊接速度高的焊接工艺和焊接方法，以保证铝合金装备产品的质量[4]。

3 铝合金的先进焊接工艺

3.1 铝合金激光焊接工艺

基于铝合金焊接的能量密度大和焊接速度高的特点，高性能、大功率的铝合金激光焊接加工设备也在不断研制和开发，促进了铝合金激光焊接工艺的发展，逐步成为现阶段铝合金先进焊接工艺的代表和重要发展方向。现阶段，铝合金激光焊接工艺在汽车行业中的部件连接上使用较为广泛，在全铝结构上可以形成接近30 m 的激光焊缝[5]。与TIG 焊接工艺和MIG 焊接工艺相比，铝合金激光焊接工艺具有诸多优点。首先，铝合金激光焊接工艺的热输入量较低、能量密度较高，所以焊接的装备产品变形小，在熔化区和热影响区可以形成窄小深大的焊接缝隙。其次，铝合金激光焊接工艺能够在保证焊缝细微的基础上加速冷却，确保焊接接头性能优良。最后，整体焊接速度有所加快，具备了适应性强、功能性多以及可靠稳定的特征，尤其是摆脱了真空装置的束缚，所以焊接工艺自动化、焊接工艺效率提升以及焊接工艺精度提升都是其主要优势。作为高能密度的铝合金激光焊接工艺，通过激光焊接工艺的铝合金避免了传统铝合金焊接过程中因为工艺不成熟和工艺标准不高造成的缺陷，大大增加了铝合金装备产品的强度。但是需要注意，在实际运用激光焊接工艺焊接铝合金的时候，激光焊接器的功率较小，针对厚度较高的铝合金板材焊接成效不明显。此外，铝合金表面不太容易吸收激光束，深熔焊接的时候难免存在阈值问题。

3.2 铝合金摩擦搅拌焊接工艺

尽管现阶段铝合金装备产品的熔焊能够实现高速度焊接且应用较为广泛，但是熔化焊焊缝是一种铸态组织，焊接接头长期处于热循环状态极易出现组织变化，导致铝合金力学性能不足[6]。另外，熔焊铝合金的过程中，铝合金接头极易出现变形大、缺陷多、接头颜色变化以及热影响区加宽等问题。所以，20 世纪90年代英国最先提出了铝合金摩擦搅拌焊接工艺，并成功应用于航空航天、造船工业以及汽车工业的铝合金连接装备产品。铝合金摩擦搅拌焊接工艺引入我国后，凭借其优点获得了广泛应用。首先，铝合金摩擦搅拌焊接工艺焊接的铝合金接头质量良好，且摩擦搅拌焊接工艺属于固相焊，焊接过程中接头往往不会出现熔焊时凝固过程出现的焊接气孔和焊接裂纹等问题，且焊接后接头颜色与母材料颜色的差异较小。铝合金摩擦搅拌焊接工艺的焊接温度远远低于铝合金熔点，所以铝合金装备产品的变形较小，且组织与母材料相当接近。其次，运用铝合金摩擦搅拌焊接工艺的过程中，装配精度要求往往不高，也不需要保护气体和其他填充材料，焊接前的准备工序相对简单。对于厚度较高的铝合金板材而言，它不需要开坡口，易于操作，节能系数较高。最后，铝合金摩擦搅拌焊接工艺操作更容易实现自动化和机械化，整个焊接过程的稳定系数和安全系数更高，操作过程中也不会出现有害光线、难闻气味等。可见，应用铝合金搅拌摩擦焊接工艺可有效规避铝合金焊接中的各种缺陷，且作为固态链接工艺，其焊接后的铝合金接头性能优良，也可以有效焊接传统铝合金焊接中无法焊接的部分[7]。

3.3 铝合金双束激光焊接工艺

随着铝合金激光焊接工艺的成熟，双束激光焊接工艺凭借其焊缝深宽比较低和焊宽较宽，有效降低了焊接过程中铝合金气孔的敏感性，提高了钥孔的稳定性，避免了铝合金激光焊接工艺运用过程中钥孔塌陷造成的气孔。这是因为铝合金双束激光焊接工艺在焊接过程中第一束激光可以产生熔池，并在焊接区域附近进行良好的预热，确保第二束激光照射的过程中母材可以熔化，进而保证焊缝较宽。第二束激光可以将第一束激光形成的钥孔后壁气化，所以采用铝合金双束激光焊接工艺焊接的铝合金装备产品出现气孔的几率较低。

3.4 铝合金激光-电弧复合焊接工艺

无论是铝合金激光焊接工艺还是铝合金双束激光焊接工艺，尽管焊接过程优势明显，但是如焊接设备成本偏高、工序复杂以及接头间隙偏小等问题依旧导致铝合金激光焊接工艺和铝合金双束激光焊接工艺的应用存在一定的局限。所以，依托铝合金激光焊接技术发展的激光-电弧复合焊接工艺应运而生。具体来说，激光-电弧复合焊接工艺充分结合了铝合金激光焊接工艺、TIG 电弧、MIG 电弧以及等离子体等，在汽车车体、汽车轮轴等方面应用较为广泛[8]。

铝合金激光-电弧复合焊接工艺充分结合不同铝合金焊接工艺的优点，彻底实现了激光焊接功率要求、深熔焊阈值以及铝合金表面吸收激光束等问题。此外，激光-电弧复合焊接工艺焊接铝合金，电弧和激光之间相互影响，避免了单项使用电弧焊接工艺或者激光焊接工艺的缺陷，实现了“复合”效应[9]。

4 铝合金的先进焊接工艺应用

铝合金先进焊接工艺在造船工业中的应用广泛。铝合金凭借其装备产品密度较小，有效满足了造船工业中船舶重量控制的需求，有效降低了船舶的重心，保证了造船过程中船舶的稳定性和安全性。所以，在游艇、渔船以及舰艇生产建造中，铝合金装备产品应用最广泛。近年来，铝合金搅拌摩擦焊接技术焊接生产的铝合金构件、铝合金装备等，在多家船舶生产企业中得到了广泛应用，基本实现了集约化生产[10]。这是因为铝合金搅拌摩擦焊接工艺可以保证船舶生产过程中相关铝合金结构件和铝合金装备产品精确度达标，在节省时间的同时，实现了船舶轻合金预成型结构的焊接，保证了船舶生产过程中成本控制、性能提升、重量降低和外观精美的需求。除了提供铝合金结构件和装备产品以外，搅拌摩擦焊接工艺还能用于船舶零部件的现场装配，创新了船舶生产的结构连接 模式。

铝合金作为一种轻金属材料，凭借其自身高比模量、耐腐蚀性、高导电性以及高导热性等独特优势，在航空航天工业中获得了广泛应用。铝合金先进焊接工艺的应用，保证了铝合金成型工艺性和焊接连接性，使得铝合金材料在航天飞船、登月车以及航天飞机等航空航天设备中应用较多。比如，依托先进焊接工艺，焊接自动化和焊接现代化保证了航空航天产业中航天器对焊接技术可靠性和高质量的要求。

长期以来，汽车轻量化、汽车环保化以及汽车节能化是汽车生产行业一直探索和发展的方向，更是社会发展和汽车发展的必然趋势。随着铝合金激光焊接工艺、铝合金双束激光焊接工艺、铝合金激光-电弧复合焊接工艺的成熟和发展，汽车生产过程中一些零部件的物理化学特殊性能引起的焊接困难得到了良好解决。尤其在整车车身焊接中，铝合金先进焊接工艺价值巨大。

5 结语

铝合金是自20 世纪出现以来世界范围内迅速普及和采用的一种工程和工业金属材料。铝合金属于一类具有开发潜力的金属材料，密度低、高比强度和比刚度、易加工，在汽车行业、航空工业以及造船工业等方面得到了广泛应用。所以，铝合金先进焊接工艺的研究是一项持续性工程，需要不断开发和创造，才能促使铝合金得到更广泛的应用。此外，铝合金先进焊接工艺的出现必然会降低铝合金生产焊接成本，提高焊接生产效率和焊接装备的产品质量。因此，对于铝合金焊接生产而言，要认识到铝合金先进焊接工艺的发展方向和发展需求，结合铝合金的焊接特性，科学合理推动铝合金焊接技术朝着自动化、高效化和现代化方向发展。