焊材学堂：第二期 第一章 第1节 铝合金焊接概论
发布日期：
2018-05-14 点击数:100
作者 高级工程师崔玉林
铝是一种面心立方结构的金属，这通常意味着铝的塑性较好，因为它可以有多个滑移系。通过添加多种元素而获得铝合金，来改善铝合金机械性能和耐腐蚀性能。通常添加的元素包括Mg,Si,Cu,Mn,Zn,Li等主要元素同时添加 Zr,Ti,Cr,V,Fe,以及稀土元素如金属锶和钇等。还要控制非金属元素O,N,H含量，以及夹杂物的数量和尺寸。微量多元的化学元素在铝合金的基体里起着不同的作用。纯铝的熔点660℃左右,电阻率都远低于碳钢,热膨胀系数和导热系数远高于碳钢。这些物理性能会使铝合金的焊接特点和方法与钢材有着很大的差别。铝合金根据添加的合金种类被简单的划分为7个系列,如表1：
铝合金当下主要被应用于 交通运输，宇航，低温，电气，包装等行业。常用为4xxx，5xxx，6xxx，7xxx，铝合金。主要供货方式为铝挤压型材和铝卷以及铸造铝合金。常用的焊接方法包括电弧焊接，激光焊接，销钉铆接，搅拌摩擦焊接，钎焊。
电弧焊接最为广泛可以采用TIG,或者MIG，手工焊，半自动焊接，或者全自动焊接。电弧焊接常用的焊丝有1188，4043，4047，5356，5183，5087，5554等商业牌号并不像母材一样拥有很多商业化的系列。通常的保护气体有Ar（99.99% 或者99.999%），有时也需要He气或者Ar+He混合气体。电弧焊接常见问题是气孔，裂纹，强度降低，或者是焊接结束之后的阳极氧化处理有色差。需要根据基材的成分和结构来配置焊接电源，焊接材料，焊接气体和正确的焊接工艺。最为单相奥氏体结构在热输入量大时，是极有可能因晶粒粗大而导致强度降低，也会因为铝合金表面含水氧化膜以及内部过高的含“H”量而导致焊接氢气孔。Mg和si的含量需要控制在一个合理的范围内才会发挥固溶强化，析出强化的作用以及减少焊接热裂纹的倾向性。
激光焊接的出现是一种高效率的焊接方法每分钟可以达到5m以上对于薄板搭接焊。铝合金的热影响区要比弧焊小很多，因此晶粒粗大，焊接形变应力的现象都非常小。但是仍然面临焊接气孔 这个气孔与弧焊形成机理有很大差别。激光焊接设备其核心在于激光源和焊接时的装配精度，激光源的光电转换效率一般都会低于40%，价格昂贵。激光源种类繁多，当下主流是用光纤传导的固体连续波多模态激光器。激光的焦点直径通常在0.5mm上下，对装配精度要求极高。金属对激光的吸收率与电阻率成正比，与波长成反比，固体激光波长远小于CO2激光波长，铝合金的电阻率很低，这意味着铝合金对激光的吸收率很低，能量进一步损失。铝合金的焊接熔池温度更高，意味着主要强化元素Mg可能损失造成强度降低，不得不依靠填丝焊接来弥补Mg损失。激光焊接还容易形成等离子云干涉激光的吸收，需要保护气体对等离子云进行干涉。总之激光是一种高效率，高成本，自动化，几乎无变形的焊接方法。常用在汽车，航天等领域。
销钉焊接:销钉铆接彻底解决焊接变形，焊接缺陷，几乎没有焊接残余应力的存在。残余应力往往对有疲劳强度要求的焊接接头造成致命的损伤。根据瑞典伊萨研发总部的研究结果，焊接接头强度的提高并不会提高疲劳寿命，提高常温下疲劳寿命的核心是控制残余应力和控制住疲劳裂纹源和疲劳裂纹的临界失稳状态。飞机工业以前大量的使用铆接主要目的之一就是降低焊接残余应力。但是销钉焊接的成本高于激光，且远高于电弧焊接。由于只是机械连接，必须要满足周期性热膨胀时，变形完全一致，例如昼夜温差很大。铆接主要用在客车（如宇通客车）和汽车（如捷豹路虎，凯迪拉克）等。
搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所最先于90年代提出的。它是利用高速旋转的摩擦头对铝合金施加旋压作用。铝合金的熔点很低，他很容易被加热到半融化状态，通过搅拌使得金属获得连接。美国已经成功把这一方法用在汽车板焊接上，每分钟焊接速度5m。这一焊接方法效率高，环保，没有焊接裂纹，气孔，焊接几乎无变形吗，没有强化元素的损失，强度不会降低是一个非常了不起的焊接方法。但是它需要规则的焊缝，大型设备，复杂的工装和激光一样苛刻。国产的搅拌摩擦焊接，航天系统即使制造者又是使用者。
钎焊焊接分为很多种有炉内真空或保护性气氛钎焊，也有热源（激光，火焰，感应线圈）钎焊。钎焊多用在铝合金汽车空调，制冷等领域。需要填充钎料和钎剂，钎料的润湿性很重要，钎焊接头的抗拉强度，抗剪强度，也是考核的重要指标。铝合金与钢进行焊接时最适合这种类似钎焊的焊接方法。钎焊的过程是一个基材和焊料原子扩散，成份改变，熔点升高，凝固连接的过程。一个铝合金部件的生产可以采用多种方法来达到目的，关键在于基材的种类，厚度，结构形状，对焊接后成品的质量要求和焊接生产成本与效率的追求。常用的填丝焊接，焊接材料的选择非常重要，通常需要关心的事包括，送丝的稳定性，导电嘴的损耗，焊接缺陷，疲劳强度，焊接变形量的控制。如何匹配最优的焊接设备，工装设备等等。
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