论文部分内容阅读
[摘 要]综述了铝合金焊接方法的研究现状，指出其存在的问题，并对铝合金焊接进行了展望。目前对于铝合金的焊接，传统的MIG焊、TIG焊仍占据主流；搅拌摩擦焊、激光焊和电子束焊接对铝合金的焊接显示出了更好的适应性；在中厚板铝合金焊接方面，电子束焊接具有明显优势。随着对铝合金焊接机理更深入的研究，铝合金焊接工艺的不断完善，铝合金将会得到越来越广泛的使用。
[关键词]铝合金；激光焊接；研究进展
中图分类号：S638 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）26-0208-01
引言
铝合金激光焊接工艺相较于传统焊接工艺，具有热输入量及热影响小、焊接过程自动化等优点。铝合金抗腐蚀、耐低温、导热导电性好，工业生产广泛应用，但焊接困难。随着科技的快速发展，激光焊接、变极性等离子弧焊接、搅拌摩擦焊接等新技术出现，铝合金激光焊接这项技术引起人们关注。所以，为了使激光焊接技术进一步成熟，就要对其工艺中的主要技术问题进行分析研究。
2 铝合金激光焊接技术发展现状
2.1 铝合金激光自熔焊
对于铝合金激光焊来说，铝合金表面对激光的初始反射率较高，需要较大的激光功率；光斑直径小，工件对中、间隙适应性较差，对焊接工装和光束的精确调整要求较高；焊接过程加热和冷却速度快，加之匙孔效应导致合金元素蒸发，焊接气孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效应导致合金元素的挥发、烧损严重，易出现焊缝下凹和咬边现象。对于钣金成形的薄壁结构件，由于其成形精度难以精确控制，焊接装配间隙较大，并且不可避免地存在一定的错边，都为激光自熔焊接技术在铝合金薄壁结构件的推广和应用带来了困难。鉴于上述铝合金激光自熔焊特点，激光自熔焊技术一般只用于较薄结构密封焊以及对焊接质量要求不高的情况。
2.2 铝合金激光填丝焊
与激光自熔焊相比，激光填丝焊放宽了焊接工艺要求；通过填充不同成分的焊丝，改善焊缝组织力学性能，改变焊缝金属流动特性，改善焊缝成形，抑制气孔、裂纹等缺陷的产生；利用较小功率的激光器来实现厚板窄焊道多层焊；激光填丝的效率与传统的自熔焊差不多，参数选择适当时，大于激光自熔焊的焊接效率。飞机壁板是激光填丝焊接技术最为典型的应用。欧洲空客从20世纪90年代初开始进行铝合金壁板双侧同步激光填丝焊接研究，2000年完成首件A318机身下壁板的激光焊接，2003年开始批量生产应用，目前A318、A340、A380机身下壁板均采用激光焊接。我国正在研制的C919大型客机，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开展了机身壁板双侧激光同步填丝焊接铝合金T型接头的研究工作，为实现国产大型客机机身壁板的激光焊接提供装备和工艺支撑。
2.3 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊自1991年发现以来，该技术就在轻合金连接领域与传统的熔化焊接方法相比具有诸多优点。在焊接过程中没有达到材料的熔点，几乎不会产生气孔和裂纹等缺陷；不产生烟尘、飞溅和辐射，不会危害焊工的人身健康；不需要添加焊丝，节约成本。但焊接接头中存在沟槽、飞边、孔洞、未焊合等缺陷，设计合适的搅拌头，选用合适的焊接工艺参数可显著减少此类缺陷的产生。
3 铝合金激光焊接工艺发展中的问题
3.1 焊接中的气孔问题
在汽车制造业中，铝合金激光焊接工艺的运用是比较广泛的，但其主要缺陷之一就是气孔问题。到目前为止，气孔为什么会在焊接中产生也没有彻底研究清楚，其形成的机理是比较复杂的，而且，想要完全避开气孔的出现也是不现实的所以这也就成为铝合金激光焊接工艺中的重点难题。普遍研究者认为，气孔的出现是：氢气孔和匙孔破灭产生的。即是激光焊接在冷却过程中，氢的溶解度急剧下降形成氢气孔，或是激光束引起熔池金属波动，小孔不稳定，熔池金属紊流导致气孔。研究者在对A5182铝合金激光焊缝人为制孔并进行焊缝拉伸试验，发现：表层物质是焊接过程中氢的主要来源，一定要采取适当的方法才能进行彻底清除。而在1420铝锂合金激光焊接气孔形成机理对比试验中，研究者又发现，Mg、Li合金元素不仅增加了熔池吸氢的倾向，还增加了匙孔末端的不稳定性，从而导致了气孔的产生。
3.2 铝合金激光焊接热裂纹缺陷
在应用铝合金激光焊接工艺是，需要高温，铝合金熔化再局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果，产生焊接裂纹，即热裂纹。不同是铝合金激光焊接工艺产生的裂纹大致可分为六种形式，其中最主要的是焊缝结晶裂纹和液化裂纹。这种结晶裂纹产生的主要原因是由于焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔点共晶导致的。大部分人认为，合金结晶的温度区间越宽，产生热裂纹的可能性越大。然而，人们在试验中发现，铝合金的合金元素种类和数量对焊接热裂纹的影响才较大。且由于加热和冷却速度都极快，也会使铝合金焊接裂纹受影响。还有部分研究者认为，焊接速度也是原因之一，焊接速度越快，铝合金越容易产生裂纹。面对以上种种原因的分析，热裂纹问题的解决需要多方面考虑。
4 铝合金激光焊接工艺在未来如何更好地发展
4.1 解决气孔问题的有效措施
国外教授进行的小孔观测试验引起了激光焊接工艺研究者极大关注，相关的小孔模型研究和直接观测研究工作大量涌现。人们在此模型基础上，进行实践，提出了解决激光焊接工艺中的气孔问题的措施。有研究者表明，材料表面状态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊縫形状都影响气孔的产生。所以，选择合适的表面处理措施，采用高功率、高速度的焊接方式，可以最大限度减少气孔的产生。还有其他的一些研究者认为，调整激光功率波形、减少小孔不稳定倒塌，或在真空中进行焊接等等。但日本科学家在进行试验后认为，适度的气孔能够保持铝合金的内外平衡。各界的研究和看法都有一定的差异，但气孔问题的解决是有一定效果的。
4.2 铝合金材料焊接填充以应对热裂纹
因焊接速度快时，可以使焊缝组织软化，但同时也会得到方向性极强的细小柱状晶组织，形成大量束状晶，导致裂纹增多。可是由于焊接速度的提高有利于减少焊接缺陷，所以为解决这个矛盾，普遍研究者认为，在激光焊接中填充材料能有效应对焊接中产生的热裂纹问题。对于那些容易形成凝固裂纹的铝合金来说，在焊接时添加B、V、Ta等合金元素，能使铝合金在焊接时生成难熔的金属化合物，细化晶粒，有效组织热裂纹的产生。在实际上使用中，人们也发现热裂纹确实明显减少。但不可忽略的是，这种方法容易导致资源的浪费和劳动力的大量消耗。当然也有其他一些科学家发现，调节脉冲波形进行点焊是，控制热输入同样可以减少结晶裂，或尝试在调整焊接金属成分，对材料进行研究。总而言之，如何解决热裂纹问题在目前的研究来看，进行材料填充是较可行的，可如何更有效的推广普及工艺技术也是问题解决的关键。
结束语
铝合金作为一种重要的轻金属材料，由于其良好的耐腐蚀性，高比模量、比强度以及良好的电导性和热导性等特点，不仅在航空航天工业中被广泛使用，而且也是现代高速列车、轻型汽车和轿车等产品的重要结构材料。随着科学技术的发展，铝合金的焊接方法也日益增多，本文主要探讨了目前常见的几种铝合金焊接技术，并对未来的发展进行了展望。
参考文献
[1] 续敏，李向荣，杨化林.5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究[J].热加工工艺，2017，4601：236-237+242.
[2] 张亦弛，赵占西，周翔，徐秋湘.5052铝合金脉冲激光焊接温度场模拟[J].热加工工艺，2017，4603：242-245.
[3] 范哲超，陆明，丰洪微.PLC控制激光焊接2524铝合金接头的组织研究[J].热加工工艺，2017，4605：63-67.
[关键词]铝合金；激光焊接；研究进展
中图分类号：S638 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）26-0208-01
引言
铝合金激光焊接工艺相较于传统焊接工艺，具有热输入量及热影响小、焊接过程自动化等优点。铝合金抗腐蚀、耐低温、导热导电性好，工业生产广泛应用，但焊接困难。随着科技的快速发展，激光焊接、变极性等离子弧焊接、搅拌摩擦焊接等新技术出现，铝合金激光焊接这项技术引起人们关注。所以，为了使激光焊接技术进一步成熟，就要对其工艺中的主要技术问题进行分析研究。
2 铝合金激光焊接技术发展现状
2.1 铝合金激光自熔焊
对于铝合金激光焊来说，铝合金表面对激光的初始反射率较高，需要较大的激光功率；光斑直径小，工件对中、间隙适应性较差，对焊接工装和光束的精确调整要求较高；焊接过程加热和冷却速度快，加之匙孔效应导致合金元素蒸发，焊接气孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效应导致合金元素的挥发、烧损严重，易出现焊缝下凹和咬边现象。对于钣金成形的薄壁结构件，由于其成形精度难以精确控制，焊接装配间隙较大，并且不可避免地存在一定的错边，都为激光自熔焊接技术在铝合金薄壁结构件的推广和应用带来了困难。鉴于上述铝合金激光自熔焊特点，激光自熔焊技术一般只用于较薄结构密封焊以及对焊接质量要求不高的情况。
2.2 铝合金激光填丝焊
与激光自熔焊相比，激光填丝焊放宽了焊接工艺要求；通过填充不同成分的焊丝，改善焊缝组织力学性能，改变焊缝金属流动特性，改善焊缝成形，抑制气孔、裂纹等缺陷的产生；利用较小功率的激光器来实现厚板窄焊道多层焊；激光填丝的效率与传统的自熔焊差不多，参数选择适当时，大于激光自熔焊的焊接效率。飞机壁板是激光填丝焊接技术最为典型的应用。欧洲空客从20世纪90年代初开始进行铝合金壁板双侧同步激光填丝焊接研究，2000年完成首件A318机身下壁板的激光焊接，2003年开始批量生产应用，目前A318、A340、A380机身下壁板均采用激光焊接。我国正在研制的C919大型客机，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开展了机身壁板双侧激光同步填丝焊接铝合金T型接头的研究工作，为实现国产大型客机机身壁板的激光焊接提供装备和工艺支撑。
2.3 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊自1991年发现以来，该技术就在轻合金连接领域与传统的熔化焊接方法相比具有诸多优点。在焊接过程中没有达到材料的熔点，几乎不会产生气孔和裂纹等缺陷；不产生烟尘、飞溅和辐射，不会危害焊工的人身健康；不需要添加焊丝，节约成本。但焊接接头中存在沟槽、飞边、孔洞、未焊合等缺陷，设计合适的搅拌头，选用合适的焊接工艺参数可显著减少此类缺陷的产生。
3 铝合金激光焊接工艺发展中的问题
3.1 焊接中的气孔问题
在汽车制造业中，铝合金激光焊接工艺的运用是比较广泛的，但其主要缺陷之一就是气孔问题。到目前为止，气孔为什么会在焊接中产生也没有彻底研究清楚，其形成的机理是比较复杂的，而且，想要完全避开气孔的出现也是不现实的所以这也就成为铝合金激光焊接工艺中的重点难题。普遍研究者认为，气孔的出现是：氢气孔和匙孔破灭产生的。即是激光焊接在冷却过程中，氢的溶解度急剧下降形成氢气孔，或是激光束引起熔池金属波动，小孔不稳定，熔池金属紊流导致气孔。研究者在对A5182铝合金激光焊缝人为制孔并进行焊缝拉伸试验，发现：表层物质是焊接过程中氢的主要来源，一定要采取适当的方法才能进行彻底清除。而在1420铝锂合金激光焊接气孔形成机理对比试验中，研究者又发现，Mg、Li合金元素不仅增加了熔池吸氢的倾向，还增加了匙孔末端的不稳定性，从而导致了气孔的产生。
3.2 铝合金激光焊接热裂纹缺陷
在应用铝合金激光焊接工艺是，需要高温，铝合金熔化再局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果，产生焊接裂纹，即热裂纹。不同是铝合金激光焊接工艺产生的裂纹大致可分为六种形式，其中最主要的是焊缝结晶裂纹和液化裂纹。这种结晶裂纹产生的主要原因是由于焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔点共晶导致的。大部分人认为，合金结晶的温度区间越宽，产生热裂纹的可能性越大。然而，人们在试验中发现，铝合金的合金元素种类和数量对焊接热裂纹的影响才较大。且由于加热和冷却速度都极快，也会使铝合金焊接裂纹受影响。还有部分研究者认为，焊接速度也是原因之一，焊接速度越快，铝合金越容易产生裂纹。面对以上种种原因的分析，热裂纹问题的解决需要多方面考虑。
4 铝合金激光焊接工艺在未来如何更好地发展
4.1 解决气孔问题的有效措施
国外教授进行的小孔观测试验引起了激光焊接工艺研究者极大关注，相关的小孔模型研究和直接观测研究工作大量涌现。人们在此模型基础上，进行实践，提出了解决激光焊接工艺中的气孔问题的措施。有研究者表明，材料表面状态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊縫形状都影响气孔的产生。所以，选择合适的表面处理措施，采用高功率、高速度的焊接方式，可以最大限度减少气孔的产生。还有其他的一些研究者认为，调整激光功率波形、减少小孔不稳定倒塌，或在真空中进行焊接等等。但日本科学家在进行试验后认为，适度的气孔能够保持铝合金的内外平衡。各界的研究和看法都有一定的差异，但气孔问题的解决是有一定效果的。
4.2 铝合金材料焊接填充以应对热裂纹
因焊接速度快时，可以使焊缝组织软化，但同时也会得到方向性极强的细小柱状晶组织，形成大量束状晶，导致裂纹增多。可是由于焊接速度的提高有利于减少焊接缺陷，所以为解决这个矛盾，普遍研究者认为，在激光焊接中填充材料能有效应对焊接中产生的热裂纹问题。对于那些容易形成凝固裂纹的铝合金来说，在焊接时添加B、V、Ta等合金元素，能使铝合金在焊接时生成难熔的金属化合物，细化晶粒，有效组织热裂纹的产生。在实际上使用中，人们也发现热裂纹确实明显减少。但不可忽略的是，这种方法容易导致资源的浪费和劳动力的大量消耗。当然也有其他一些科学家发现，调节脉冲波形进行点焊是，控制热输入同样可以减少结晶裂，或尝试在调整焊接金属成分，对材料进行研究。总而言之，如何解决热裂纹问题在目前的研究来看，进行材料填充是较可行的，可如何更有效的推广普及工艺技术也是问题解决的关键。
结束语
铝合金作为一种重要的轻金属材料，由于其良好的耐腐蚀性，高比模量、比强度以及良好的电导性和热导性等特点，不仅在航空航天工业中被广泛使用，而且也是现代高速列车、轻型汽车和轿车等产品的重要结构材料。随着科学技术的发展，铝合金的焊接方法也日益增多，本文主要探讨了目前常见的几种铝合金焊接技术，并对未来的发展进行了展望。
参考文献
[1] 续敏，李向荣，杨化林.5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究[J].热加工工艺，2017，4601：236-237+242.
[2] 张亦弛，赵占西，周翔，徐秋湘.5052铝合金脉冲激光焊接温度场模拟[J].热加工工艺，2017，4603：242-245.
[3] 范哲超，陆明，丰洪微.PLC控制激光焊接2524铝合金接头的组织研究[J].热加工工艺，2017，4605：63-67.