铝合金焊接选什么设备如何焊接？

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铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光- 电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。

关键词: 铝合金 搅拌摩擦焊 激光焊 激光- 电弧复合焊 电子束焊

1 铝合金焊接的特点

铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。

铝合金焊接有几大难点:

①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍;

②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060 ℃) ,这就需要采用大功率密度的焊接工艺;

③铝合金焊接容易产生气孔;

④铝合金焊接易产生热裂纹;

⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形;

⑥铝合金热导率大(约为钢的4 倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4 倍。

因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

2 铝合金的先进焊接工艺

针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

2. 1 铝合金的搅拌摩擦焊接

搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ] 。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ] 。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ] 。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。

搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:

①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;

②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板;

③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除;

④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;

⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

2.2 铝合金的激光焊接

铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点:

①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;

②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;

③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;

④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线;

⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;

⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。

现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。

在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5 ] 。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %;对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度。

一、概述

　1991年英国焊接研究所（TWI）发明了搅拌摩擦焊（FSW），从此以后，基于这种固相连接技术的明显优越性，例如：优良的接头力学生能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟法和飞溅，很少的焊前准备和焊接变形等，在世界范围内的国际合和中开展了大量的研究和开发工作。另外，搅拌摩擦焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的2000系列、5000系列和7000系列高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。英国焊接研究所的Dave NICHOLAS订为，搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生革命性的进步。

　2002年4月，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所（TWI）关于搅拌摩擦焊专利技术正式签约，并且取得了搅拌摩擦焊专利技术的独占性二级许可授予权，为中国市场开启了搅拌摩擦焊技术的研究、开发以及大规模工业化应用之门。

　二、铝合金搅拌摩擦焊的应用现状

　搅拌摩擦焊技术拥有诸多独特的优点，对于轻合金材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。实际情况也的确如此，在FSW技术问世后的短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的进展。搅拌摩擦焊技术最初主要用于解决铝合金、镁合金及锌合金等材料的焊接。关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，英国焊接研究所进行了较多的研究，关于1993年、1995年申请了世界范围内的专利保护。目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大公司联合，以团体赞助或合作的形式（TWI的GSP项目）研究、开发搅拌摩擦焊技术，不断扩大其应用范围。

　目前由工业企业赞助的研究项目包括：大厚度铝合金的搅拌摩擦焊、钢的搅拌摩擦焊、钛合金的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的洛克希德。马丁航空航天公司、马歇乐航天飞行中心、美国海军研究年、Dartmuth大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学及澳大利亚焊接研究所等都有从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。

　1 铝合金搅拌摩擦焊在航空航天领域中的应用随着搅拌摩擦焊的研究进一步走向深入，搅拌摩擦焊设备也逐渐从试验室走向商用。TWI应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音-麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌摩擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。

　Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌摩擦焊机，BAE空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌摩擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，据说是欧洲功率的焊机。美国ECLIPSE（月蚀）航空公司将利用FSW来制造一架10.86 m长、翼展11.88 m的中型飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机成本降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术――搅拌摩擦焊技术制造，客机的机身基本上全部利用搅拌摩擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等。

　搅拌摩擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造成本，会对航空结构件的搅拌摩擦焊工艺是由TWI与美国ALCOA公司联合进行试验开发，然后应用于ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌摩擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌摩擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在6月29日~7月1日向公众展示了这种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机，该种飞机预计2003年8月进行飞行认证，在2003年8月交会用户使用。

　2 铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应用目前，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加，而且要求单位价格载荷性能的提高，所以舰艇制造要尽可能的铝合金材料来降低船舶重量。但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用，所以随着搅拌摩擦焊技术的发展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶来板-加强件结构的制造，是船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。

　搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。

　FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为20 m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500 km.

　三、铝合金搅拌摩擦焊的发展趋势

　在中国，北京航空制造工程研究所和英国TWI的搅拌试探焊技术合作中心――中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊的基础方法研究，材料应用研究、开发，搅拌摩擦焊设备的设计、制造和销售等方面，都取得很大的进展。

　（1）目前，中心正在针对搅拌摩擦焊在航天火箭筒体制造，航空飞机框架、蒙皮和结构间的搅拌摩擦焊制造，船舶轻合金制造以及高速列车的铝合金型材的快速制造等方面正在展开全面的研究和工程攻关。另外，在承揽国防科研和总装课题的同时，还加强了和企业、大学的横向联合及技术合作。

　（2）在搅拌摩擦焊设备的制造方面已经设计出3大类6类种形式的搅拌摩擦焊设备，并且在2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业学院制造交付了2台专业化的搅拌摩擦焊设备。

　（3）在工程应用方面，铝合金搅拌摩擦焊将在输变电、高速列车、新一代战斗机及新型运载火箭等方面首先得到应用。

　四、结　语

　搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接技术将对铝合金等轻合金材料的连接制造产生革命性的影响，基于这种连接技术在焊接方法的突破，预计搅拌摩擦焊技术将对飞机、火箭、高速列车、导弹快艇、全铝合金战车等军、民品的设计和制造基线产生根本上的变革。

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