焊接工艺对铝合金焊接性能的影响

随着工业技术的高速发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，对其产品所使用的材料及性能提出了更高的要求。同时降低能源消耗、减少环境污染、节约地球有限资源成为产品设计师面临的十分重要与紧迫的任务，在这一背景下，具有优良物理、化学特性的铝及铝合金受到了越来越多的关注。

铝合金及其加工材料具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易进行表面处理、良好的加工成型性以及高回收再生性等。铝在地球中的储量极其丰富，仅在氧和硅之后蕴藏量居第三位。因此，在工程领域内，铝一直被认为是“机会金属”、“希望金属”，铝工业则一直被认为是“朝阳工业”。

近40年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大。随着铝合金的生产技术的完善成熟和生产成本的不断降低，铝合金在各个领域的广泛应用推动了铝合金产业的发展，铝合金正在成为代替钢材作为结构材料的理想材料，也是当今所需要的节能、环保绿色材料。该系合金虽是非热处理气强化的材料，但因它们不易产生热裂纹而作为可热处理强化合金的重要填加材料使用。此时，根据基体金属的具体情况，将与基体金属的合金成分组成新的合金，往往可使焊缝金属具有可热处理强化合金的特性。在这种情况下，可以通过重新热处理的方法来提高焊接接头的机械性能，但是，焊接接头的延伸率和韧性却会降低。

液体铝对氢的溶解吸收大致与铁和铜相同。溶解于焊接接头中的氢气来源于焊接火焰、电弧气氛、溶剂和金属表面的污染、与氧化膜同时存在的水分以及大气中的潮气等。焊接时所溶解的氢是结晶过程中产生气孔的根源，它能使焊接接头的强度和抗腐蚀性能降低。铝的线膨胀系数约为钢的两倍，纯铝结晶时体积收缩率达7%，铝合金的收缩率平均也达5%。因此，铝及铝合金的焊接变形显著，焊接时如果不保持适当的焊根间隙或不进行拘束，则将产生变形，而且结晶时，在某些合金的焊缝金属和热影响区等部位会产生裂纹。

焊接热会使基体金属的某些部位的机械性能变坏，并且焊接热输入量愈大，性能降低的程度也愈明显。此外，由于焊接热的影响，常常在晶界上发生成分偏析或析出杂质相，从而使该区的抗腐蚀性能降低。焊缝金属是典型的激冷结晶组织，在许多情况下，不仅结晶速度和冷却速度极快，而且还可以看到自基体金属的外延生长、随着焊接热源的移动而产生的晶粒生长方向的变化和显著的搅拌等焊接所特有的结晶现象。

焊缝金属组织的过冷度，随着由熔合线区向焊道中心的接近而增大，并随着焊接速度的提高而更加显著。因此，靠近熔合线区的结晶组织是细网状组织，但随着向焊道中心的接近而逐渐变成网状枝晶组织，并通过新晶核的形成进一步向着形成等轴枝晶的方向变化。用显微镜能观察到枝状晶的轴间距，随着结晶速度的加快，枝状晶组织变得愈细小。焊缝金属是激冷的结晶组织，因此会伴随着不平衡结晶而产生偏析。枝状晶轴间距愈小，偏析率愈小，反之，枝状晶轴间距愈大，偏析率亦愈大。

焊接裂纹是焊接接头的最主要缺陷之一，可分为焊道金属中的纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹和焊根裂纹以及热影响区中的焊趾裂纹、层状撕裂和熔合线区附近的显微裂纹。按裂纹产生的机理分类，产生在焊接接头中的裂纹属于热裂纹，它主要是由晶界上的合金元素的偏析或低熔点物质的存在所引起的。焊接裂纹与焊接接头的结晶过程及其组织有密切的关系。一般认为，合金的结晶温度区间愈宽，愈容易产生裂纹。

产生焊接裂纹的主要原因可归结为合金成分的影响，铝合金线膨胀系数较大，焊接过程中易变形、热应力较大，为热裂纹的产生提供了条件。焊接接头中的气孔是仅次于焊接裂纹的重要缺陷，与其它金属材料相比，铝合金的焊接接头容易产生气孔，这是众所周知的。气孔的生产机理是复杂的，但产生气孔的直接根源是氢气。其原因是高温时熔池可以溶解大量的氢，随着温度的下降氢的溶解度急剧减小，同时由于铝合金冷却速度较快，铝合金的密度较小，

形成的气泡受到的浮力较低，致使气泡溢出困难，因此形成较多的气孔。未熔合是不允许存在的，未焊透对于双面焊接的焊缝是不允许存在的。未熔合产生的原因，主要是由于母材尚未真正熔化或有时虽己熔化但表面氧化膜未予清除就填加熔化金属。在对接焊缝中，未焊透缺陷通常是由于焊接电流太低，坡口或焊接间隙不够而形成的，或者对热输入而言，使用的焊枪的移动速度太高造成的。在填角焊缝中，是由于充填金属跨接于接头的焊边而没有熔透底部造成的。

铝合金焊接方法主要有气焊、氢弧焊、电阻焊、电子束焊、电渣焊和钎焊等。气焊是最早用来焊铝的方法之一，在某些器具和装饰性产品上仍然用气焊这种方法，但必须采用焊剂;氢弧焊，如手工钨极氢弧焊、熔化极半自动氢弧焊是当前应用最广泛的焊接方法;电阻焊对高强度的可热处理强化合金的焊接特别有用;电子束焊能量密度高，穿透性能强，热影响区非常小，可对大厚度的铝合金进行施焊，焊后接头力学性能良好，但焊接可热处理强化合金时易产生裂纹;大厚度铝件采用电渣焊很有成效;大多数铝合金均可进行钎焊，可以采用钎焊料或硬钎焊片进行炉中钎焊、火焰钎焊、浸渍钎焊和真空钎焊等。

随着铝合金应用范围的扩大，针对铝合金焊接的难点，科研工作者又发现和研究了铝合金的新的焊接方法，如搅拌摩擦焊、激光焊、激光一电弧复合焊、真空电子束焊等。以下介绍几种重要的焊接方法。各种熔焊方法中以氢弧焊的应用最为广泛，铝合金钨极手工氢弧焊是目前广泛采用的焊接方法，焊接质量较高。钨极氢弧焊是在惰性气体氢气的充分保护下进行焊接，阻止了空气中有害气体的侵入，能够获得性能较好的焊接接头，焊缝成形较为美观。当前，随着铝及其合金的应用在工业领域的方兴未艾，世界各国的大学、研究所和企业的研究机构都正在积极开展铝及其合金的研究工作。