摘要  結合高強鋁合金焊接的特點、難點，介紹了幾種目前國際上焊接高強厚板鋁合金的新工藝，新方法—攪拌摩擦焊、雙絲MIG焊、激光一電弧焊；與傳統電弧焊相比，它們在厚板高強鋁合金焊接方面更具優越性。

1 厚板高強鋁合金的特點

1.1 高強鋁合金的性能特點    

高強鋁合金因具有高的比強度和比剛度、耐腐蝕性能好、無磁性、低溫性能好以及良好的加工和力學性能，成為航空航天、輕型戰車結構的理想材料。隨著現代航空航天工業的發展，對高強鋁合金的強度和綜合性能提出了更高的要求。高強鋁合金制造各種結構材料和零部件主要是通過焊接成形，因此焊接性能是其重要的工藝性能指標。鋁合金焊接有幾大難點：

(1)鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數低；

(2)鋁合金表而易產生難熔的氧化膜，需要采用大功率密度的焊接工藝；

(3)鋁合金焊接容易產生氣孔；

(4)鋁合金焊接易產生熱裂紋；

(5)線膨脹系數大，易發生焊接變形；

(6)鋁合金導熱率大(約為鋼的4倍)，相同焊接速度下，熱輸入量要比焊接鋼材大2-4倍。    

1.2 厚板高強鋁合金的焊接特點和難點    

厚板高強鋁合金除了具有普通鋁合金焊接的特點外，由于其厚度大，再加上鋁合金的高導熱性，采用普通的焊接方法時，因其焊接熱輸入量小，需采用多層多道焊，而焊縫表面很容易形成的高熔點氧化鋁，會導致焊縫夾渣，而且焊后熱裂紋嚴重，焊縫強度不高，所以普通焊接方法對厚板的焊接難度非常大。鑒于厚板高強鋁合金以上的焊接特點和難點，要想得到優良的焊縫，就需要采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。    

國際焊接界圍繞著高強鋁合金尤其對于厚板的焊接瓶頸問題做了大量的研究，成果顯著。近些年來發明了幾種新的焊接工藝，在交通、航天、航空等行業得到了一定應用，幾種新工藝可以較好地解決鋁合金焊接難點，焊后接頭性能良好，并能對以前焊接性不好或不可焊的鋁合金進行焊接。

2 厚板高強鋁合金的焊接新工藝

2.1 厚板高強鋁合金的攪拌摩擦焊 

攪拌摩擦焊是通過高速旋轉的攪拌頭與被焊材料間的劇烈熱機聯合作用而實現的固相連接。攪拌摩擦焊在鋁合金材料的焊接中具有常規熔焊方法難以實現的優點，它可將厚板一道焊完，并得到焊后變形小、機械性能優良的焊縫。

攪拌摩擦焊發明初期主要解決厚度1.2-6.0 mm的鋁合金板材焊接問題；發展到1997年就實現了12-25mm厚鋁合金板的攪拌摩擦焊，并且在宇航結構件上得到應用。1999年攪拌摩擦焊可以焊接50 mm厚的銅合金及75mm厚度的鋁合金零件和產品；2004年，英國焊接研究所已經能夠單道單面實現100mm厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實現厚度為0.8-100.0mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。

2.2 高強鋁合金的雙絲MIG焊

2.2.1雙絲MIG焊的原理    

早期的雙絲焊，兩根焊絲通過同一個導電嘴，這種方法的特點是兩根焊絲的電位相同，只是送絲速度不同，無法對兩個電弧分別進行控制，焊接參數非常難調。德國CLOOS公司開發出了“TANDEM"雙絲焊接技術，該技術將兩根焊絲按一定的角度放在一個特別設計的焊槍里，兩根焊絲分別由各自電源獨立供電，相互絕緣，除送絲速度可以不同外，其他所有的參數都彼此獨立，兩根焊絲的直徑、材質甚至用或不用脈沖都可以不一樣，這樣可以最佳地控制電弧，在保證每個電弧穩定燃燒的前提下，將兩個電弧的相互干擾降到最低。 

TANDEM雙絲MIG焊時，兩根焊絲以一定角度前后排列，前絲焊接電流較大，以便形成較大的熔深，后絲電流稍小，起到填充蓋面的作用；兩根焊絲充分利用電弧的能量互為加熱，大大提高熔敷率，使熔池里有充足的熔融金屬與母材充分熔合，因此焊縫成形美觀。一前一后兩個電弧，大大加長了熔池的尺寸，熔池中的氣體有充足的時間析出，氣孔傾向極低。這種焊接方法雖然電流大，但焊接速度很快，因此熱輸入量反而小，焊接變形也很小。與其他焊接技術相比，熔敷速度快、焊接效率高、焊接質量好、飛濺少。雙絲焊接系統組成示意如下圖所示。

2.2.2 厚板高強鋁合金的雙絲MIG焊    

目前超硬鋁合金中厚板的焊接主要采用單絲熔化極氬弧焊(MIG)，通常用粗焊絲大電流或細焊絲高電流密度來焊接。對于前者而言，大電流焊接會因焊接熱輸入過大而導致晶粒嚴重粗化，降低接頭性能，焊縫成形差、容易產生“皺皮”現象；后者用細絲大電流密度焊接時對送絲速度要求極高，當送絲速度無法滿足時，焊接則不能正常進行。因此，利用雙絲焊技術焊接中厚板超硬鋁鋁合金，通過協調器可調整各自參數，形成統一熔池，最大限度地滿足電弧控制要求，從而獲得滿意的焊縫，同時又提高了焊接效率。    

實驗證明，TANDEM雙絲 MIG焊熔敷效率是單絲普通焊的3倍，焊接速度也可以提高1-3倍。對于厚板高強鋁合金焊接性能良好，例如用TANDEM雙絲MIG焊焊接40mm厚的7A52鋁合金，通過對試板焊接后力學性能檢驗，雙絲的焊接接頭抗拉強度平均為250-270 MPa，有的高達280MPa，均超過母材強度的60%，同時焊后焊縫的熱裂紋、氣孔明顯減少；而單絲的焊接接頭抗拉強度平均只在240-260 MPa，雖然也達到了母材的60%，但比雙絲焊明顯低一個檔次。

2.3 高強鋁合金的激光一電弧焊

2.3.1 激光一電弧焊的原理    

由于鋁合金對激光的高反射和自身的高導熱性，使得母材對激光的利用率低，從而限制了激光在鋁合金厚板焊接中的應用。為了提高激光利用率，解決焊接厚板時焊接熔深淺的問題，目前，國際上焊接高強厚板鋁合金的另一熱點是將激光一電弧復合起來進行焊接。這種工藝被認為是綜合了激光與電弧的優點，即將激光的高能量密度和電弧的較大加熱區組合起來，同時，通過激光與電弧的相互作用，來改善激光能量的禍合特性和電弧的穩定性。

電弧的介入，不僅可以降低金屬表而對激光束的反射率，而且電弧等離子體將吸收光致等離子體，從而有效提高了激光束的能量傳輸效率。復合焊工藝同時降低了激光焊接產生深熔焊時的閡值要求。而與傳統焊接工藝相比，能量密度大大提高，減小了熱影響區。焊后接頭強度系數大大提高，同時復合焊接成形性好，殘余應力、焊后變形小。激光電弧復合焊是將物理性質和能量傳輸機制截然不同的兩種熱源復合在一起，同時作用于同一加工位置，既充分發揮了兩種熱源各自的優勢，又相互彌補了各自的不足，從而形成了一種全新高效的熱源。因此激光電弧復合熱源將是鋁合金的理想焊接熱源。其原理如下圖所示。

2.3.2 厚板高強鋁合金的激光一電弧焊    

用激光焊接鋁合金時存在的問題是：由于鋁合金對激光的高反射性，鋁合金對激光的吸收率不僅很低而且沒有規律，反射的激光可能對其他焊接部位、焊接設備、甚至操作人員造成意想不到的危害；其次由于鋁合金表而的氧化膜，使得焊縫成形很不規則，并且有凹坑出現，有時還有嚴重的飛濺；當焊接某些鋁合金時，由于鋁的導熱性良好，使得產生的氣泡不能及時浮出表而，從而造成大的氣孔和裂紋。    

1997年，Shida Tomohik等人研究發現，利用電弧激光順序焊接可以較好地解決上述問題。電弧和激光的相對位置如下圖所示。MIG電弧在前形成熔池，激光束在后作用于熔池的后半部分，這種焊接方法對于鋁合金厚板的焊接效果非常好。

采用這種焊接方式使得厚板焊接質量提高的機理是：

(1)熔化金屬對激光的反射率要遠低于固體金屬對激光的反射率。激光直接作用于熔池提高了鋁合金對激光能量的吸收率，從而增加熔深；

(2)一個大的熔池在激光的作用點上移動，減緩了鋁液體的凝固速度，使得氣泡有足夠的時間浮出液面，從而有效抑制了焊縫內產生氣孔的傾向；

(3)MIG焊的陰極霧化作用在激光焊之前清理了鋁合金表而的氧化膜，這使得激光焊能得到更好的焊縫成形；

(4)選擇恰當的MIG焊的焊絲成分，通過化學冶金可以使焊縫成形更好、同時也能起到抑制焊接缺陷的作用。