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鋁及鋁合金焊接工藝的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
? ? ?目前鋁合金的焊接方法有交流TIG,、直流氬弧TIG,、熔化**氣體保護(hù)焊MIG、穿孔變**性等離子焊接,、真空電子束和激光以及攪拌摩擦焊等,，但應(yīng)用較多的仍然是交流TIG和MIG兩種方法。
? ? 鋁及其合金的焊接特點(diǎn)
? ? 1.采用熱量集中的焊接特點(diǎn)
??? 從物理性能上看,，鋁及其合金具有導(dǎo)熱性強(qiáng)而熱量大,，線膨脹系數(shù)大，熔點(diǎn)低和高溫強(qiáng)度小等特點(diǎn),。焊接時(shí),，首先必須采用能量集中的熱源,，以保證熔合良好；其次,，要采用墊板和夾具,，以保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。例如,，純鋁在370~C左右時(shí)強(qiáng)度不超過(guò)9.8N/mm2,，因此焊接時(shí)不能采用懸空方式,，否則會(huì)因支持不住溶池液態(tài)金屬的重量而破壞焊縫成形,。
? ? 有氧化膜，焊接時(shí)需要陰**清理
??? 從化學(xué)性質(zhì)上看,，鋁及其合金表面**易形成難熔的氧化膜(三氧化二鋁的熔點(diǎn)2050°C),，而鋁只有660°C，所以焊接時(shí)必須先除氧化膜,，否則會(huì)造成焊縫金屬夾渣及未熔合,。
? ? 溶池不易觀察
??? 鋁及其合金由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，并無(wú)顏色的變化,，因此也不易確定接縫的坡口是否熔化,，造成焊接操作上的困難。
? ? 焊縫氣孔傾向大
??? 首先,，液態(tài)鋁對(duì)氧的溶解速度比固態(tài)下大20倍左右,，加上鋁導(dǎo)熱快，氣體來(lái)不及逸出而造成氣孔,；其次,，三氧化二鋁易吸附水分而使焊縫產(chǎn)生氣孔；母材及焊絲未清理干凈(油和水),、保護(hù)氣體不純也是造成氣孔的一個(gè)方面,。
? ? 焊接接頭的等強(qiáng)性
??? 鋁合金焊接后接頭軟化，表現(xiàn)在強(qiáng)度或塑性有所下降,，這種接頭的性能上的薄弱環(huán)節(jié),，可以存在于焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域之中,。
總之,，由于鋁合金焊接的敏感性，往往存在著檢驗(yàn)工序多,、氣孔率高,、焊接變形大以及接頭強(qiáng)度系數(shù)低(只達(dá)母材的60％-80％)等缺點(diǎn)。
? ? 常用焊接方法的特點(diǎn)
??? 鋁及其合金常用的電弧焊接方法主要有交流鎢**氬弧焊(TIC)和熔化**氣體保護(hù)焊(MIG),。
? ? 2.鋁合金的交流TIG焊接
? ? 對(duì)于交流TIG焊接,，**常用的是交流方波,。即用電源輸出的交流負(fù)半波對(duì)鋁合金氧化膜進(jìn)行破碎處理(也稱(chēng)為“陰**破碎”)，正半波對(duì)鋁合金進(jìn)行熔化焊接,。
? ? 交流TIG焊接的優(yōu),、缺點(diǎn)
??? 優(yōu)點(diǎn)：交流TIG一般適用于焊接薄板(3mm以下)；具有電弧穩(wěn)定,、成形美觀,、焊件變形小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn),；**適合于焊接尺寸較精密的小零件,。
??? 缺點(diǎn)：由于受鎢**允許電流密度的限制，它的熔透能力小,，對(duì)于厚板需要開(kāi)坡口,，采用多層焊，由此導(dǎo)致熱輸入量大,，焊接變形大,，接頭性能下降，尤其是塑性性能,；對(duì)工件及焊絲的清理要求高,。
? ? 熔化**氣體保護(hù)焊(MIG)接的優(yōu)、缺點(diǎn)
??? 優(yōu)點(diǎn)：適用于焊接厚度8mm以上的鋁或鋁合金的板材,；生產(chǎn)效率是TIG的3-5倍,。
??? 缺點(diǎn)：氣孔傾向比TIG焊大；焊接線能量大,，焊接變形大,；同樣對(duì)工件及焊絲的清要求高。
??? 總之,，以上兩種焊接方法具有工藝要求高,，對(duì)焊接材料的要求高，容易產(chǎn)生氣孔,，接頭性能下降等問(wèn)題,。
? ?3.鋁及其合金的攪拌摩擦焊接
??? 攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種新興的固態(tài)連接方法。通過(guò)攪拌針和軸肩與工件之間的摩擦熱,，在攪拌針的附近形成塑性軟化層,，軟化層在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的作用下填充人攪拌針后所形成的空腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的連接,。它不僅具有傳統(tǒng)摩擦焊接的優(yōu)點(diǎn),，而且突破了傳統(tǒng)摩擦焊接只能焊接軸類(lèi)零件的限制，可以焊接板類(lèi)零件,，實(shí)現(xiàn)多種接頭形式,，不同位置的焊接,。
??? 與傳統(tǒng)焊接方法相比，攪拌摩擦焊具有以下特點(diǎn)：
? ? 焊接過(guò)程無(wú)熔化,，因此無(wú)氣孔,、裂紋、夾渣等缺陷,；
? ? 無(wú)需保護(hù)氣體和填絲,；
? ? 殘余變形小、應(yīng)力低,；
? ? 接頭組織性能優(yōu)于熔焊,；
? ? 全機(jī)械化操作，效率高,。
? ? 由于攪拌摩擦焊的焊接溫度低于合金元素的熔點(diǎn),，從而避免了合金內(nèi)易揮發(fā)元素和低熔點(diǎn)元素的損失,，接頭內(nèi)不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷,，因此適用于熔化溫度較低、塑性較好的有色金屬鋁,、銅的焊接,。對(duì)于焊接材料而言，攪拌磨擦焊可以焊接所有牌號(hào)的鋁合金,，包括可以熔焊的5000,、6000系列鋁合金和熔焊難以焊接的2000、7000,、鋁鋰合金材料,；同時(shí)攪拌磨擦焊還可以實(shí)現(xiàn)不同種材料的連接。正常情況下,，攪拌磨擦焊不需要焊絲和保護(hù)氣,，焊接過(guò)程消耗較少，焊接接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材金屬的80％以上,。
??? 攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵,，**優(yōu)攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質(zhì)量接頭的前提。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成,。攪拌頭的幾何外形和尺寸不僅決定著焊接過(guò)程的熱輸入方式,，還影響焊接過(guò)程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動(dòng)形式，對(duì)于給定板厚的材料來(lái)說(shuō),，焊接質(zhì)量和效率主要取決于攪拌頭的外形和幾何設(shè)計(jì),。因而設(shè)計(jì)合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵,。
? ? 鋁及其合金的變**性焊接
??? 變**性焊接能夠在保證**佳焊接質(zhì)量的同時(shí),，提高焊接效率,、降低焊接變形，同時(shí)使弧焊方式按照實(shí)際需要的陰**清理強(qiáng)度和密度進(jìn)行鋁合金焊接,。鋁及其合金的變**性焊接有變**性TIG焊接,、變**性等離子焊接。
? ? 4.鋁合金的變**性TIG焊接
??? 變**性電源可以分別設(shè)置正向焊接電流,、反向清理電流和清理密度,。變**性區(qū)別于交流的**大特點(diǎn)是：變**性的電源是直流，而不是交流,。變**性控制部分只是在程序設(shè)定的時(shí)段內(nèi)將焊接電流迅速反向,，并同時(shí)定義其輸出的大小，使之具備反向陰**清理的功能,。在反**性階段,，電源可以采用更高的電流迅速破碎鋁合金表面的氧化膜。
??? 在焊接過(guò)程中由于鎢**的燒損情況與鎢**正向電流的時(shí)間和大小有關(guān),，變**性電源通過(guò)短時(shí)間和大電流來(lái)滿足陰**清理,，使得鎢**端頭能保持錐狀，有利于電弧能量的集中,。為了保證鎢**承受大電流的能力,，交流TIG焊時(shí)鎢**則需要被預(yù)制成滴球狀，降低了電弧能量的集中程度,。由于電源良好的輸出特性,，采用變**性焊接電源進(jìn)行鋁合金焊接，可以獲得焊接熔深大,、熱影響區(qū)窄,、接頭的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)高等焊接效果。
??? 采用變**性TIG焊接工藝,，可以一次焊透至少6mm厚度的鋁合金,。
? ? 鋁合金的變**性等離子焊接
??? 鋁合金的變**性等離子焊接是在變**性TIG焊接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。產(chǎn)生于美國(guó)20世紀(jì)80年代,，主要用于航天產(chǎn)品的焊接,。目前國(guó)內(nèi)也逐漸在航天及民用產(chǎn)品中應(yīng)用此工藝。
??? 變**性等離子焊接具有很高的能量密度和電弧射流速度,，射流速度可達(dá)到300-2000m/s(普通電弧射流速度為80-150 m/s),；具有壓縮電弧特性，使其在焊接過(guò)程中具有穿孔焊接的特點(diǎn),；等離子弧柱挺度好,，熱量集中，因而可以得到很好的熔深,；等離子焊縫窄,，熱影響區(qū)小,，鋁合金接頭強(qiáng)度高；正面焊接和陰**霧化的時(shí)間可以以0.1ms設(shè)置,，加大清理和焊接的密度,，容易保證焊接的質(zhì)量和效率；更好地延長(zhǎng)鎢**的使用壽命,，降低焊縫夾鎢的風(fēng)險(xiǎn),。
??? 采用變**性等離子焊接工藝，可以一次焊透至少16mm的鋁合金(對(duì)某些鋁合金,，如采用He或He+Ar氣體,，一次可焊透25mm)，并能實(shí)現(xiàn)雙面成形,，具有焊縫氣孔少,、焊接變形小和接頭強(qiáng)度高(達(dá)到母材的0.8-1.0)等優(yōu)點(diǎn)。
??? 變**性TIG焊接需要控制的焊接參數(shù)較少,，而對(duì)變**性等離子焊接系統(tǒng)相對(duì)變**性TIG需要控制的焊接參數(shù)較多,，并且控制精度和響應(yīng)速度要求更加嚴(yán)格。能夠?qū)崿F(xiàn)變**性等離子焊接的變**性電源與控制系統(tǒng),，可以輕松實(shí)現(xiàn)變**性TIG焊接,。由于等離子焊槍較重，焊接過(guò)程要求平穩(wěn),，所以變**性等離子焊接只適合于自動(dòng)焊接。其設(shè)備主要包括等離子焊接電源,、等離子焊槍,、自動(dòng)送絲系統(tǒng)、控制系統(tǒng),、智能溫控水箱,、焊接工裝等。
? ? 攪拌摩擦焊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及其合金等難以熔焊金屬的優(yōu)質(zhì)**連接,，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天,、高速列車(chē)、船舶,、電力,、建筑、汽車(chē)和裝飾行業(yè)所用鋁,、鎂,、銅及其合金的連接。
? ? 在國(guó)外,，變**性TIG/PAW焊接已經(jīng)是非常成熟的工藝,，被廣泛應(yīng)用于對(duì)焊接質(zhì)量有嚴(yán)格要求的厚大鋁合金件的精密焊接,。
? ? 目前，隨著工廠電控產(chǎn)品和城市軌道車(chē)輛市場(chǎng)份額的加大,，對(duì)鋁合金箱體和鋁合金車(chē)體的焊接制造技術(shù)及焊接質(zhì)量要求會(huì)越來(lái)越高,，常用的焊接方法已經(jīng)不能滿足效率及質(zhì)量的要求。攪拌磨擦焊和變**性焊接方法會(huì)隨著鋁合金材料的大量使用而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,。
