铝及铝合金焊接技术的新进展.doc

铝及铝合金焊接技术的新进展作者：殷树言文章来源：北京工业大学点击数：1299更新时间：2009-8-14随着铝材的不断发展，铝的加工技术也得到突飞猛进的进步。然而，由于铝具有氧化性强、熔点低、导热快、线膨胀系数大、熔化潜热大等多种物理及化学性能特点，因此，选择适合的焊接方法成为关注的重点。铝是地壳中含量较多的元素之一，其含量达8.8%，居四大金属元素之首，占整个金属元素质量的1/3。由于制铝技术的改进，铝工业以惊人的速度发展。到2004年，世界铝产量达2980万t，其中我国为680万t，居世界第三位，铝合金的品种已超过千种。由于铝材的发展，铝的加工技术也得到突飞猛进的进步。铝合金因其质量轻、比强度高、低温性能好、可塑性好易于加工及耐腐蚀等特点，在航空航天工业、车辆制造、压力容器及交通运输等领域得到了广泛的应用。焊接是连接金属的重要加工方法。与铁相比，铝的氧化性强、熔点低、导热快、线膨胀系数大、熔化潜热大、高温强度低和能形成低熔点共晶等物理及化学性能特点，给焊接工作带来一系列的困难：1、铝及铝合金为活泼金属，易与氧作用生成致密而难熔的氧化膜Al2O3，其熔点高达2050，远高于铝（660），另外比重也较大。因此，易在焊缝中造成未熔合缺陷或氧化物夹渣，致使去除氧化膜成为焊接工艺的关键。2、易产生气孔。液态铝可以溶解大量氢（0.69ml/100g），而固态铝却几乎不溶解氢（0.036ml/100g），两者相差20倍，因此，焊接快速冷却凝固时，极易生成气孔。3、铝导热快、热容量大，焊接时要消耗较大的功率，所以必须采用大功率或热量集中的热源。4、铝的线膨胀系数大（比铁大一倍），凝固时收缩率也大（比铁大两倍），因此焊接铝件易产生变形。5、铝的高温强度低（370时仅为1kg/m2），焊接时易产生焊漏和塌陷。根据铝及铝合金的焊接特性，对焊接方法也有特殊的选择（如表）最初，用氧-乙炔火焰进行气焊铝合金，为了去除氧化膜，必须使用氟化物和氯化物与Al2O3作用，然后再清洗、去渣。由于气体火焰热量低，所以加热面积大，工件变形也大，现在已很少应用。DCTIG焊问世以来，很快就用于焊铝。采用DCEN接法，钨极烧损少，但由于没有阴极雾化作用，所以不能用于焊铝。相反DCEP接法，铝工件为阴极，有阴极雾化作用，去膜作用清除了焊缝区的氧化铝薄膜，但是钨极为阳极，烧损严重。为此，又采用交流ACTIG焊，EN半波钨极得到冷却，EP半波能产生阴极雾化，其结果不仅可以去膜，而且还能减轻钨极烧损（如图1）。于是出现了正弦交流和方波交流，正弦交流TIG焊因产生直流分量，影响焊接效果；方波交流时，正负半波的幅值相同，但宽度可调节，所以对焊缝熔深等形状可调整，从而也可调节焊缝的性能，钨极烧损情况也有所改善。但为了进一步改善焊接效果，又提出了变极性TIG焊（VPTIG焊）。虽然VPTIG焊电流波形仍为方波，但不同的是，正、负半波的幅值不同。EN半波电流较小，宽度较大；而EP半波电流较大，宽度较窄，其结果是EP半波钨极为正。虽然钨极易烧损，但是因为时间短，所以钨极烧损不多，仍保持圆锥形。同时，由于工件为负，且幅值较高，所以尽管时间短，也能保证阴极雾化作用。其结果是变极性TIG表现出DCTIG（EN）焊的特点，不仅钨极烧损较少，而且焊缝熔深较大。DCMIG焊采用EP接法，具有电弧稳定和阴极雾化的作用，在较大电流时（大于临界电流）为射流过渡，可以焊接厚板。为了焊接薄板，可采用脉冲MIG焊（DCPMIG），电流范围较大，1.2铝焊丝，电流范围为30A350A，所以在小电流时，可以焊接薄板。EP半波与DCPMIG焊一样，电弧稳定，每个脉冲过渡一个熔滴，且有阴极雾化作用。EN半波的电流幅值与宽度都较小，对电弧稳定性影响不大，但对焊缝的熔深影响较大。总之，这种方法的焊接过程稳定，同时能通过调节IEN而改变焊缝熔深的大小，适合薄板焊接。双脉冲MIG焊（DPMIG）是在单脉冲MIG焊基础上发展起来的。单脉冲能够实现一个脉冲一个熔滴的稳定熔滴过渡，焊丝熔化效率高、烟雾少。但是焊铝时，仍易产生气孔，且焊缝表面缺乏美丽的鱼鳞波纹。为此，在单脉冲基础上又开发了双脉冲焊，目前双脉冲焊有两种方案：一种为单脉冲加低频脉冲送丝；另一种为双脉冲加等速送丝。前者采用脉动送丝，比较复杂；后者送丝系统比较简单。双脉冲MIG焊是在高频基础上，加以低频调制。高频保证一个脉冲过渡一个熔滴，而低频是为了实现一个脉冲形成一个熔池，脉冲频率为0.5Hz5Hz。于是就形成了鱼鳞纹，同时每个低频周期都能对熔池产生一定的搅拌作用，促使熔池中的气体排出去，从而减少了气孔的倾向，这种作用类似于脉冲TIG焊，却又比TIG焊的效率高，其焊缝成形如图2。双丝PMIG焊又称Tandem法，将两根焊丝按一定角度放在同一个焊枪喷嘴内，两根焊丝分别由各自独立的电源供电（如图3），且两根焊丝在同一个熔池中产生电弧。由于采用EP接法，所以电弧稳定，且具有阴极雾化作用，两个电弧交替接通脉冲电流，使得电弧和熔滴过渡稳定，可以进行高速焊(达到35m/min)和高熔敷率焊接。 除了上述电弧焊方法外，还可以用变极性等离子弧（VPPA）法焊接铝合金，该方法采用转移弧和变极性交流电。兼顾去膜和钨极烧损，这种方法可以保证连续长时间的自动焊，此时电弧更集中，有小孔效应，适于板厚为220mm，且焊缝中基本无气孔，被誉为无缺陷焊接法。激光-MIG复合焊是近几年发展起来的先进焊接法，激光与MIG电弧同时作用于焊接区，通过激光与电弧的相互影响，克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应（如图4）。激光的高能量密度可用来提高焊接效率，但焊接工艺中遇到的主要问题是：由于光束直径很细，要求坡口装孔间隙小于0.5mm，对焊缝跟踪精度要求较高，同时在尚未形成熔池时热效率较低。这些问题可以通过激光-MIG复合焊解决。众所周知MIG焊的特点是：焊机成本低、焊缝的搭桥性能较好、通过熔滴过渡可以向焊缝添加金属并形成较宽的焊缝。不足之处为熔深浅，如果采用激光复合焊，因其熔深较大可降低装配要求，从而使跟踪更容易。MIG电弧可以解决焊缝金属的初始熔化问题，从而减少使用的激光器的功率，同时MIG焊的气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题。相反，激光产生的等离子体增强了MIG电弧的引燃和维持能力，使MIG电弧更稳定。总之，复合之后能带来更好的综合性能，如得到深熔、高速和高效焊接的效果，并使焊接的适应性增强(如图5)。激光与MIG焊电弧两种热源相互作用的叠加效果表现为：在激光-MIG焊时，电弧加热金属而降低焊缝金属对激光的反射率，增加了其对光能的吸收，同时激光又起到稳定电弧的作用。突出特点是：焊缝熔深较大、焊接速度较高。在焊接薄板铝合金时，奥地利Fronius公司所使用的复合焊焊枪，采用该法时的焊速可达到8m/min。总之，随着铝