毕业论文 - 铝合金焊接技术的研究现状与发展

1、学校代码： 10128学 号： 专科毕业论文题 目：铝合金焊接技术的研究现状与发展学生姓名：学 院：系 别：机电工程系专 业：焊接技术及自动化班 级：09焊接指导教师：二 一 二 年 四 月内蒙古工业大学专科毕业论文摘 要铝合金由于重量轻、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的应用于各种焊接结构产品中。因此提高铝合金焊接的生产率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际生产的迫切要求。本文综述了铝合金几种先进的焊接工艺：钨极氩弧焊（TIG）、激光焊（LBW）、搅拌摩擦焊（FSW），及其焊接发放和特点，并指出在焊接中存在的问题以及未来的发展趋势。关键词：铝

2、合金；钨极氩弧焊（TIG）；激光焊（LBW）；搅拌摩擦焊（FSW）IIIAbstractAluminum alloy because of light weight, high specific strength, good corrosion resistance, no magnetism, good formability and low temperature characteristics of a good performance and has been widely used in all kinds of welding structure product. Therefor

3、e, to improve the productivity of aluminum alloy welding and welding quality, reduce welding defect in the presence of high efficient welding method has become the urgent requirements of actual production. This paper summarized several advanced welding technology of aluminum alloy: tungsten argon ar

4、c welding(TIG)， laser welding(LBW),friction stir welding(FSW),and the distribution and characteristics of welding, and points out that in the welding problems and future development trend.Key words: aluminum alloy; tungsten argon arc welding(TIG)；laser welding (LBW)；friction stir welding(FSW)目 录摘 要I

5、AbstractII引 言1第一章 铝合金的焊接特点21.1.铝合金的焊接特点21.2.铝合金焊接的几大难点2第二章铝合金的焊接工艺32.1.钨极氩弧焊（TIG）32.1.1.TIG焊的基本原理32.1.2.TIG焊的特点32.1.3.铝合金的TIG焊42.2.激光焊（LBW）62.2.1.激光焊的基本原理62.2.2.铝合金激光焊的特点62.2.3.铝合金的激光一电弧复合焊62.3.搅拌摩擦焊（FSW）72.3.1.FSW焊的基本原理72.3.2.FSW焊的特点72.3.3.铝合金的FSW焊8总 结10参考文献11谢 辞13引 言铝是工业上应用最广泛的重要有色金属之一。铝及铝合金具有密度小、

6、重量轻，热容量大、熔化潜热高、强度高及良好的耐蚀性、导电性、导热性，以及在低温下能保持良好的力学性能等优点。铝及铝合金在航空航天、国防、汽车、电工、化工、交通运输等行业中被广泛应用，这也极大地推动了铝合金焊接技术的发展，因此，提高铝合金焊接的生产率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际生产的迫切要求。铝合金其主要成分是铝，而铝的密度较低，熔点低热传导性能好，热膨胀系数大，同时其具有很强的化学活泼性，易氧化，且氧化物的熔点很高。在与其他组元形成合金后依然保持这些特性，因此铝合金在焊接过程中存在着一系列的问题，如：氧化、裂纹、气孔、接头力学性能下降、热影响区变宽等。为了提高铝合金焊接

7、接头的质量，近年来涌现出了许多新的铝合金焊接方法，如：钨极氩弧焊（TIG）、激光焊（LBW）、电子束焊（EBW）、搅拌摩擦焊（FSW）等。本文介绍了铝合金的几种先进的焊接工艺，几种工艺均具有优越性，并针对铝合金的焊接困难提出了有效的解决办法。14第一章 铝合金的焊接特点1.1. 铝合金的焊接特点铝合金重量轻、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的应用于各种焊接结构产品中。1.2. 铝合金焊接的几大难点1. 铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3 其熔点为2050），这就需要采用大功率密度的焊接工艺。2. 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

8、最大障碍。3. 铝合金焊接易产生热裂纹。4. 铝合金焊接易产生气孔。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，热输入比焊接钢材大24倍。第二章 铝合金的焊接工艺2.2.1. 钨极氩弧焊（TIG）2.1.1. TIG焊的基本原理 TIG焊是在惰性气体的保护下，利用钨极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝，形成焊逢的焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及邻近热影响区，以形成优质的焊接接头。TIG焊一般采用氩气作保护气体，因而称为钨极氩弧焊。2.1.2. TIG焊的特点 TIG焊与其他焊接

9、方法相比有如下主要特点： 可焊金属多 氩气能有效隔绝焊接区域周围的空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应；TIG焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用。因此可成功地焊接其他方法不易焊接的易氧化、氮化，化学性质活泼的非铁金属、不锈钢和各种合金。 适应能力强 钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下也能稳定燃烧；不会产生飞溅，焊缝成形美观；热源和焊丝可分别控制，因而热输入量容易调节，特别适合于薄件、超薄件的焊接；可进行各种位置的焊接，易于实现机械化和自动化焊接。 焊接生产率低 钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其颗粒可能进入熔池，造成夹钨。因而TIG焊使用的电流小，焊逢熔深浅

10、，熔敷速度小，生成率低。 生产成本较高 由于惰性气体较贵，与其他焊接方法相比，TIG焊生产成本高，故主要用于要求较高的产品的焊接。2.1.3. 铝合金的TIG焊 TIG焊是目前广泛采用的焊接铝合金的焊接方法。而交流TIG焊获得的焊接质量最佳，板厚在2.4mm以下的铝合金采用直流反极性TIG焊也可得到良好的焊接质量。交流TIG焊时，电流极性每半个周期交换一次，因而兼备了直流正极性法和直流反极性法两者的优点。但由于交流电弧每秒要100次过零点，加上交流电弧在正负半周里导电情况的差别，又出现了交流电弧过零点后复燃困难和焊接回路中产生直流分量的问题。所以必须采取适当的措施才能保证焊接过程的稳定进行1。

11、（1）过零点复燃及稳弧措施 TIG焊广泛采用的稳弧措施是利用脉冲稳弧器，在交流电流过零点进入负极性半周瞬时施加高压脉冲（其值通常在1500V以上），帮助电弧重新引燃。这种方法易保证稳弧相位要求，稳弧效果良好。（2）焊接回路中的支流分量及消除 在使用交流TIG焊接时，由于电极和工件的电、热物理性能以及几何尺寸等方面存在差异，造成电弧电压在正、负半周不对称，如图1.1a所示。工件和电极的热、电物理性能相差越大，这种不对称的现象就越严重，在焊接铝及其合金时这种现象就特别突出。而电流不对称的现象相当于电弧电流由两部分组成，一部分是交流电流；另一部分是叠加在交流部分上的直流电流，如图1.1b所示。后者称

12、为直流分量，直流分量的出现首先会使负极性半周的电流幅值减小且作用时间短，因而减弱了“阴极破碎”作用；同时直流分量使焊接变压器的工作条件恶化，造成焊接变压器发热，甚至烧毁。因此必须限制或消除直流分量，才能保证焊接过程的顺利进行。 图1.1交流TIG焊时电弧电压和电弧电流波形及直流分量示意图 （ a ）电压波形 （ b ）电流波形现在也有人提出用TIG直流正接法焊接铝合金2，所选用的焊丝是药芯焊丝，可以达到在熔融状态时溶解和还原Al2O3，从而达到阴极破碎的效果。但是存在很多问题，例如在焊接材料上还有待进一步开发，焊接接头会出现焊接裂纹。为了实现对厚板防锈铝合金的焊接。增加熔深，许多研究集中于活性

13、钨极氩弧焊(ATIG)方面。它通过焊前在施焊板材表面涂敷一层很薄的表面活性剂，进行正常焊接，可使得焊接电弧收缩或熔池流态改变，从而显著增加熔深3。但是当采用ATIG焊接法焊接铝合金时，发现很难同时保证熔深显著增加和焊缝表面成形良好4，有人又提出了一种新型活性焊接方法FZ-TIG焊(FluxZonedTIGWelding) 3。即焊前，在待焊焊道表面中心区域涂敷低熔沸点低电阻率活性剂，在两侧区域分别涂敷高熔沸点高电阻率活性剂，然后进行正常焊接，可以同时显著增加焊接熔深和保证焊缝表面成形良好。 TIG焊容易控制焊缝成形及实现单面焊双面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。由于钨极载流能力有限，电弧

14、功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低。TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。2.2. 激光焊（LBW）2.2.1. 激光焊的基本原理 激光焊是利用以聚焦的激光束作为能源轰击工件所产生的热量进行焊接的方法。利用激光器受激产生激光束，通过聚焦系统将其聚集成半径微小的光斑，当调焦到被焊工件的焊缝时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成焊接接头。2.2.2. 铝合金激光焊的特点 与传统的TIG、MIG 焊相比，用激光来焊接铝合金具有以下优点：(1)能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到熔化区和热影响区窄而熔深大的焊缝。(2)冷却速度快，能得到组织微细的焊缝，故焊接接头性能良好。(3)焊接

15、速度快、功能多、适应性强、可靠性高且不需要真空装置5，所以在焊接精度、效率、自动化等方面具有无可比拟的优势。激光焊接是一种高能密度的焊接工艺，焊接铝合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷，强度系数提高很大。但是由于这种工艺还不成熟 ，焊接时存在着一些问题：铝合金对激光能的吸收很低；合金元素烧损严重；易产生气孔；热裂纹敏感性大6。可以从增大激光功率密度和提高铝合金对激光能的吸收率这两个方面采取措施解决这些问题。Huntington和Eager发现激光功率达到一定值时，铝合金对激光的吸收率会明显增大，Huntington和Eagar采用测热法，研究了CO2激光焊接纯铝和5456铝合金时，对激光的吸

16、收情况，发现阳极氧化和喷砂处理可以明显提高铝对激光能量的吸收7。2.2.3. 铝合金的激光一电弧复合焊 虽然用激光焊接铝合金有许多优势，但仍存在较大的局限性，如设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等。为了更有效地焊接铝合金，人们发展了激光-电弧复合焊接工艺。激光-电弧复合主要是激光与TIG 电弧、MIG 电弧及等离子体的复合。目前，该工艺在德国和日本等发达国家研究比较多，并在汽车业中已有一定的应用，如大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-MIG焊道，而且激光复合焊还可以用来焊接车体及轮轴。不过国内在该工艺的研究和应用上基本还是空白5。铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激

17、光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值问题，是极具前景的铝合金焊接工艺之一，目前工艺还不成熟，处于研究探索阶段。用激光和电弧复合焊接方法来焊接铝合金时，激光与电弧相互影响，可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应。能显著提高焊接效率，这主要基于两种效应：一方面是高的能量密度导致了高的焊接速度；另一方面是两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应。这种复合工艺的优势很多，潜力很大，在未来的汽车生产中必将具有广泛的应用前景。2.3. 搅拌摩擦焊（FSW）2.3.1. FSW焊的基本原理 搅拌摩擦焊是由锥形指棒伸入工件的焊缝处，通过搅拌头的高速旋转，使其与焊接工件材

18、料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接。2.3.2. FSW焊的特点 与传统的摩擦焊相比，FSW焊具有以下优点：(2) 可获得高度一致的焊接质量，无需高的操作技能和训练。(3) 焊接接口部位只需去油处理，无需打磨或洗刷。(4) 不需焊丝和保护气氛，且节省能源，单面焊12.5mm深度所需动力仅为3kW。(5) 焊接表面平整，不变形，无焊缝凸起和焊滴，无需后续处理。(6) 无电弧、磁冲击、闪光、辐射、烟雾和异味，不影响其他电器设备使用，绿色环保。(7) 焊接温度低于合金的熔点，焊缝无孔洞、裂纹和元素烧伤。 2.3.3. 铝合金的FSW焊搅拌摩擦焊技术（FSW）是

19、自激光焊接技术以后的又一项革命性的连接技术。与传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊拥有无需填丝、无弧光、无飞溅、无需焊前热处理、无需气体保护等优点，因而应用前景广泛。迄今为止，搅拌摩擦焊可以实现所有牌号的铝合金焊接，甚至以前所谓的不可焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的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）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。因此搅拌摩擦焊有着广泛的工业应用前景8-9。搅拌摩擦焊已经在铝合金上实现了规模化工业应用，国内外许多学者针对不同铝合金进行了一系

20、列的搅拌摩擦焊工艺研究、接头微观组织、接头耐蚀性能及力学性能研究。赵衍华10等人研究了2014铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的微观组织及力学性能，研究结果表明，采用搅拌摩擦焊方法成功实现了2014铝合金的连接，焊核区的组织与母材相比，晶粒得到了细化，接头强度可达到母材的78%，抗弯强度达到母材的76%，显示出了良好的机械性能。王希靖11等人研究了LF2 铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能，结果表明焊核区由细小的均匀的等轴晶组成，平均尺寸为15微米，焊核区的显微硬度稍高或等于母材硬度，焊接接头强度在转速为945r/min，焊接速度为9mm/min时，与母材相同。赵亚东12等人研究了6082铝合金搅拌摩擦

21、焊焊缝的电化学腐蚀行为，研究结果表明，6082 铝合金搅拌摩擦焊焊缝的耐腐蚀性能要优于母材，这是由于焊缝的组织由细小的均匀的等轴晶组成，使得位错密度下降，同时也使得焊缝的化学成分均质化，降低了材料形成局部腐蚀原电池的倾向。对于LF6，当焊接规范合适时，对接接头的抗拉强度可达到母材标称强度的100，背弯和正弯的角度都能达到180°。焊缝的断裂形式以韧性断裂为主13。有人对LF6铝合金的搅拌摩擦焊接接头进行显微硬度测试14，得出从母材到焊缝，硬度几乎没发生变化，在合适的焊接规范参数条件下，可以获得性能与母材类似的焊缝。目前焊接铝合金的厚度最薄达到了115um，最厚达50mm(单面焊) 1

22、5，而且已成功的解决了锁孔和不能焊厚度不等材料(如锲型板材)的问题。这要得益于自动可调搅拌头的发明。自动可调搅拌头允许搅拌头特型焊针自动的收缩，目前其调节精度能控制在0.1025mm以内16，而且已成功地实现了设备的模块化。搅拌摩擦焊铝合金尽管存在一系列优点，但也有一定的缺点：铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊；焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的压力，被焊结构应具有较强的刚度和被牢固固定的环境和条件，反面要求有垫板；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；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；工艺还不成熟，目前限于结构简单的构件，

23、如平直的结构、圆形结构。作为革命性的绿色焊接技术，搅拌摩擦焊技术的出现对铝合金连接技术的发展产生了巨大的冲击和推动。该技术可以取代传统的电阻电焊和铆焊，在国际上已经成功应用于航空航天、船舶、高速列车制造等领域。随着焊接设备和搅拌头的发展，可应用FSW连接的材料会更加广泛，同时可优化接头性能，降低生产成本，而且可以很容易地实现自动化生产。总 结 铝合金焊接技术作为铝合金在工业领域中扩大应用的关键技术之一，必然会得到进一步的发展。本文综述了铝合金TIG焊、LBW焊及FSW焊焊接的方法及各自的特点，有的方法已经在实际应用中得到了大量应用，有的则是在实验研究阶段，有待进一步开发和研究。在传统的焊接方法

24、方面，继续开展铝合金焊接的基础性研究，如在焊条、焊丝、焊剂、活性剂等焊接材料方面的研制和创新；加大如何减少焊接变形、残余应力和缺陷方面的工艺等研究，以及加大用计算机控制和机器人进行焊接的技术研究。在新型焊接方法方面，加大如何增加激光功率密度，以及采取措施提高铝合金对激光的吸收率的研究。搅拌摩擦焊在铝合金的焊接上具有很大优势，是未来防锈铝合金连接的一个主要发展方向。在厚板焊接方面，应加大对铝合金搅拌摩擦焊工艺方面的研究，优化搅拌头的设计，使搅拌摩擦焊在铝合金焊接方面得到更大的应用。参考文献1 雷世明.焊接方法与设备.北京.机械工业出版社,2008,9:135-137.2 殷琨，蒋荣庆，赖振字气动

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