铝合金的焊接方法
1、钨极氩弧焊
钨极氩弧焊法主要用于铝合金，是一种较好的焊接方法，不过钨极氩弧焊设备较复杂，不合适在露天条件下操作。
2、电阻点焊、缝焊
这种焊接方法可以用来焊接厚度在5mm以下的铝合金薄板。但是在焊接时用的设备比较复杂，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。
3、脉冲氩弧焊
脉冲氩弧焊可以很好的改善在焊接过程中的稳定性可以调节参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接 。
4、搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊首先并主要在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到越来越广泛的应用，此方法的最大特点就是焊接温度低于材料熔点，可避免由熔焊所带来的裂纹、气孔等缺陷。
铝及铝合金在现代工程技术所用的各种材料中占有举足轻重的地位，它在世界年产量仅次于钢铁而居第二位，在有色金属中则居第一位。如果说铝合金最初是在航空工业中崭露头角的话，那么近几十年来，除航空工业外，在航天、汽车、船舶、桥梁、机械制造、电工、化学工业及低温装置中已大量应用铝及铝合金，以制造各种部件、油箱、耐蚀容器及导线等。目前铝合金焊接结构中应用最广的是防锈铝合金，即铝镁合金和铝锰合金。
焊接方法
应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。
01
气焊
氧-乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。这种方法只用于厚度范围在0.5～10mm的不重要铝结构件和铸件的焊补上。
02
钨极氩弧焊
这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。
03
熔化极氩弧焊
自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍，可以焊接厚度在50mm以下的纯铝及铝合金板。例如焊接厚度30mm的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。
04
脉冲氩弧焊
1）钨极脉冲氩弧焊
用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。
2）熔化极脉冲氩弧焊
可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10mm铝合金薄板的全位置焊接。
05
电阻点焊、缝焊
可用来焊接厚度在4mm以下的铝合金薄板。对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。
06
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊。
1、接头焊核区在摩擦过程中经历了完全动态再结晶，形成细小等轴晶。
2、后退侧热影响区经历了动态回复，晶粒显著长大，晶界强化作用弱于焊核区晶粒。
3、摩擦速度为300至800时接头焊缝成形良好，拉伸断裂均在焊缝后退侧热影响区。
4、温度到400至480度时强化相溶解导致力学性能明显降低，在此焊接速度范围内，随速度的提高，接头强度增加。
5、摩擦速度增加至1200时接头的焊接成形性变差，焊核区出现未焊合和隧道缺陷，接头拉伸试验时在焊核区发生断裂。
焊丝的选用
1 ) 焊丝的选用
对于6005A、6082、5083 母材来说,选择的焊丝牌号为5087/ AlMg4. 5MnZr ,5087 焊丝不仅抗裂性能好,抗气孔性能优越,而且强度性能也很好。对于焊丝规格的选择,优先选择大直径规格的焊丝。同样的焊接填充量即同等重量的焊丝,大规格焊丝较小规格焊丝的表面积要小很多,因此,大规格焊丝较小规格焊丝的表面污染要少即氧化区域要小,焊接质量更容易达到要求。另外大直径焊丝的送丝过程更容易操作。对于8 mm 以下板厚的母材一般采用1. 2 mm直径的焊丝,对于8 mm 及以上板厚的母材采用1. 6 mm 直径的焊丝。自动焊机采用1. 6 mm直径的焊丝。
2 ) 保护气体的选用
Ar100 %的特点是电弧稳定、引弧方便,对于8mm以下板厚的母材一般采用Ar100 %进行焊接。对于8 mm 及以上板厚的母材和气孔要求高的焊缝,采用Ar70 % + He30 %进行焊接。氦气的特点在于:9 倍于氩气的导热性,焊接速度更快,气孔率减少,熔深增加。厚板焊接时,Ar100 %和Ar70 % +He30 %的熔深状况见图1。气体的流量选择不是越大越好,流量过大会造成紊流,导致熔池保护不充分,空气与熔敷金属发生反应,会改变焊缝组织,使性能下降,而且产生焊接气孔的倾向增加。
焊前准备
1 ) 坡口的处理
板厚在3 mm 以下的对接焊缝可不开坡口,只需在焊缝背面倒一0. 5～1 mm 的角即可,这样有利于气体的排放和避免背面凹槽。背面是否倒角对焊缝的影响。铝合金厚板的坡口角度较钢板的要大。单边坡口一般采用55°坡口,双边坡口采用每边35°坡口。这样可以使焊接的可达性提高,同时可降低未熔合缺陷的产生几率。
对于厚板T 形接头中的HV 或HY接头,要求填满坡口外,再加一个角焊缝,使焊缝总尺寸S 不小于板厚T。厚板T 形接头焊接要求。
2) 焊前清理工作
焊接铝合金需要最干净的准备工作,否则其抗腐蚀能力下降,而且容易产生气孔。焊接铝合金应该与焊钢的习惯彻底区分。焊钢已经用过的工具,严禁焊接铝合金时使用。清理焊缝区域的氧化膜等杂质,尽可能使用不锈钢刷或者用丙酮清洗。不能使用砂轮打磨,因为使用砂轮打磨只会使氧化膜熔合在焊材表面,而不会真正去除。而且如果使用硬质砂轮,其中的杂质
会进入焊缝,导致热裂纹。此外,由于Al2O3 膜在极短的时间内又会重新生成和堆积,为了使氧化膜尽可能少地影响焊缝,清理完毕后应立即施焊。
3) 预热温度和层间温度的控制
对与板厚超过8 mm 的厚板进行焊接时,都要进行焊前预热,预热温度控制在80 ℃～120 ℃之间,层间温度控制在60 ℃～100 ℃之间。预热温度过高,除作业环境恶劣外,还有可能对铝合金的合金性能造成影响,出现接头软化,焊缝外观成形不良等现象。层间温度过高还会使铝焊热裂纹的产生机率增加。
合理选择规范参数
1 ) 焊接电流较大
铝合金本身的导热系数大(约为钢的4 倍) ,散热快。因此,在相同焊接速度下,焊接铝合金时的热输入量要比焊接钢材时的热输入量大2～4 倍。如果热输入量不够,容易出现熔深不足甚至未熔合的问题,特别是在焊缝起头的位置。
2) 送丝速度要适当调高
送丝速度是与电流、电压等规范参数密切相关,并且相互匹配的。当焊接电流提高后,送丝速度也应该相应地提高。
3) 焊接速度的选择
对于薄板焊缝,为了避免焊缝过热,一般采用较小的焊接电流和较快的焊接速度对于厚板焊缝,为使焊缝熔合充分和焊缝气体充分逸出,采用较大的焊接电流和较慢的焊接速度。
4 ) 焊枪角度的选择
在焊接方向上,焊枪角度一般控制在90°左右,过大和过小都会造成焊接缺陷。焊枪角度过大会造成气体保护不充分而产生气孔角度过小还有可能使液铝达到电弧前端,使电弧不能直接作用于焊缝而产生未熔合。
保护措施
1) 焊前用机械或化学方法清除工件坡口及周围部分和焊丝表面的氧化物；
2) 焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护；
3) 在气焊时，采用熔剂，在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜。
焊后清理
1) 在热水中用硬毛刷仔细地洗刷焊接接头。
2) 将焊件在温度为60～80℃、质量分数为2%～3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗约5～10min，并用硬毛刷仔细洗刷。或者将焊件放于15～20℃质量分数为10%的硝酸溶液中浸洗10～20min。
3) 在热水中冲刷洗涤焊件。
4) 将焊件用热空气吹干或在100℃干燥箱内烘干。
搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺。搅拌摩擦焊接工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅 拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括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) 等。国外已经。进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件，美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。
铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，无熔焊的树枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加热温度低，焊接热影响区显微组织变化小，如亚稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比，它可不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜，并在48 h 内进行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。
搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点： ①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊； ②焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的压力，反面要求有垫板；③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； ④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； ⑤工艺还不成熟，目前限于结构简单的构件，如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单，主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。
(二)、 铝合金的激光焊接
铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。
激光焊接铝合金有以下优点： ①能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大； ②冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好； ③与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本； ④不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X 射线； ⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接； ⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。
现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器，CO2 激光器功率大，对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小，在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小，铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等。
在焊接大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。
铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %；对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。比较复杂高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动，起弧后稳定性不强，同时在电弧的高温状态下，电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度 。
铝合金激光- 电弧复合焊工艺中可控参数较多，主要有以下几方面。①激光功率和电弧电流电压等：复合焊接对激光功率要求降低，同时功率因素对工艺影响很大，激光功率越大，熔深越大，而且这种影响力远大于激光单独焊接时对熔深的影响，增加电弧电源功率，熔化区宽度增加，热影响区增大，若采用脉冲YAG激光器，可调节脉冲频率和宽度以能提高工艺稳定性，减少气孔的形成； ②焊接速度参数：随焊接速度的增加，焊接热输入降低，焊缝熔深降低，而且不同的焊接速度影响匙孔的作用有所不同，从而影响焊接的稳定性； ③激光与电弧中心的距离：在一定范围内，激光与电弧中心距DLA11越小则熔深越大，此时增加电弧电流不仅增加熔宽，而且增加熔深； ④激光与电弧配合方式：国际上对复合焊的研究一般采用激光垂直入射，电弧与激光束成一定角度，沿焊接方向激光或在电弧前或在电弧后，不同的设计安排影响复合焊接的工艺稳定性和焊接气孔、裂纹的形成； ⑤填充材料的影响：通过填充焊丝、粉末来补充合金元素的烧损，增加焊缝强度，改善工艺性能，防止热裂纹； ⑥保护气体成分及流速：复合焊中保护气体一般为Ar 、He 或Ar/ He 混合气体，Ar 的电离能低，易于形成等离子体，与激光束光子形成耦合作用，不利于保护，所以纯He 气比纯Ar 气保护效果好，但从经济角度来看Ar气更经济一些，国外有用Ar75%+He25%混合气保护进行激光焊接，效果良好，且可改善工艺性能。其它还有一些因素影响，如焊前铝合金表面的清洁，氧化膜的去除，焊后热处理等。当焊接高强度厚板铝合金时，可采用多道焊工艺达到完全熔透焊接，但厚板铝合金焊接易产生气孔、热裂纹及焊缝软化等问题，且其过程比较复杂。厚板铝合金焊接变形严重，所以必须采用一些防变形的工艺。
(三)、 铝合金的电子束焊接
电子束焊是指在真空环境下，利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接，由于能量密度高可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷的产生。由于能量密度高，穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。
同传统电弧焊接铝合金相比，电子束焊能量密度高3～4 个数量级，与另外一种高能量密度焊接工艺——激光焊接相当。因此焊接接头的热影响区非常小，接头强度较传统焊接方法提高很多。电子束的穿透性能好，可对大厚度的铝合金进行施焊，焊后接头力学性能良好。铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加。所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比氩弧焊焊缝高出1～1. 5 倍。铝合金电子束焊焊后残余应力小，变形小，对薄板焊后几乎可做到不变形。电子束焊要求在真空条件下完成，真空是最好的保护手段，在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属，避免了空气或保护气体的污染。电子束焊接铝合金在真空重熔时，焊缝中杂质含量微乎其微，焊缝气体含量降低接近一半，从而焊缝塑性、韧性大大提高。电子束可控性好，可以方便地进行扫描、偏转、等，易于焊接过程的自动化，并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷，提高接头质量 。
电子束焊接获得优良的焊缝的最有效方法是焊接过程中同时对刚刚焊过的焊缝进行扫描。回扫间距决定晶粒细化的可控程度，凝固组织可由粗大的柱状晶转化为细小等轴晶。对AlMg0. 4Si1. 2 合金进行扫描焊接与无扫描焊接相比，晶体主轴长度减少到无扫描焊接时的1/ 5 ；焊缝硬度提高80% ，接近母材水平。铝合金焊缝金属晶粒细化程度对接头性能有重要影响。采用具有回扫运动的电子束扫描焊接，可减少合金元素的损失，细化焊缝组织，使之变为细小的等轴晶，并提高硬度。对于已经成核生长的晶体，如果电子束扫描间距过小在电子束扫描时产生重熔，但导致电子束回扫细化晶粒的作用减弱 。
铝合金电子束焊时对电子束流非常敏感，尤其是对于大厚度铝合金板焊接时，电子束流小时不能焊透，大时产生下塌，出现凹坑。铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔。铝合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3 和MgO ，容易吸收大量的水分是铝合金焊缝中气孔的主要来源。铝合金表面氧化膜比重接近基体，容易进入焊缝产生夹杂、气孔。尤其是防锈铝合金电子束焊，气孔问题较为严重。传统TIG 焊铝合金时通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下进行焊接，促使氢从熔池中逸出，而电子束焊接铝合金时速度快，热输入量小，氢来不及从熔池中逸出，容易形成气孔。通常电子束焊铝合金采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生。另外，电子束焊接要求在真空条件下进行，所以对铝合金大型结构件施焊困难。电子束易受周围环境电磁场的影响，设备比较复杂，费用比较昂贵，所以还没有达到大规模工业化生产。
近年来发展的局部真空电子束焊接工艺很好地解决了铝合金电子束焊接大型构件的问题。Drauge2lates 等人成功地对AlMg5Mn 和AlMg0. 4Si1. 2 合金进行了局部真空高速电子束焊接结果表明在60 m/min的高速下焊接可生产出无焊接缺陷的焊缝可见局部真空电子束焊接铝合金具有相当好的发展前景是焊接铝合金的一种先进工艺。
