7系铝合金焊接技术的研究现状及展望_陈轩.pdf
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1、2023,Vol.37,No.13wwwmater-repcom21010106-1基金项目:云南省稀贵金属材料基因工程(一期 2020)(202002AB080001-4)This work was financially supported by the Genetic Engineering of are Metal Materials in Yunnan Province(Phase I 2020)(202002AB080001-4)limengnie163comDOI:10.11896/cldb.210101067 系铝合金焊接技术的研究现状及展望陈轩,李萌蘖,卜恒勇,左汉宁昆明理工
2、大学材料科学与工程学院,昆明 650093本文主要对 7 系列铝合金焊接技术的现状进行总结和展望。当前 7 系铝合金的主要焊接工艺有电弧焊接、搅拌摩擦焊接、激光焊接以及复合焊接。电弧焊接主要分为钨极气体保护(TIG)焊、熔化极惰性气体保护(MIG)焊和冷金属过渡(CMT)焊接技术。7 系铝合金采用 CMT 焊接工艺得到的焊缝美观,性能好。焊丝选择上,为避免焊缝中合金元素的烧损及裂纹敏感区,通常选用 5 系的铝镁焊丝。搅拌摩擦焊接是当前工程生产中铝合金焊接时采用最多的焊接方法,但不适用于形状复杂的焊接接头。激光焊接近年来通过发展已经在工业上得到推广及应用。未来 7 系铝合金焊接的研究方向是通过复
3、合焊接工艺、开发新型焊丝、双丝焊接等方法来扩大其在工程上的使用范围。关键词铝合金焊接电弧焊接搅拌摩擦焊接激光焊接复合焊接中图分类号:TG457文献标识码:Aesearch Status and Progress on the Welding Technologies of7XXX Series Aluminum AlloyCHEN Xuan,LI Mengnie Victor,BU Hengyong,ZUO HanningFaculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technolo
4、gy,Kunming 650093,ChinaIn this paper,current situation of welding technologies of the 7XXX series aluminum alloys are summarized and prospected Currently,prima-ry welding processes that use 7XXX series aluminum alloys include arc welding,friction stir welding,laser welding,and hybrid welding Arcweld
5、ing consists of three parts:tungsten inert gas arc welding,metal inertia gas welding,and cold metal transfer welding The welding of alumi-num using an aluminum alloy results in well-crafted and highly efficient products The 5-series welding wires can effectively prevent heat loss andthe occurrence o
6、f crack-sensitive regions Friction stir welding is the most widely used aluminum alloy welding method in manufacturing processesHowever,it is not suitable for welding joints with complex shapes Laser welding has recently been introduced in the industry Future research on7-series aluminum alloys will
7、 focus on hybrid welding,welding using newly-developed welding wires,double-wire welding,and other methods thatwill expand the scope of engineeringKey wordsaluminum alloy welding,arc welding,fricition stir welding,laser welding,hybrid welding0引言铝合金是应用广泛的金属,其特点有密度低、耐腐蚀性好以及可回收利用等1-3,因此铝合金结构件被大量应用在工业生产
8、中。随着科技的发展,工程应用中人们对材料性能及精度的要求越来越高,同时对于一些形状复杂的结构,因为其形状特殊,若通过铸造成型,则可能会造成零件内部存在大量缺陷,因此部分情况下需要通过对接焊接、堆焊、补焊等方法来达到形状等方面的要求1-5。对于铝合金的连接方法,过去以铆接为主,后来通过学者们的不断探索,发现铝合金可以通过焊接工艺进行连接,但是早期焊缝存在大量缺陷,导致很长时间在大量应用中仍以铆接为主。随着焊接技术的发展,铝合金在焊接中的缺陷逐渐减少,使相关焊接工艺开始普及。7 系铝合金是 20 世纪 20 年代由德国科学家发明出来的一种材料,其主合金元素为 Zn、Mg、Cu 等,属于高强度铝合金
9、,当前其主要应用在结构部件方面,是未来工程轻量化的发展方向之一4-6。铝合金焊接普遍存在的难点如下:(1)铝是一种活泼金属,在焊接熔池内易与水蒸气反应产生气孔,从而影响焊缝质量;(2)铝合金热导率大,对输入热源的输入功率要求高;(3)铝合金接头的热影响区存在软化;(4)铝合金线膨胀系数较大,在焊接时易出现变形和焊缝热裂纹。7 系铝合金又分为 Al-Zn-Mg 和 Al-Zn-Mg-Cu,其在焊接过程中除有以上问题外,还存在如下问题:(1)低沸点的合金元素挥发,如 Zn、Mg 合金元素在焊接过程中往往存在烧损现象,使得焊缝中强化相(MgZn2)减少,导致焊缝强度降低;(2)7 系铝合金属于固溶强
10、化铝合金,在焊接过程中经历了加热再冷却,热影响区的晶粒会发生粗化进而发生软化现象;(3)对于含 Cu 的 7 系铝合金,Cu 元素可以提高铝合金的强度和耐腐蚀性,但会增强铝合金的热裂敏感性,有关文献1-6 表明焊缝中 Cu 的含量不应该超过03%。因此,对于 7 系铝合金,在焊接时焊丝及焊接工艺的选择应该既注重提高焊缝金属的强度,又控制焊接的热输入,这样才能寻找合适的焊接工艺参数。1铝合金电弧焊接现状钨极惰性气体保护电弧焊(TIG 焊)和熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG 焊)是极为常见的两种电弧焊接技术。其工作原理是通过电弧放电,使被焊接物体或填充焊丝熔化后再凝固,达到物体连接的目的。11铝合
11、金 TIG 焊接现状钨极惰性气体保护电弧焊是一种以钨棒为一个电极,以21010106-2焊件为另一个电极,用惰性气体(氩、氦或氩的混合)保护两电极之间的电弧、熔池及母材热影响区而实施电弧焊接作业的焊接方法。由于该方法常采用氩气保护,通常称其为非熔化极惰性气体保护电弧焊(TIG 焊)。其特点有:焊接时无需使用焊条、焊剂、熔剂等;可控变量(如热源能量、填充焊丝等)较多,工作时噪音较小6-7,工作情况如图 1 所示。图 1钨极惰性气体保护电弧焊示意图Fig1Schematic diagram of TIG welding7 系铝合金 TIG 焊接的特点有7-9:(1)焊接时直接通过电极起弧,没有焊条
12、或焊剂的参与,使 Zn、Mg 等合金元素或其化合物在液体中存在烧损,从而使焊缝热影响区软化;(2)钨极电弧稳定,工作电流较小,适用于铝合金薄板;(3)当使用焊丝时,其无电流通过,无溶滴过渡,噪声和飞溅的控制较好;(4)在使用交流 TIG 焊接中,其工作电流是周期变化,因此钨极温度低,允许其在较大的电流情况下工作,同时在使用交流电时,还对铝合金表面的氧化膜有清理作用。TIG 焊接中也可以通过添加焊丝来控制焊缝中的元素,目前学者们发现在焊丝中添加钪元素可以提升接头的力学性能10,但由于钪价格较昂贵,已经寻找到其他替代元素(如铒、锆等)。在现有的研究中,有学者通过添加铒元素来提高 TIG 铝合金焊接
13、性能。何柔月等11 在铝镁合金的基础上自制了含铒元素的焊丝,并对 7075 铝合金进行 TIG 焊接,结果表明,铒元素可以细化焊缝晶粒(见图 2),并提高焊缝力学性能。图 2含铒焊丝的焊缝组织11:(a)Er 06;(b)Er 08Fig2Microstructures of weld zone of wires with different Er11:(a)Er 06;(b)Er 087 系铝合金也可以使用 TIG 进行异种金属焊接,通过添加焊丝和改变中间层等来增强润湿性以及减少金属间化合物。林三宝等12 使用 BA4047W 药芯焊丝对铝钢进行 TIG 焊接试验,结果表明,药芯钎剂会促进铝
14、硅钎料在不锈钢表面润湿铺展,润湿角小于 30。宋洋等13 选用 AlSi12 焊丝进行异种金属焊接,结果表明 IMC 层厚度约为 4 m。如:对于7 系铝合金,使用 Al-Si 焊丝进行 TIG 异种金属焊接会降低IMC 层的厚度。廖传清等14 使用 E4043 焊丝对 7 系和5 系铝合金进行 TIG 焊接,结果表明:7075 母材一侧热影响区的平均宽度约为 250 m,且有明显的晶粒长大现象;而 5A06母材一侧热影响区的平均宽度约为 80 m,晶粒长大现象并不明显。热影响区晶粒在焊接热循环过程中的长大造成7075 母材一侧热影响区出现软化现象,而焊接过程中焊缝金属中的 Si 元素往 5A
15、06 母材一侧扩散,导致 5 系铝合金的热影响区出现硬化现象。TIG 焊接中也存在较多缺点,如:当母材较厚时,铝合金会出现焊接热裂纹、飞溅、未焊透等现象;同时由于铝合金表面存在氧化膜,其熔点高于铝合金,这就很容易造成焊缝中出现未熔合现象。在 TIG 焊接中还会产生合金元素烧损、晶粒粗化等。王锡岭15 使用 E4043 焊丝和 7475 铝合金进行TIG 焊接实验,并研究不同焊接工艺下焊缝的组织和性能,结果表明焊缝中合金元素主要沿着晶界处析出并分布在其周围,Si 元素在最后凝固阶段起到了填充液态金属的作用,减小了热裂纹倾向。潘云等16 采用 TIG 焊对 7003 薄板进行焊接,在接头熔合区存在
16、晶界偏析,且合金导电性、力学性能和腐蚀性能均下降。为了改善 7 系铝合金 TIG 焊接状况,各国学者进行了大量研究。张琨等17 采用自制 7075 超硬焊丝对厚度为5 mm 的7075-T6 铝合金板进行 TIG 焊接,然后对焊接接头进行固溶处理。结果表明:随着焊接电流增加,接头力学性能表现出先提高后降低的趋势;当焊接电流为 100 A、固溶温度为 460、固溶时间为 60 min 时,接头的力学性能最佳,抗拉强度为 4245 MPa,伸长率为 983%(见图 3),硬度为1108HV,且晶粒内偏析减少,晶界析出物溶进晶内。图 3固溶时间为 60 min 时合金的抗拉强度和伸长率的变化Fig3
17、Change of tensile strength and elongation of alloy when solid solutiontime is 60 min同时,也有学者提出不同的改进方法来提高接头的性能。王鹏博18 采用超声波辅助对 7075 铝合金 TIG 焊接进行了改进,试验结果表明,合金熔深增加,合金元素的烧损减少,晶粒细化,硬度和伸长率得到显著提升。Mehdi 等19 对7075 铝合金薄板的异种金属先进行 TIG 焊接,后在焊缝上进7 系铝合金焊接技术的研究现状及展望/陈轩等21010106-3行搅拌摩擦焊试验,结果表明,TIG 焊接接头晶粒粗大,焊缝出现明显的软化现象
18、。在 TIG 焊缝表面再用搅拌摩擦焊加工可以减小焊缝残余应力,提高力学性能。Arizmendi-Salga-do20 研究了焊接前母材热处理对焊缝腐蚀性能的影响,选用7075 铝合金进行无填丝 TIG 焊接,结果表明,退火可以提升母材和焊缝的腐蚀性能。刘守法等21 选用 7003 铝合金研究TIG 焊后热处理对组织及性能的影响,结果表明,T6 热处理使得抗拉强度提升 34%,增加了焊缝内析出密度,减小了尺寸。许志安22 研究了 TIG 焊熔修对 7075 铝合金 T 形接头焊趾残余应力的影响,结果表明:重熔处理后,焊趾部位的残余应力减小,纵向残余应力由焊态的拉伸应力状态过渡到重熔后的压缩应力状
19、态;横向残余应力为压缩应力状态,应力值略有减小。12铝合金 MIG 焊接现状熔化极惰性气体保护电弧焊是一种以连续送进的焊丝作为一个电极,以工件作为另一个电极,在惰性气体保护和两级之间电弧热的作用下,焊丝一面熔化并向熔池过渡和填充,一面不断引弧和稳弧的电弧焊接过程,此焊接方法简称MIG 焊。当被焊物体是铝合金时,通常所用的保护气体是氩气,工作示意如图 4 所示。图 4熔化极惰性气体保护焊示意图Fig4Schematic diagram of inert gas welding of melting pole7 系铝合金 MIG 焊接的特点有:(1)保护气体通常为惰性气体,主要为氩气和氦气,一般不
20、采用二氧化碳或其他保护气体;(2)母材在应用氩弧焊时,其生产工作效率高,可焊大厚度板材;(3)7 系铝合金在焊接时存在合金元素烧损情况,因此适当地调整焊丝可以弥补或减缓该情况的发生;(4)MIG焊接时会产生熔滴过渡,其可分为短路过渡、大熔滴过渡和喷射过渡23。MIG 焊接的控制条件之一是熔滴过渡,电流是主要的影响因素,因为熔滴过渡通常是以短路形式产生,合理的电流对设备维护及焊缝的成形起促进作用24。喷射过渡又分为射流过渡和射滴过渡,其工作示意如图 5 所示。铝合金焊接工艺中应用较多的过渡形式为射滴过渡,但是射滴过渡的能量过大,易造成焊缝变形较大,使焊缝晶粒粗大。为解决此类问题,学者提出在 MI
21、G 焊接中施加外场来达到改善焊接接头组织的效果。eyna-Montoya 等25 对 7075 铝合金板进行MIG 焊接,同时施加电磁场,结果表明,在电磁场的作用下,热影响区的富铜析出相和共晶偏析减少,焊缝晶粒细化,从而改善合金组织和提升力学性能。另有学者发现在射滴过渡中不同材料(形状、种类、位置等)会造成临界电流不一样,为了改善工作中的不便,又在此基础上开发出熔化脉冲焊,它由维弧电流和脉冲电流组成。刘政军等26 选择双脉冲熔化惰性气体保护焊(DP-MIG)对 7 系铝合金进行数值模拟和焊接试验,结果表明,焊缝成形良好且与模拟结果相匹配,焊缝性能优异。学者们发明出双丝 MIG 焊接工艺,并由日
22、本最早开发出双丝焊接机器,其工作原理为先消耗电极焊丝,后填充焊丝,在喷管内进行焊接。在消耗电极形成的熔池内插入焊丝,再由熔池热量熔化填充焊丝,这样焊丝熔化速度得到提高,从而提高了效率,并降低了熔池温度,特别是对铝合金板厚度大于 10 mm 的板材的焊接效果甚佳27-29。李帅贞等30 对比了铝合金的单丝和双丝工艺,结果表明,与单丝焊接相比,双丝焊接效率提升,焊缝宽度小,晶粒更细小,组织更加致密,焊缝强度更高,弯曲性能基本一致。图 5喷射过渡示意图Fig5Schematic of jet transition7 系铝合金焊接中存在合金元素的烧损,为了弥补这种缺陷,通常会通过焊丝进行合金元素的补充
23、并提高焊缝性能等。当前主要以 5 系焊丝为主,5 系焊丝的主要合金元素为Mg,随着 Mg 含量的增加,Zn 元素烧损减少,同时可以避免焊缝敏感区,增强力学性能31。Li 等32 选用 7N01 铝合金的T4 和 T5 板材作为母材,用 E5356 作为焊丝,进行对接 MIG焊接,然后在焊缝上切割出坡口并进行补焊。结果表明,不同母材状态对焊缝有影响,补焊后的试样力学性能与原始试样基本相同;接头的 T4 侧热影响区处会产生裂纹并向焊缝中心扩展,进而影响力学性能。近年有学者33-35 发现 TiC 和铝的晶格相似,在焊丝中增加微量的纳米级 TiC,可以促进焊缝均质形核,从而减少裂纹形成,提升力学性能
24、,如图 6 所示。Oropeza 等36 采用纳米增强 TiC 焊丝,选用 7075 铝合金进行铝合金板对接焊接,结果表明,焊缝晶粒细化,无裂纹,硬度和拉伸性能得到提高。13铝合金 CMT 焊接现状冷金属过渡焊接工艺是由 FONIUS 公司在 2004 年发布的一种新型焊接技术,这种技术可以克服常规电弧焊接所产生的飞溅等缺陷。其是由 MIG 焊接技术改进而来的新型焊接技术,主要应用在轻金属、异种金属焊接或增材制造等相关领域中,如图 7 所示37。镁、钛和铝等合金的同种或异种金属的 CMT 焊接接头性能比传统焊接方法得到的接头好。CMT焊接技术与MIG/MAG焊接的区别是采用了“熔滴切材料导报,
25、2023,37(13):2101010621010106-4图 6添加 TiC 纳米颗粒的焊丝的焊缝宏观图(单位:mm)Fig6Macroscopic picture of weld bead with TiC reinforceing of weld wire(unit:mm)割”法,即在熔滴过渡时,通过焊丝抽回运动,达到“零”电流的熔滴过渡,当此次过渡结束后,再次引起电弧37-38,继续重复上述过程。在冷金属过渡工艺中,焊接送丝的速率和电极极性都可以用来控制表面能量吸收和熔滴尺寸39。与其他焊接工艺相比,CMT 焊接工艺的优点有:工作电流低;产生的热量低;可以消除飞溅、凹陷等缺陷40。图
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