鋁合金焊接技術-畢業(yè)設計論文

1、 學校代碼： 10128學 號： 200942137050 畢業(yè)論文(設計) 職業(yè)學院題 目：鋁合金焊接技術學生某：曲艷春學生學號:專 業(yè)：焊接技術及自動化14高職班 級：焊接系1班指導教師: 韓雪飛 職業(yè)學院14 / 18摘 要鋁合金由于重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛的應用于各種焊接結構產(chǎn)品中。因此提高鋁合金焊接的生產(chǎn)率和焊接質量，減少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成為實際生產(chǎn)的迫切要求。本文綜述了鋁合金幾種先進的焊接工藝：鎢極氬弧焊（TIG）、激光焊（LBW）、攪拌摩擦焊（FSW），及其焊接發(fā)放和特點，并指出在焊接中存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢。關

2、鍵詞：鋁合金；鎢極氬弧焊（TIG）；激光焊（LBW）；攪拌摩擦焊（FSW）AbstractAluminum 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. Therefo

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

4、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)目錄摘 要IAbs

5、tractII引 言1第一章 鋁合金的焊接特點21.1.鋁合金的焊接特點21.2.鋁合金焊接的幾大難點2第二章鋁合金的焊接工藝32.1.鎢極氬弧焊（TIG）32.1.1.TIG焊的基本原理32.1.2.TIG焊的特點32.1.3.鋁合金的TIG焊42.2.激光焊（LBW）62.2.1.激光焊的基本原理62.2.2.鋁合金激光焊的特點62.2.3.鋁合金的激光一電弧復合焊62.3.攪拌摩擦焊（FSW）72.3.1.FSW焊的基本原理72.3.2.FSW焊的特點72.3.3.鋁合金的FSW焊8總 結10參考文獻11 辭13引 言鋁是工業(yè)上應用最廣泛的重要有色金屬之一。鋁及鋁合金具有密度小、重量輕，

6、熱容量大、熔化潛熱高、強度高及良好的耐蝕性、導電性、導熱性，以及在低溫下能保持良好的力學性能等優(yōu)點。鋁及鋁合金在航空航天、國防、汽車、電工、化工、交通運輸?shù)刃袠I(yè)中被廣泛應用，這也極推動了鋁合金焊接技術的發(fā)展，因此，提高鋁合金焊接的生產(chǎn)率和焊接質量，減少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成為實際生產(chǎn)的迫切要求。鋁合金其主要成分是鋁，而鋁的密度較低，熔點低熱傳導性能好，熱膨脹系數(shù)大，同時其具有很強的化學活潑性，易氧化，且氧化物的熔點很高。在與其他組元形成合金后依然保持這些特性，因此鋁合金在焊接過程中存在著一系列的問題，如：氧化、裂紋、氣孔、接頭力學性能下降、熱影響區(qū)變寬等。為了提高鋁合金焊接接頭的質量，

7、近年來涌現(xiàn)出了許多新的鋁合金焊接方法，如：鎢極氬弧焊（TIG）、激光焊（LBW）、電子束焊（EBW）、攪拌摩擦焊（FSW）等。本文介紹了鋁合金的幾種先進的焊接工藝，幾種工藝均具有優(yōu)越性，并針對鋁合金的焊接困難提出了有效的解決辦法。第一章 鋁合金的焊接特點1.1. 鋁合金的焊接特點鋁合金重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛的應用于各種焊接結構產(chǎn)品中。1.2. 鋁合金焊接的幾大難點1. 鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜（Al2O3 其熔點為2050），這就需要采用大功率密度的焊接工藝。2. 鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數(shù)低，這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙。3.

8、鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋。4. 鋁合金焊接易產(chǎn)生氣孔。5. 線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形。6. 鋁合金熱導率大（約為鋼的4倍），相同焊接速度下，熱輸入比焊接鋼材大24倍。第二章 鋁合金的焊接工藝1.3. 鎢極氬弧焊（TIG）1.3.1. TIG焊的基本原理 TIG焊是在惰性氣體的保護下，利用鎢極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲，形成焊逢的焊接方法。焊接時保護氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成保護層隔絕空氣，保護電極和焊接熔池以及鄰近熱影響區(qū)，以形成優(yōu)質的焊接接頭。TIG焊一般采用氬氣作保護氣體，因而稱為鎢極氬弧焊。1.3.2. TIG焊的特點 TIG焊與其他焊接方法相比有如下主要特

9、點： 可焊金屬多 氬氣能有效隔絕焊接區(qū)域周圍的空氣，它本身又不溶于金屬，不和金屬反應；TIG焊過程中電弧還有自動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，化學性質活潑的非鐵金屬、不銹鋼和各種合金。 適應能力強 鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流下也能穩(wěn)定燃燒；不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀；熱源和焊絲可分別控制，因而熱輸入量容易調節(jié)，特別適合于薄件、超薄件的焊接；可進行各種位置的焊接，易于實現(xiàn)機械化和自動化焊接。 焊接生產(chǎn)率低 鎢極承載電流能力較差，過大的電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其顆?？赡苓M入熔池，造成夾鎢。因而TIG焊使用的電流小，焊逢熔深淺，熔敷速度小，生成率

10、低。 生產(chǎn)成本較高 由于惰性氣體較貴，與其他焊接方法相比，TIG焊生產(chǎn)成本高，故主要用于要求較高的產(chǎn)品的焊接。1.3.3. 鋁合金的TIG焊TIG焊是目前廣泛采用的焊接鋁合金的焊接方法。而交流TIG焊獲得的焊接質量最佳，板厚在2.4mm以下的鋁合金采用直流反極性TIG焊也可得到良好的焊接質量。交流TIG焊時，電流極性每半個周期交換一次，因而兼?zhèn)淞酥绷髡龢O性法和直流反極性法兩者的優(yōu)點。但由于交流電弧每秒要100次過零點，加上交流電弧在正負半周里導電情況的差別，又出現(xiàn)了交流電弧過零點后復燃困難和焊接回路中產(chǎn)生直流分量的問題。所以必須采取適當?shù)拇胧┎拍鼙ＷC焊接過程的穩(wěn)定進行1。（1）過零點復燃及穩(wěn)弧

11、措施 TIG焊廣泛采用的穩(wěn)弧措施是利用脈沖穩(wěn)弧器，在交流電流過零點進入負極性半周瞬時施加高壓脈沖（其值通常在1500V以上），幫助電弧重新引燃。這種方法易保證穩(wěn)弧相位要求，穩(wěn)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焊接時，由于電極和工件的電、熱物理性能以及幾何尺寸等方面存在差異，造成電弧電壓在正、負半周不對稱，如圖1.1a所示。工件和電極的熱、電物理性能相差越大，這種不對稱的現(xiàn)象就越嚴重，在焊接鋁及其合金時這種現(xiàn)象就特別突出。而電流不對稱的現(xiàn)象相當于電弧電流由兩部分組成，一部分是交流電流；另一部分是疊加在交流部分上的直流電流，如圖1.1b所示。后者稱為直流分量，直流分量的

12、出現(xiàn)首先會使負極性半周的電流幅值減小且作用時間短，因而減弱了“陰極破碎”作用；同時直流分量使焊接變壓器的工作條件惡化，造成焊接變壓器發(fā)熱，甚至燒毀。因此必須限制或消除直流分量，才能保證焊接過程的順利進行。圖1.1交流TIG焊時電弧電壓和電弧電流波形及直流分量示意圖（ a ）電壓波形 （ b ）電流波形現(xiàn)在也有人提出用TIG直流正接法焊接鋁合金2，所選用的焊絲是藥芯焊絲，可以達到在熔融狀態(tài)時溶解和還原Al2O3，從而達到陰極破碎的效果。但是存在很多問題，例如在焊接材料上還有待進一步開發(fā)，焊接接頭會出現(xiàn)焊接裂紋。為了實現(xiàn)對厚板防銹鋁合金的焊接。增加熔深，許多研究集中于活性鎢極氬弧焊(ATIG)方面

13、。它通過焊前在施焊板材表面涂敷一層很薄的表面活性劑，進行正常焊接，可使得焊接電弧收縮或熔池流態(tài)改變，從而顯著增加熔深3。但是當采用ATIG焊接法焊接鋁合金時，發(fā)現(xiàn)很難同時保證熔深顯著增加和焊縫表面成形良好4，有人又提出了一種新型活性焊接方法FZ-TIG焊(FluxZonedTIGWelding)3。即焊前，在待焊焊道表面中心區(qū)域涂敷低熔沸點低電阻率活性劑，在兩側區(qū)域分別涂敷高熔沸點高電阻率活性劑，然后進行正常焊接，可以同時顯著增加焊接熔深和保證焊縫表面成形良好。 TIG焊容易控制焊縫成形及實現(xiàn)單面焊雙面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。由于鎢極載流能力有限，電弧功率受到限制，致使焊縫熔深淺

14、，焊接速度低。TIG焊一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。1.4. 激光焊（LBW）1.4.1. 激光焊的基本原理激光焊是利用以聚焦的激光束作為能源轟擊工件所產(chǎn)生的熱量進行焊接的方法。利用激光器受激產(chǎn)生激光束，通過聚焦系統(tǒng)將其聚集成半徑微小的光斑，當調焦到被焊工件的焊縫時，光能轉換為熱能，從而使金屬熔化形成焊接接頭。1.4.2. 鋁合金激光焊的特點與傳統(tǒng)的TIG、MIG 焊相比，用激光來焊接鋁合金具有以下優(yōu)點：(1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大的焊縫。(2)冷卻速度快，能得到組織微細的焊縫，故焊接接頭性能良好。(3)焊接速度快、功能多、適應性強、可靠性

15、高且不需要真空裝置5，所以在焊接精度、效率、自動化等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。激光焊接是一種高能密度的焊接工藝，焊接鋁合金可以有效防止傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷，強度系數(shù)提高很大。但是由于這種工藝還不成熟 ，焊接時存在著一些問題：鋁合金對激光能的吸收很低；合金元素燒損嚴重；易產(chǎn)生氣孔；熱裂紋敏感性大6。可以從增大激光功率密度和提高鋁合金對激光能的吸收率這兩個方面采取措施解決這些問題。Huntington和Eager發(fā)現(xiàn)激光功率達到一定值時，鋁合金對激光的吸收率會明顯增大，Huntington和Eagar采用測熱法，研究了CO2激光焊接純鋁和5456鋁合金時，對激光的吸收情況，發(fā)現(xiàn)陽極氧化和噴砂處理可

16、以明顯提高鋁對激光能量的吸收7。1.4.3. 鋁合金的激光一電弧復合焊雖然用激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢，但仍存在較大的局限性，如設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發(fā)展了激光-電弧復合焊接工藝。激光-電弧復合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的復合。目前，該工藝在德國和日本等發(fā)達國家研究比較多，并在汽車業(yè)中已有一定的應用，如大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-MIG焊道，而且激光復合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國在該工藝的研究和應用上基本還是空白5。鋁合金激光-電弧復合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸

17、收率以及深熔焊的閾值問題，是極具前景的鋁合金焊接工藝之一，目前工藝還不成熟，處于研究探索階段。用激光和電弧復合焊接方法來焊接鋁合金時，激光與電弧相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產(chǎn)生良好的復合效應。能顯著提高焊接效率，這主要基于兩種效應：一方面是高的能量密度導致了高的焊接速度；另一方面是兩種熱源同時作用在一個相同區(qū)域的疊加效應。這種復合工藝的優(yōu)勢很多，潛力很大，在未來的汽車生產(chǎn)中必將具有廣泛的應用前景。1.5. 攪拌摩擦焊（FSW）1.5.1. FSW焊的基本原理 攪拌摩擦焊是由錐形指棒伸入工件的焊縫處，通過攪拌頭的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高

18、軟化，同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接。1.5.2. FSW焊的特點 與傳統(tǒng)的摩擦焊相比，F(xiàn)SW焊具有以下優(yōu)點：(2) 可獲得高度一致的焊接質量，無需高的操作技能和訓練。(3) 焊接接口部位只需去油處理，無需打磨或洗刷。(4) 不需焊絲和保護氣氛，且節(jié)省能源，單面焊12.5mm深度所需動力僅為3kW。(5) 焊接表面平整，不變形，無焊縫凸起和焊滴，無需后續(xù)處理。(6) 無電弧、磁沖擊、閃光、輻射、煙霧和異味，不影響其他電器設備使用，綠色環(huán)保。(7) 焊接溫度低于合金的熔點，焊縫無孔洞、裂紋和元素燒傷。 1.5.3. 鋁合金的FSW焊攪拌摩擦焊技術（FSW）是自激光焊接技術以后的又一項革命性的連

19、接技術。與傳統(tǒng)的熔焊相比，攪拌摩擦焊擁有無需填絲、無弧光、無飛濺、無需焊前熱處理、無需氣體保護等優(yōu)點，因而應用前景廣泛。迄今為止，攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)所有牌號的鋁合金焊接，甚至以前所謂的不可焊鋁合金材料都能焊接，如應用于航空、航天領域的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）高強鋁合金，也可以利用這種先進的焊接方法得到高質量的連接。因此攪拌摩擦焊有著廣泛的工業(yè)應用前景8-9。攪拌摩擦焊已經(jīng)在鋁合金上實現(xiàn)了規(guī)?；I(yè)應用，國外許多學者針對不同鋁合金進行了一系列的攪拌摩擦焊工藝研究、接頭微觀組織、

20、接頭耐蝕性能及力學性能研究。衍華10等人研究了2014鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的微觀組織及力學性能，研究結果表明，采用攪拌摩擦焊方法成功實現(xiàn)了2014鋁合金的連接，焊核區(qū)的組織與母材相比，晶粒得到了細化，接頭強度可達到母材的78%，抗彎強度達到母材的76%，顯示出了良好的機械性能。王希靖11等人研究了LF2 鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織與性能，結果表明焊核區(qū)由細小的均勻的等軸晶組成，平均尺寸為15微米，焊核區(qū)的顯微硬度稍高或等于母材硬度，焊接接頭強度在轉速為945r/min，焊接速度為9mm/min時，與母材相同。亞東12等人研究了6082鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的電化學腐蝕行為，研究結果表明，60

21、82 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的耐腐蝕性能要優(yōu)于母材，這是由于焊縫的組織由細小的均勻的等軸晶組成，使得位錯密度下降，同時也使得焊縫的化學成分均質化，降低了材料形成局部腐蝕原電池的傾向。對于LF6，當焊接規(guī)合適時，對接接頭的抗拉強度可達到母材標稱強度的100，背彎和正彎的角度都能達到180°。焊縫的斷裂形式以韌性斷裂為主13。有人對LF6鋁合金的攪拌摩擦焊接接頭進行顯微硬度測試14，得出從母材到焊縫，硬度幾乎沒發(fā)生變化，在合適的焊接規(guī)參數(shù)條件下，可以獲得性能與母材類似的焊縫。目前焊接鋁合金的厚度最薄達到了115um，最厚達50mm(單面焊)15，而且已成功的解決了鎖孔和不能焊厚度不等材料(

22、如鍥型板材)的問題。這要得益于自動可調攪拌頭的發(fā)明。自動可調攪拌頭允許攪拌頭特型焊針自動的收縮，目前其調節(jié)精度能控制在0.1025mm以16，而且已成功地實現(xiàn)了設備的模塊化。攪拌摩擦焊鋁合金盡管存在一系列優(yōu)點，但也有一定的缺點：鋁合金攪拌摩擦焊接時速度低于熔化焊；焊件夾持要求高，焊接過程中對焊件要求加一定的壓力，被焊結構應具有較強的剛度和被牢固固定的環(huán)境和條件，反面要求有墊板；焊后端頭形成一個攪拌頭殘留的孔洞，一般需要補焊上或機械切除；攪拌頭適應性差，不同厚度鋁合金板材要求不同結構的攪拌頭，且攪拌頭磨損快；工藝還不成熟，目前限于結構簡單的構件，如平直的結構、圓形結構。作為革命性的綠色焊接技術，

23、攪拌摩擦焊技術的出現(xiàn)對鋁合金連接技術的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的沖擊和推動。該技術可以取代傳統(tǒng)的電阻電焊和鉚焊，在國際上已經(jīng)成功應用于航空航天、船舶、高速列車制造等領域。隨著焊接設備和攪拌頭的發(fā)展，可應用FSW連接的材料會更加廣泛，同時可優(yōu)化接頭性能，降低生產(chǎn)成本，而且可以很容易地實現(xiàn)自動化生產(chǎn)?？?結鋁合金焊接技術作為鋁合金在工業(yè)領域中擴大應用的關鍵技術之一，必然會得到進一步的發(fā)展。本文綜述了鋁合金TIG焊、LBW焊及FSW焊焊接的方法及各自的特點，有的方法已經(jīng)在實際應用中得到了大量應用，有的則是在實驗研究階段，有待進一步開發(fā)和研究。在傳統(tǒng)的焊接方法方面，繼續(xù)開展鋁合金焊接的基礎性研究，如在焊條、焊絲

24、、焊劑、活性劑等焊接材料方面的研制和創(chuàng)新；加大如何減少焊接變形、殘余應力和缺陷方面的工藝等研究，以及加大用計算機控制和機器人進行焊接的技術研究。在新型焊接方法方面，加大如何增加激光功率密度，以及采取措施提高鋁合金對激光的吸收率的研究。攪拌摩擦焊在鋁合金的焊接上具有很大優(yōu)勢，是未來防銹鋁合金連接的一個主要發(fā)展方向。在厚板焊接方面，應加大對鋁合金攪拌摩擦焊工藝方面的研究，優(yōu)化攪拌頭的設計，使攪拌摩擦焊在鋁合金焊接方面得到更大的應用。參考文獻1 雷世明.焊接方法與設備.機械工業(yè),2008,9:135-137.2 殷琨，榮慶，賴振字氣動潛孔錘鉆進技術EJ世界地質，1998，18(2)：1011043

25、黃志強，周 已，琴，等刮刀鉆頭噴嘴直徑對井底流場的影響研究J石油礦場機械，2009，38(3)：17-194 Crouse R，ChiaROptimizationofPDCbithydraulicsby fluid simulationCSPE 14221，1985：1-105 宋東風,胡繩蓀,馬力.鋁合金激光焊接技術的發(fā)展現(xiàn)狀J.電焊機,2004,34(9):1-3.6 淑華,強.防銹鋁合金焊接技術現(xiàn)狀及展望J.石油礦場機械,2009,38(5):72-75.7Zhao H.White DR.Deb Roy T.Current issue and problems in laser welding of automotive aluminiumalloysJ.International Materials Reviews,1999,44(6):238-242.8 Rhodes C G,Mahoney M W,etal.Effect of Friction Stir Welding on Microstructure of 7075 Aluminum J.Scripta Materialia,1997,36 (1):69-75.9 Dawes C J. Introduction to Friction Stir Welding