1.2 铝合金

本文主要介绍铝合金中厚板的焊接方法，铝合金由于其物理化学性能与钢相差甚远，使铝合金的焊接工艺方法[3]与钢有许多不同。

1.2.1 铝合金的应用

与其他金属相比，铝和铝合金由于其独特和优异的物理化学特性、力学性能和工艺特性，适应现代科技的发展，大量应用于工业制造中[4]。铝及铝合金的熔点低、塑性好、比强度高、密度小，有良好的加工性能，能很容易加工成各种形状。现在国家倡导绿色发展，而轻量化是节约能源和减少污染的有效措施。虽说同样的镁合金、钛合金也有如此优点，但这两种材料较贵，生产成本高，但铝合金就比较便宜。采用高强铝合金材料替代原来的钢结构，能够有效节约能源，在航空航天和高速列车、轨道交通等领域铝合金依旧是应用最多的材料，因此研究铝合金的焊接是十分重要且必要的[5-7]。

1.2.2 铝合金的特点

由于铝合金活跃的化学性质，还原性很强，易与氧气反应在表面生成一层Al2O3氧化膜，而Al2O3氧化膜的熔点很高[8]，就需要采用大功率密度的焊接工艺。容易在焊接时产生气孔和夹杂等各种缺陷，同时容易使电弧不稳定，发生电弧漂移等问题。铝合金的线膨胀系数很大，在同等温度下几乎是钢线膨胀系数的两倍，容易产生热裂纹。为了获得良好优质的焊缝接头，必须要采用焊接快、热源的密度大但热输入小的焊接方法。

1.2.3 铝合金中厚板研究现状

目前铝合金中厚板常用的焊接方法是熔化极氩弧焊（MIG）[9]，但是熔化极氩弧焊的焊接效率低，热影响区较宽，焊接接头软化现象明显，焊缝中易产生气孔、裂纹，焊后工件变形大，接头性能较差，缩小了焊件的应用范围。随着经济发展，工业水平进步，对焊件质量提出了更高的要求，传统的MIG焊[10]已经不能满足对于高强铝合金焊接接头的需求。国内外相继研究发展了下列新的铝合金中厚板的先进焊接方法，。

（1）双丝MIG焊

双丝MIG焊分别采用独立的的送丝机构将焊丝送到熔池，主副焊丝产生前后两个电弧加热熔池，两根焊丝充分利用电弧能量互相加热，搅拌熔池，极大的提高了熔敷效率。熔池中大量的融化的金属与母材熔合，焊缝成形美观。双丝MIG焊[11]焊接电流大，焊接速度快，热输入小，变形小，是一种优质的焊接方法。不同过渡形式对焊缝质量有重要影响。而双丝MIG焊可以通过调节电源电路，实现上述多种过渡形式[12]。

虽然双丝MIG有上述优点，应用也比较广泛，但也有其自身的缺点。应用双丝MIG焊焊接中厚板铝合金时，每次焊完都需要清洗焊缝，去除焊缝表面的杂质，才能进行下道焊缝的焊接，防止夹渣缺陷的产生。多道焊接的会多次加热焊件，加大焊件中的变形程度，使焊后残余应力增加，降低其力学性能，也影响焊件的寿命，需要焊后热处理改善其综合性能。

（2）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（FSW）是一种利用摩擦热将金属加热至热塑性状态[13]，搅拌头将热塑性状态的金属往后挤压，最后重新形成固相的焊接方法。原理如图1.1所示。

图1.1 搅拌摩擦焊原理

铝合金搅拌摩擦焊[14]焊缝是通过塑性变形和再结晶形成的，不是通过融化金属，不会产生气孔和热裂纹等缺陷。搅拌摩擦焊对于金属焊接几乎没有限制，有焊接温度低，焊接接头变形量小，焊接残余应力小等优点。但搅拌摩擦焊也有焊接速度比较慢，缺乏工艺柔性，难焊复杂的焊缝等缺点[15]。

（2）电子束焊接

电子束焊是指在真空环境下，加速聚集电子束轰击工件接头处产生大量热能，使焊缝金属融化的焊接工件的方法[16-17]。电子束作为热源，有功率高，穿透力强，可控程度高。电子束穿透力强，可以实现不开坡口焊接厚板铝合金，杂质少，裂纹少[18]。缺点是设备复杂并且较贵，对工件的焊前处理和装配要求高，因需要真空环境对于大型工件焊接较困难。