7系铝合金焊接技术的研究现状及展望_陈轩.pdf

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 Technology，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 Arcwelding 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 of 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 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，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 5A06 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Fig3Change 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70