王勇 王宇强 田春茂
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266000
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，铝合金作为近年来迅速崛起的工程金属材料，由于其密度低、比强度及比刚度高、具有较好耐蚀性等一系列优点，在航空航天、汽车、舰船等领域得到了广泛应用。在铝合金加工过程中，铝合金焊接是极其重要的一个加工环节。随着铝合金在越来越多行业的应用，铝合金焊接问题也吸引着越来越多学者的关注。铝及铝合金焊接方法较多，主要有非熔化极惰性气体保护TIG、熔化极气体保护焊MIG、穿孔变极性等离子焊接、真空电子束和激光以及搅拌摩擦焊等，目前应用较多的仍然是交流TIG和MIG两种方法。通过对铝合金焊接技术文献查阅可知，铝合金焊接还存在很多问题，较比发达国家还有一定的差距，技术成熟度很难达到国际先进水平。
关键词：铝合金;焊接间隙;MIG焊
引言
铝合金板进行熔化极惰性气体保护焊(MIG)，借助化学成分分析仪、光学显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射仪等对三种坡口间隙不同位置处的焊接接头化学成分和组织演化过程进行了系统的分析研究。结果表明:随着坡口根部间隙的增大，焊接接头的化学成分受6061-T6铝合金过渡及金属烧损影响越小，焊接接头组织中共晶体的变化与化学成分变化趋势保持一致。综合考虑焊接效率和母材对焊接接头的影响程度，根部间隙为10mm时可以客观地评价铝合金焊丝焊接接头的质量。
1铝合金激光焊接的难点
铝合金激光焊接受基体材料本身性质的影响存在较多难点，比如，液态铝表面张力低，造成激光深溶焊小孔坍塌而形成气孔；铝合金所含低熔点合金元素在激光焊接过程中被烧损，造成焊缝性能弱化；焊缝低熔点共晶合金元素成分易在冷却凝固过程中形成裂纹；热处理强化铝合金在焊接热循环作用下产生热影响区软化；液态铝表面张力低、固态铝热导率高，以及Al、Mg等元素易氧化造成焊缝表面成形差等。此外，为降低铝合金激光焊对装配间隙的要求，并抑制焊缝裂纹的产生，通常采用激光填丝焊或激光电弧复合焊接技术。由于铝合金焊丝相对较软，所以需要确保从送丝嘴出来的焊丝的指向性，以避免焊丝未熔化、填充焊缝产生偏向等问题；同时，原始铝合金表面的氧化膜以及熔融铝新产生的氧化层均会对填充焊丝的铺展效果产生影响。
2铝合金材料的性能
当前在工业各个领域中都开始广泛利用铝合金材料，整体应用范围十分广泛，因为铝合金材料和其他金属的性能具有较大的差异性，铝合金材料焊接性能有待提升，完成焊接工作之后，会在焊缝中留下不同类型焊接缺陷，目前占据应用市场主导地位的是光纤激光器、碟片激光器和半导体激光器。激光光源除了在激光光束质量、运行维护成本、功率输出稳定性、设备成本与轻型化等方面提升之外，根据实际焊接工艺需求，还发展出点环光斑、能量可调光斑等不同形式输出光束的激光器。
3铝合金激光焊接应用
3.1焊接接头金相组织
焊接接头主要是由焊缝和热影区两大部分组成。焊缝及焊缝附近区域无热裂纹。试样的热影响区晶粒粗大，因为在焊接过程中，受焊接高温影响，热影响区显微组织中的强化相会发生脱溶反应，逐渐析出且聚集在一起，使强化效果消失，形成“过时效”软化，晶粒生长速度加快，产生粗大晶粒。
3.2点焊接头疲劳失效模式
铝合金点焊接头疲劳试验中主要观测到两种失效模式。薄板厚度1.0mm的TS型和CP型样件的失效模式：在循环载荷下，疲劳裂纹在焊点热影响区萌生，并沿薄板侧热影响区扩展，最终贯穿薄板，焊点完整保留在厚板一侧。
疲劳裂纹在焊点热影响区萌生，逐渐扩展到焊核本体并最终贯穿焊核本体。试验过程中母材本体完整，无破坏。
3.3铝合金材料精加工
加工处理铝合金材料的过程中，工作人员要选择合适的设备精加工铝合金材料，在加工铝合金材料的过程中满足尺寸标准，同时需要满足表面粗糙度的要求。在铝合金材料精加工阶段，如果铝合金材料已经经过粗加工，可以减少精加工的工作量，选用高精度的加工工件，使铝合金零件的精度因此提高。在加工铝合金材料的过程中会产生较多的切削热，因为铝合金材料具有较低的熔点，在高温状态中铝合金材料很容易变形，工作人员需要利用切削也精加工铝合金材料，降低加工过程中的温度，避免铝合金零件发生变形问题，同时也不会产生切削误差。
3.4铝合金激光焊
铝合金激光焊接技术在汽车车身上应用最成熟的是激光钎焊与车门激光熔焊。铝合金激光钎焊主要应用于铝合金车顶与侧围焊接、铝合金行李箱盖焊接，在合资品牌凯迪拉克CT6、自主品牌蔚来ES8等车型均有应用。激光钎焊对激光头的功能要求很高，除了焊丝的指向性，还需要具备焊接过程中寻位、根据样件起伏调节焦点与焊丝位置、监测焊后焊缝表面质量等，以满足车顶、行李箱盖等外观件对高表面质量的需求。铝合金车门激光熔焊应用较普遍，通常使用扫描振镜焊接头实施，包括搭接穿透焊接与搭接角焊缝焊接，由于液态铝表面张力低，且板料厚度相对较薄（1.2mm左右），因此实际应用中容易出现焊穿、突刺等成形不良的问题，基于此，提升批量生产制造中的焊接质量是铝合金激光焊接需要考虑的应用要素。
3.5焊接试样制备
(1)对铝合金焊接表面进行机械清理(砂轮打磨)去除铝合金表面氧化膜。(2)将铝合金板材进行对接装配，间隙分别为0.5mm、1．0mm、1．5mm进行点焊固定，编号依次为M0.5、M1．0、M1．5，然后对焊点有污染的部位机械清理。(3)填充焊丝选用EＲ5356，直径1．2mm，通过MIG焊接设备进行焊接;相关工艺参数为，焊接电流180A，焊接电压21V，焊接速度600mm/min，保护气体Ar(99．99%)，气体流量20L/min。(4)对焊接表面进行清理打磨，检查表面的熔合情况。
结语
铝合金厚板复杂结构高效激光焊接，是铝合金激光焊接技术的发展方向。焊接设备国产化、产品的稳定性以及其在焊接应用中的适应能力，是铝合金激光焊接技术另一个发展方向。在机械化发展过程中，也不断增加了零部件加工量，同时提高了尺寸精度和粗糙度要求。在铝合金材料机械加工阶段，工作人员需要综合各方面因素，保障铝合金制品符合工作标准，在我国更多的领域推广利用铝合金材料，保障整体经济效益。说明在1．5mm内MIG焊接焊缝成型性良好，间隙过大会产生铝合金焊接变形和过大的应力集中，使其强度发生明显下降。铝合金试板坡口根部间隙为8mm时，主要是Si、Mg、Cu三个元素参与扩散，由于它们的原子半径、晶体结构等方面的差异造成扩散程度不同，在相同条件下镁原子比铜原子的扩散系数更大，扩散速度更快。在相同工艺条件下，坡口根部间隙为10mm和12mm均可满足对于铝合金焊丝熔敷金属客观科学的检验要求，但是考虑最大限度减少焊接工作量，提高检验效率，建议采用坡口根部间隙为10mm进行铝合金焊丝熔敷金属质量的检验。
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