学文网摘 要：综合分析了国内外高强铝合金的研究现状，综述了高强铝合金的焊接性，焊接方法及冶金性分析，并对高强铝合金的焊接发展进行了展望。
关键字：高强铝合金；焊接性；焊接方法
1 高强铝合金的发展现状
1.1 高强铝合金的发展与应用
铝及铝合金广泛地运用于汽车、船舶、航天、桥梁等行业中，薄板铝合金以前很难焊接，随着焊接设备和技术的发展，焊接方法的不断完善，铝及其合金有了更广泛的发展空间。随着铝及其合金在生产中的大量应用，其焊接质量要求也越来越高。高强铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，越来越多的国家开始研制高强铝合金[1]。国外超高强铝合金研制基本上是沿着高强度、低韧性高强度、高韧性高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展；随之的热处理状态开发则是沿着T6T73T76T736（T74）T77方向进展；在合金设计方面的特点是合金化程度越来越高，Fe和Si等杂质含量越来越低，微量过渡族元素添加越来越合理，最终在大幅度提高强度的同时保证合金具有优良的综合性能。
国内超高强铝合金的研究开发起步较晚。我国航空工业和其他国防工业大量应用的高强度铝合金主要仍为类似于B95和7075合金的LC4及LC9；对7050等高强度铝合金进行研究，大多仍着眼于提高合金的韧性及抗腐蚀性能，而它们的强度则大多仍维持在70752T6的水平上，甚至还有不同程度的降低。为了进一步提高合金强度，充分发挥高强度合金的减重潜力，20世纪80年代初，东北轻合金有限责任公司和北京航空材料研究所开始研制Al2Zn2Mg2Cu系高强高韧铝合金。目前在普通7xxx 系铝合金的生产和应用方面已进入到实用化阶段，合金主要包括7075，7175等，其产品用于各种航空航天器的结构件。20世纪90年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功了7A55 超高强铝合金及强度更高的7A60合金，东北轻合金有限责任公司近来采用传统方式成功生产出轧制板材用7055方铸锭。近年来，在国家攻关和863高技术项目的支持下，北京有色金属研究总院和东北轻合金有限责任公司开展了仿俄罗斯B96锖辖鸪煞值某咔？xxx系铝合金以及具有更高锌含量的喷射成形超高强铝合金的研制开发工作，分别采用喷射沉积和半连续铸造工艺，制成了各种尺寸的（模）锻件、棒材及无缝管材等，合金的抗拉强度已分别达到800～830MPa和630～650Mpa，延伸率分别达到8%～10%和4%～7%，基本上达到了国外90年代中期的水平[1]。
1.2 高强铝合金的性能特点
铝合金均为面心立方晶体结构，当温度降低时，它们不发生脆性转变，其强度、延性、韧度反而同步提升。高强铝合金是在硬铝合金的基础上添加了锌，这些元素可有限的固溶于铝中形成铝基固溶体，多余元素与铝形成一系列金属间化合物。通过淬火-时效热处理，可有效的控制合金元素在铝中的固溶度和化合物的弥散度，实现对合金力学性能的控制[2]。高强铝合金主要的性能特点有：
（1） 铝合金的化学性质活泼、极易氧化，在大气条件下，其表面可随时生成一层附着力强的和难熔的氧化膜，它对铝合金表面起防止进一步氧化和介质腐蚀的作用，因其耐蚀性好，可在不同气候条件下与液态的氢、氧、氮、天然气和重水、石油、浓硝酸等长期接触和相容。
（2） 合金的电导率高，适用于电力输配；热导率也高，适用于热交换。
（3） 铝合金的工艺性好，可以轧压、挤压、锻压、冲压、旋压，可制成各种截面形状的铝材和各种形状的型材。
（4） 高强铝合金具有高的比强度和比刚度、耐腐蚀性能好、无磁性、低温性能好以及良好的加工和力学性能。
（5） 高强铝合金具有高强度的同时还具有较高的塑性，主要特点是耐蚀性较差。
1.3 高强铝合金的应用领域
高强变形铝合金可分为非热处理型合金和热处理型合金，由于它具有高的比强度和硬度、良好的热加工性、优良的焊接性能、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点，宜做承受较大的结构材料，在当今的社会中广泛应用于交通运输、航天航空以及其它广泛领域。
1.3.1高强变形铝合金在交通中的应用
高速、节能、安全、舒适、环保是交通运输业的重要课题，而轻量化是实现上述目标的最有效途径。轻量化除了在设计上对设计结构、发动机等采用新的技术外，在材料上选用铝合金材料则是主要的对策。经过多年对比研究，设计师、强度师、工艺师、冶金师和经济师们得出一致结论：用铝材制作交通运输工具，特别是高速的现代化车辆和船舶，较之木材、塑料、复合材料、耐热钢和不锈钢等具有科学性、先进性和经济性，具体具有以下优点：一是交通运输工具自重大大减轻，在强度、刚性满足安全要求的同时，使用铝合金可大大减轻其自身重量，一般比钢质运输工具轻30%左右；二是运行性能好，节省牵引能耗；三是费用降低；四是便于制造。
1.3.2高强变形铝合金在航天航空领域的应用
铝合金是飞机和航天器轻量化的首选材料，它在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等；每辆空中客车上使用了180t厚铝板，大多数巡航导弹的壳体是用优质的铝合金制造的。目前，铝材在民用飞机结构上的用量为70%-80%，在***用飞机上用量为40%-60%。在最新的B777客机上，铝合金也占了机体结构质量的70%以上。在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料，在宇航开发初期，美国采用2014铝合金，后来由于自动焊接技术的开发与成熟，改用了2219合金，美国的雷神及土星-Ⅱ号火箭的燃料箱等都是用2219合金制造的。在我国，"神舟五号"、"神舟六号"载入宇宙飞船及"长征二号"捆绑式运载火箭等，其宇航员座舱的舱体及推进剂贮箱的箱体均为高强度铝合金焊接结构，它们已完成了运载中国太空人上天的壮举。
1.3.3变形铝合金在其他行业中的应用
其他方面随着计算机的飞速发展与普及，大大推动了铝材在电气工业上的应用。目前在邮电通讯设备、电子仪器及其零件部件、磁盘基板和壳体、各种电容器、光学器材、磁鼓以及家用电器等方面都广泛而大量地使用铝材，人们相继研制开发出多种不同品种、不同功能和性能、不同途径的新型铝合金及其加工材料，同时拓展了铝材的应用领域和消费量。同时在电气、包装、容器工业等领域铝合金的应用也是越来越广泛。因此变形铝合金尤其是超硬铝合金在未来的工业发展中有着非常优秀的发展前景，有待我们更加进一步的深入研究。
2 高强铝合金的焊接性分析
铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高（2050℃）、非常稳定、不易去除，它阻碍母材的熔化和熔合。氧化膜的密度大，不易浮出表面，易生成渣、未熔合、未焊透等缺陷。铝材的表面氧化膜还吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。另外氧化膜不导电，影响焊接电弧的稳定性。焊接前应采用化学或机械方法进行严格地表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程中要加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过"阴极雾化"作用，去除氧化膜[3]。
（1） 铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著。为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。
（2） 铝及铝合金的热膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的一倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、疏松、热裂纹及较大的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝-硅合金焊丝焊接除铝- 镁合金之外的其他铝合金[4]。
（3） 铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温下铝的强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
（4） 铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。由于铝的导热性好，所以在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料和母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
（5） 铝合金中有的合金化元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。
（6） 母材基体合金如为变形强化或固溶时效强化状态，焊接热会使热影响区的强度下降。
（7） 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒[5-7]。
3 高强铝合金的焊接方法
3.1 高强铝合金的搅拌摩擦焊
摩擦搅拌焊的焊接原理比较简单，其示意***见***1.1。焊接过程中，伸入母材的特型焊针和紧压母材的轴肩快速旋转，与母材产生大量的摩擦热，使得轴肩下面的特型焊针周围形成大量的塑化层，工件和特型焊针相对移动时，在焊针侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，焊针的前表面把塑化的材料移送到焊针后面。这样，焊针沿着接缝前进时，搅拌头的对面接头表面被摩擦加热、加压至超塑性状态。结果，特型焊针摩擦焊缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌头后方的磨碎材料，搅拌头后方的材料冷却后就形成焊缝[8-9]。
***1.1 摩擦搅拌焊焊接过程示意***
摩擦搅拌焊对于铝合金焊接有以下优点：
（1） 几乎无缺陷，焊接接头综合力学性能优异摩擦搅拌焊属固相焊接，在焊接铝合金时不会产生与熔化有关的缺陷，如气孔，裂纹等，相反，由于焊接过程中的快速机械搅拌作用，焊缝晶粒比母材的还要细小，并且没有明显热影响区，整个接头的综合机械性能几乎可以达到母材的水平。
（2） 焊后几天变形，残余应力小摩擦搅拌的焊接温度较低，焊后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多。
（3） 适应范围广，由于摩擦搅拌焊消除了熔化焊所形成的裂纹如液化裂纹，结晶裂纹，因此，可以很好的焊接热裂纹敏感材料，摩擦搅拌焊对于铝基复合材料的焊接也很有应用前景。
（4） 焊接成本低，摩擦搅拌焊设备虽然一次投入成本比较大，但开始生产后，其成本就很小。
（5） 缝质量对人的依赖程度很低，摩擦搅拌焊所需的工艺参数只有搅拌头的转速，焊接速度，压紧力及搅拌头的材料和结构四项，上述四个参数控制较简单，选择适当后，就可以得到质量非常高的的焊缝，因此大大降低了对技术人员和操作者的依赖[10]。
3.2 高强铝合金穿孔型等离子弧立焊
铝合金穿孔型等离子弧立焊示意***如***1.2所示。由于穿孔型等离子弧立焊可实现中厚板的单面焊、双面同时自由成形，并且气孔和夹杂物少，焊接变形小，生产率高，成本低，因而成为航天工业中重大铝合金部件的首选焊接方法。等离子焊时，熔池中液态金属受重力、等离子射流的正向压力和切向力、液体金属表面张力等。当等离子弧相对焊件向上移动时，在这些力的综合作用下，液态金属沿小孔边缘向下流动，并在穿孔下方重新愈合形成焊缝，使穿孔熔池得以动态保持，实现焊接。
3.3 高强铝合金钨极氩弧焊
目前钨极氩弧焊（TIG焊）已成为焊接铝及铝合金的重要方法，有手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊两种。可以焊接1-20mm的重要焊接结构。其主要优点是热量集中、电弧稳定、焊缝成形美观、组织致密，可获得优质接头。其中钨极脉冲氩弧焊是近20多年发展起来的一种新的焊接方法，它可明显地改善小电流焊接过程的稳定性，用这种方法焊成的焊件变形量小、接头区的热影响区小、接头质量高，特别适合薄板、全位置焊接。使用交流钨极脉冲氩弧焊时，更具有良好的电弧稳定性及"阴极破碎"作用。脉冲钨极氩弧焊采用经过调制的直流或交流脉冲电流，其电流幅值（或交流电流有效值）按一定频率呈周期性变化，脉冲电流时形成熔池，基值电流时熔池凝固，焊缝由多个焊点互相重叠而成。调节脉冲波形、脉冲电流幅值、基值电流、脉冲电流持续时间，可以控制焊接热输入，从而控制焊缝及热影响区的尺寸和质量，主要工艺特点是可精确控制工件的热输入和熔池尺寸，提高焊缝抗烧穿和熔池的保持能力，并能获得均匀的熔深；焊接过程中，熔池金属冷凝快，高温停留时间短，结晶方向得以调整，焊缝金属组织致密；加之脉冲电流对熔池的搅拌作用，可减少焊接裂纹产生的倾向，可以用较低热输入获得较大熔深，使焊接热影响区和焊接变形减小[11]。
4 高强铝合金的冶金性分析
高强变形铝合金的焊接接头可分为焊缝区，熔合区及热影响区三部分。
（1） 焊缝区
在电弧高温下，填充金属及待连接的母材边缘受热熔化，形成液态焊缝金属熔池，并随后冷却凝固，形成焊接接头的焊缝区。焊缝金属熔池结晶可有两种方式：外延结晶和自由结晶（或体积结晶）。
焊接工艺参数的改变可明显改变熔池凝固速率并从而改变焊缝金属的结晶形态。焊缝金属的成分取决于下列条件：母材及填充金属的成分及混合比例；合金元素在焊接过程中的损失；接头形式及其相关尺寸；焊接热输入[12]。
焊缝区是焊接接头的薄弱环节之一，与母材组织的最大区别是它具有铸造组织的特征，其强度、硬度和塑性均较母材低，因此焊缝正反面需有适当余高，以资补偿。
（2） 熔合区
在焊缝区与不熔化的母材（热影响区）之间必然存在一个过渡区。这个区域的化学成分和显微组织的特点非常复杂。熔合区由于焊接时温度高、加热及冷却快，易发生局部过热、偏析物集聚、晶界液化，因而易产生熔合区气孔、晶界液化裂纹、应力腐蚀开裂、熔合区晶界液化及沿晶裂纹。
此外，熔合区位于焊接接头因几何形状变化而造成应力集中的部位，如果焊缝成型不良，焊缝形状向母材急剧过渡，或出现咬边、边缘未熔合等工艺缺陷，则熔合区将发生严重应力集中，使焊接接头承载能力大幅降低。因此，熔合区是焊接接头最薄弱的环节，往往成为断裂失效的典型部位。
（3） 母材热影响区
焊接时未发生母材熔化的部分，在焊接热循环条件下，其不同部位受到不同的热影响，相当于经历不同的热处理，其组织和性能均发生不同于母材的变化，这部分木材称为热影响区。
焊接时母材的温度场分布极不均匀，离焊缝愈近的部位，其加热速度愈大，峰值温度愈高，冷却速度也愈大；反之，离焊缝愈远的部位，加热速度愈小。由于不同的热处理，在热影响区内即形成在组织和性能上互不相同的若干小区。影响各小区组织和性能的因素有：母材的种类及其物理冶金特点；母材焊前的状态及其原始组织；焊接方法、焊接工艺、焊接热输入[10]。
5 展望
在高强铝合金的连接技术中以MIG焊（熔化极惰性气体保护电弧焊）应用最广。焊接时由于熔化热的作用，极易产生热裂纹倾向大、气孔严重、夹渣等缺陷，造成焊后焊缝强度低和焊接废品铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量难以达到设计要求。因此限制了其在沿海地区的使用，探索新的焊接方法在高强铝合金构件材料中的应用，是非常必要和迫切的任务。
参考文献：
[1] 王国凡，罗辉，张元彬.钢结构连接方法及工艺[M].化学工业出版社，2005.
[2] 殷树言，徐鲁宁.熔化极气体保护焊的高效化研究[J].焊接技术，2000（12）：4-7.
[3] 周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4] 潘复生，张丁非.铝合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5] C. J. Dawes. An Introduction of Friction Stir Welding and Its Development[J].Welding and Metal Fabrication，1995，63（1）：13-16.
[6] R. S. Mishra， Z. Y. Ma. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering R， 2005， 50（1-2）：1-78.
[7] FU Gao-feng， TIAN Fu-quan，WANG Hong. Studies on softening of heat-affected zone of pulsed-current GMA welded Al-Zn-Mg alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2006， 180： 216220.
[8] 明珠，马新沛，王克鸿，等.厚板铝合金双丝气体保护焊工艺[J].焊接，2004，（10）：25-28.
[9] ***，王卫欣，赵******.7A52铝合金搅拌摩擦焊接头特征分析[J].兵器材料科学与工程，2004，（10）：38-42.
[10] 关桥，栾国红等.搅拌摩擦焊的现状与发展.中国机械工程学会焊接学会编：第十一次全国焊接会议论文集（第一册），2006， pp： D15-D29.
[11] L. Ivanchev， D. Wilkins， G. Govender， Proceedings of the Eighth International Conference on Semi-solid Processing of Alloys and Composites， Cyprus， September 21-23， 2004.
[12] ZHAO Jun-jun， WANG Wei-xin， CAI Zhi-hai， ZHANG Ping. Stress corrosion cracking susceptibility of 7A52 aluminum alloy [J]. Trans Nonferrous Met Soc China， 2006， 16： s1523s1527.
[13] 王涛，尹志民.高强变形铝合金的研究现状和发展趋势[J].稀有金属，2006，30（2）：197-202.