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铝合金厚板焊接问题被解决

2020-6-16 12:38:40点击:

  铝合金是工业中应用最广泛的有色金属材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶、建筑、装修及化学工业中已大量应用。材料技术的进步使铝合金材料得到了快速发展,迄今已经发展出航空铝合金、宇航铝合金、装甲铝合金、铝基复合材料等不同系列和品种。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展,对铝合金焊接结构件的需求日益增多,使用量仅次于钢,但铝合金物理性质造成的焊接问题也成为亟待攻克的重大难题。


图1 .中国铝合金产能走势
  在通常情况下,对于这些先进的铝合金材料,制造工艺一般不推荐甚至禁止使用熔焊进行连接。但是搅拌摩擦焊可以焊接所有系列的铝合金[2-3] (图2),从方法上彻底解决了铝合金材料的焊接问题。


图2. 不同系列铝合金材料可焊性对比
  铝合金特殊的物理性质决定,铝合金焊接难度大。因为铝合金表面有一种熔点为2060℃非常难熔的氧化膜;采用传统的熔化焊接方法,焊接时易产生气孔,还会造成焊接面产生裂纹;甚至容易造成产品变形;热导率大,焊接过程中还造成焊接接头软化。
  搅拌摩擦焊采取的是一种先进的固相连接工艺,与传统的熔化焊接方法相比较 ,搅拌摩擦焊具有晶粒细小 ,疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好、无尘烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小等优点。几乎成为一种完全为铝合金材质定制的焊接技术。


图3. 搅拌摩擦焊原理
  铝合金搅拌摩擦焊焊缝表面与机械铣削加工痕迹相类似,呈现周期性的波纹特征。焊缝的宽度与搅拌工具的轴肩直径相一致。铝合金材料搅拌摩擦焊缝的宏观显微组织一般具有典型的"洋葱环"状特征。根据焊缝区域晶粒的特点和所经历的物理冶金过程,搅拌摩擦焊接头一般具有4个特征区域,从焊缝中心到母材金属分别是:动态再结晶区、热-机影响区、热影响区、母材金属。其中动态再结晶区域的材料经历了高应变速率条件下的回复和再结晶过程,热-机影响区金属材料在热循环和摩擦压力条件下主要发生了晶粒的畸变和长大,并且是搅拌摩擦焊区别于熔焊的特征区域。


图4. 搅拌摩擦焊接船用宽幅铝合金带筋板
  对于所有系列的铝合金材料,搅拌摩擦焊工艺技术已经基本成熟,在焊接厚度上早期英国焊接研究所(TWI)已经实现了100mm 厚度以上铝合金结构可靠焊接。在中国,如今150mm大厚度铝合金搅拌摩擦焊的双面焊接技术也已经突破。


图5. 搅拌摩擦焊接实现80mm铝合金厚板焊接

图6.厚板115mm铝合金搅拌摩擦焊接剖面
  从焊接结构角度讲,一般认为搅拌摩擦焊是长、直焊缝(平板对接和搭接)的理想焊接方法,但是,实际上由于搅拌摩擦焊过程不存在被焊接材料的熔化,焊缝成形和质量不会受到焊缝或工件位置的影响,主要依靠设备来保证,搅拌摩擦焊可以实现全位置结构的焊接,如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊接。典型的搅拌摩擦焊接头形式包括板板对接、多层对接、多层搭接、T形接头、角接等。


图7. 搅拌摩擦焊接焊缝结构