浅探铝合金的焊接特点及其施工要点

了铝合金的焊接事项，同时例举了铝合金的焊接（缸盖、铝缸体）施工作业实例。关键词：铝合金焊接特点施工要点1引言铸极氮弧焊TIG。它是在氮气的保护下利用铸电

众所周知,铝是银白色的轻金属，具有良好的

极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的 塑性、较高的导电性和导热性，同时还具有抗氧化 一种焊接方法。该焊机工作时由于交流电流的极

和抗腐蚀的能力。高强铝合金具有较高的比强度、

性是在周期性的变换，在每个周期里半波为直流 比刚度，良好的耐腐蚀性能、加工性能和力学性能,

正接，半波为直流反接。正接的半波期间钩极可以

已成为汽车、航空航天、舰船等载运领域结构轻量 发射足够的电子而又不致于过热有利于电弧的稳 化制造不可或缺的金属材料，其中汽车、飞机应用

定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容

最多。铝极易氧化产生三氧化二铝薄膜，在焊缝中 易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊 容易产生夹杂物，从而破坏金属的连续性和均匀 缝。铝合金的焊接技术有如下特点：性，降低其机械性能和耐腐蚀性能。焊接技术在提

1）铝合金与氧的亲和力很强。在空气中极易

高结构材料利用率、减轻结构重量、实现复杂及异

与氧结合生成致密而结实的氧化铝薄膜，厚度约

种材料整体结构低成本制造方面独具优势，其中 为0.1 pm,熔点高达2050七，远远超过铝及铝合 铝合金激光焊接技术更是倍受关注的热点，值得

金的熔点,而且密度很大，约为铝的1.4倍。在焊接 业内人士的重视。过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合,

2 铝合金的焊接技术特点并易造成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促 铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能 使焊缝形成气孔。这些缺陷都会降低焊接接头的

好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广

性能。为了保证焊接质量,焊前必须严格清理焊件 泛地应用于各种焊接结构产品中，采用铝合金代替

表面的氧化物,并防止在焊接过程中再次氧化，对 钢板材料焊接，结构重量可减轻50%以上。目前市 熔化金属和处于高温下的金属进行有效地防护，

场上焊接产品种类较多，一般情况下宜采用交流

这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。轻型汽车技术2019（7）制造工艺及设备692） 铝合金的导热率和比热大。导热快尽管铝

清理后的母材及焊丝最好在2~3小时内焊接完

及铝合金的熔点远比钢低，但是铝及铝合金的导 毕，最多不超过24ho热系数、比热容都很大，比钢大一倍多,在焊接过

5）铝合金挤压型材在腐蚀处理或阳极氧化处

程中大量的热能被迅速传导到集体金属内部，为

理后，表面出现或明或暗且平行于挤压方向的白 了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功 色线纹，该线纹一般称作焊合条纹。焊合条纹不会 率大的热源,8mm及以上厚板需采用预热等工艺

降低型材的力学性能，但出现焊合条纹的地方与

措施，才能够实现熔焊过程。型材表面其他地方形成较大色差，严重影响装饰 3） 铝合金车体的线膨胀系数大。铝及铝合金

面外观，难以被用户所接受。消除铝型材表面焊合

的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时体积收缩率

条纹是需要研究的重点问题。铝合金型材是将铝 达6.5%-6.6%,因此易产生焊接变形。防止变形 合金棒通过挤压模具热挤压成型生产的。大部分

的有效措施是除了选择合理的工艺参数和焊接顺 的焊合条纹出现于空心型材，因为在挤压过程中 序外，采用适宜的焊接工装也是非常重要的,焊接

铝合金圆铸锭被分流模具分成若干股铝合金流，

薄板时尤其如此。另外，某些铝及铝合金焊接时， 随后在模具焊合室内几股铝合金流又在挤压力下

在焊缝金属中形成结晶裂纹的倾向性和在热影响 焊合在一起流出模孔形成空心型材。在此过程中，

区形成液化裂纹的倾向性均较大，往往由于过大 焊合压力、铝合金流流动状态、挤压温度和挤压速 的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹，这是

度等因素都影响着焊合条纹的产生。铝合金，尤其是高强度铝合金焊接时最常见的严

3铝合金的焊接难点及其焊接工艺重缺陷之一。在实际焊接现场中防止这类裂纹的 1） 铝合金的焊接难点如下:铝合金焊接接头软

措施主要是改进接头设计，选當合理的焊接工艺

化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最 参数和焊接顺序，采用适应母材特点的焊接填充 大障碍；铝合金表面易产生难熔的氧化膜（A12O3 材料等。熔点为2060乜）,这就需要采用大功率密度的焊接

4） 铝合金部件焊接时容易形成气孔。焊接接

工艺;铝合金焊接容易产生气孔;铝合金焊接易产 头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺 生热裂纹;线膨胀系数大，易产生焊接变形;铝合金

陷,尤其是纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及铝合金 热导率大，相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材

焊接时产生气孔的主要原因，这已经为实践所证 大2 ~ 4倍。因此，铝合金的焊接要求采用能量密度

明。氢的来源，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材

大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。料及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧 2） 铝合金在高温时的强度和塑性低铝在

化膜的吸附水分,对焊缝气孔的产生，常常占有突 370七时强度仅为lOMPa,焊接时会因为不能支撑

出的地位。铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气

住液体金属而使焊缝成形不良，甚至形成塌陷或

孔，在高温下溶入的大量气体，在由液态凝固时, 烧穿。为了解决这个问题，焊接铝及铝合金时常常 溶解度急剧下降，在焊后冷却凝固过程中气体来 要采用垫板。铝及铝合金焊接时无色泽变化，给焊

不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。为了防止气 接操作带来困难。针对铝合金焊接的难点,近些年 孔的产生，以获得良好的焊接接头,对于氢气的来 来提出了几种新工艺，在交通、航天、航空等行业得 源要加以严格控制，焊前必须严格所使用的 到了一定应用，几种新工艺可以很好地解决铝合金

焊接材料的含水量,使用前要严格进行干燥处理,

70 制造工艺及设备焊接的难点，焊后接头性能良好，并可以对以前焊

轻型汽车技术2019（7）压力，反面要求有垫板;焊后端头形成一个搅拌头

接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。常见铝合金的焊接工艺如下：几乎各种焊接 方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合 金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法

残留的孔洞，一般需要补焊上或机械切除;搅拌头 适应性差，不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅 拌头，且搅拌头磨损快;工艺还不成熟,目前限于结

构简单的构件，如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦

有其各自的应用场合。焊工艺参数简单，主要有搅拌头的旋转速度、搅拌 头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。3） 铝合金的搅拌摩擦焊接搅拌摩擦焊FSW

是由英国焊接研究所TWI1991年提出的新的固 态塑性连接工艺。其工作原理是用一种特殊形式

5）铝合金的激光焊接铝及铝合金激光焊接技

术是近10年来发展起来的一项新技术，与传统焊

的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转 与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处 于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端

接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条 件及效率高等特点。焊接过程易于集成化、自动

化、柔性化，可实现高速高精度焊接,特别适合复 杂结构的高精度焊接。其功率密度大、热输入总量

向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。由于搅 拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连

低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形 小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理 铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极 大地降低热输入,从而可提高生产效率，改善焊接

接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊

接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高

强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材 料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面

质量。激光焊接技术在工业中所占比重已成为衡 量一个国家工业加工水平高低的重要标志，激光

研究应用较多。国外已经进入工业化生产阶段。4） 铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和

动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，无熔焊的树 枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元 素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统

焊接是铝合金焊接技术的重要发展方向。随着激 光技术和铝合金研制技术的发展，进一步开展铝

合金激光焊接应用技术基础研究、开发铝合金激

光焊接新工艺，更有效地拓展铝合金激光焊接结

熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和 保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加 热温度低，焊接热影响区显微组织变化小。焊后的

构的应用潜力。4 铝合金的焊接事项铝合金是以铝为基体元素和加入一种或多种

残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本 不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的

合金元素组成的合金。由于钩极氮弧焊焊热能 比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接 头的强度和塑性较高,接头质量较优，所以是焊接

,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝

合金要求对表面进行去除氧化膜，并在48h内进 行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即 可，并对装配要求不高,并且搅拌摩擦焊比熔化焊

铝合金最常用的方法。另外在焊接铝合金时，还需

要注意以下的问题和事项：1）铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的

节省能源、污染小。搅拌摩擦焊铝合金也存在一定 的缺点：铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;

A12O3膜薄，厚度约O.lpim。A12O3的熔点高达

2050T,远远超过铝及铝合金的熔点（约660七）,而

且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化

焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的

轻型汽车技术2019（7）铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹 渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成

气孔。因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物， 并加强焊接区域的保护。2） 铝合金的热导率和比热容均为碳素钢和低

合金钢的2倍多；铝的热导率是奥氏体不锈钢的

十几倍。铝凝固时的体积收缩率较大达6.5% ,而 铁为3.5%。熔融铝合金高温时强度低，如果工艺

措施不当，焊缝及近缝区在冷却过程中还会产生 很大的焊接应力、拘束应力及热应力。因而，铝焊

接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高 的内应力。在焊焊接过程中，大量的热量被迅速

传导到基体金属内部，熔池形成困难，常用调整焊 丝成分的方法来防止产生热裂纹。焊接铝及铝合 金比钢要消耗更多的热量，焊前常需采取预热等

工艺措施。3） 铝合金焊接熔池金属由固态变成液态时，

没有明显的色泽变化，这和钢在临熔化前呈现红 色不一样，会给焊操作带来不便。不能准确判断

坡口母材在什么时候开始熔化，熔融的铝表面张

力小、强度低、流动性好，从而易造成焊缝金属的 塌陷或烧穿。因此，要求铝焊接操作者有更熟练的

操作技能，善于利用熔池表面的微小变化来判断

铝的加热温度。4） 铝合金材料形成气孔的气体是氢，氢在液

态铝中的溶解度为0.7mI7100g,而在660七凝固温 度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g,使原来溶解

于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝和

铝合金的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，

加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气 泡往往来不及逸出，留在焊缝内成为气孔。弧柱气

氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的 水分都是氢的主要来源，因此焊前必须严格做好

焊件的表面清理工作。铝及铝合金的热影响区由 于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法

制造工艺及设备71达到等强度。纯铝及非热处理强化铝合金接头的

强度约为母材的75% ~ 100%；热处理强化铝合金

的接头强度较小，只有母材的40% ~ 50%0铝及铝 合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所

以不易判断母材温度，施焊时常会因温度过高无

法察觉而导至焊穿。5）铝合金中含有低沸点的元素，如镁、锌、猛

等，在高温电弧作用下，极易蒸发烧损，从而改变 焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降;铝合金液

体熔池很容易吸收氢等气体，高温下溶入的大量

气体在焊焊后冷却凝固过程中来不及析岀，聚 集在焊缝中会形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接

材料及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，焊接前对母材坡口与焊丝 进行清理是很有必要的。焊接铝合金后清理工作

的要求:在热水中用硬毛刷仔细地洗刷焊接接头。 将焊件在温度为60 ~ 80*、质量分数为2% ~ 3% 的锯肝水溶液或重锯酸钾溶液中浸洗约5 ~

lOmin,并用硬毛刷仔细洗刷。或者将焊件放于 15~20七质量分数为10%的溶液中浸洗

10 ~ 20min;在热水中冲刷洗涤焊件;将焊件用热

空气吹干或在100七干燥箱内烘干。5铝合金的焊接（缸盖、铝缸体）施

工作业实例1）铝合金焊接的方法有多种，如：交流TIG、

MIG.MMA及火焰熔焊等焊接方式;如果从焊接效

率来说，应如下排序:MIG-MMA-火焰熔焊、交流

TIG;如果从焊接质量排序:交流TIG、MIG、MMA、

火焰熔焊；因为MMA与火焰熔焊容易残留铝焊

剂,焊剂对工件是具有腐蚀性的，所以说现在使用 的越来越少了，而MIG焊接虽然效率比交流TIG

焊接的效率高很多倍，但是由于气孔倾向要比

TIG焊接方式严重一些，所以目前如果首先考虑

焊接质量也就是合格率的话，首推交流TIG焊接

方法。72 制造工艺及设备轻型汽车技术2019(7)2) 以缸盖、铝缸体为例，铝合金的焊接施工作

物去掉，用汽油清除干净;壁厚在5mm以上时，最

业前必须清洗，保证表面无氧化物油污。焊前清理 好开坡口；用焊烧除油污后再用钢丝刷使其露

的目的是去除焊件表面的氧化膜和油污，这是防

出金属光泽。将铝2094)4mm焊条，烘(约1.5h)至

止产生气孔、夹渣的重要措施。150七待用。若无烘箱，在火炉或电炉上离火约

(1) 化学清洗效率高、质量稳定、适用于清理

70mm高处，放一块比所用焊条宽一倍、长

焊丝及尺寸不大、成批生产的焊件。350mm、厚2mm铁皮，放上焊条后再盖上一块较

(2) 机械清理先用有机溶剂(丙酮、松香或汽

薄的铁皮，经常翻动焊条,烘烤约2h即可,随用随 油)擦拭焊件表面的油污,然后用细铜线刷至表面 取。露出金属光泽，或者用刮刀清理表面。清理后的焊

6结束语件应在4h内施焊，否则应重新清理。铝及铝合金材料密度低，强度高，热电导率 3) 铝缸盖经长期使用后，由于受冷却水(液)的

高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性 化学腐蚀，往往在水口附近发生金属剥落。有的缸

能，因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。随着 盖在燃烧室顶部和鼻梁之间以及水口和螺栓孔之

材料技术的发展，各种高强高韧铝合金不断推出，

间会岀现裂缝。由于铸铝缸盖材质较软，缸盖上的 尤其是第三代铝锂合金、新型高强铝合金的出现, 连接螺纹也易滑扣。出现上述损坏现象后，需用气

对铝合金激光焊接技术提出了更多更高的要求，

焊焊修。同时铝合金的多样性也带来了各种各样的激光焊

4) 焊修铝件采用铝焊条，铝焊条可以自做，方

接新问题,所以必须深入研究这些问题，才能更有 法是:先做一铁勺，勺口上焊一半圆形铁片，在铁

效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力。片下方的勺壁上钻一小孔。将废活塞或与焊铸件 参考文献成分相同的废铸件砸碎后放在铁勺内，用焊炬加

1 任宏.关于铝合金焊接技术的应用分析[)].

热至全部熔化，撇去上面的熔渣，将铁勺放在干净 中国金属通报,2016(5):62-62.的铁板上倾斜挪动，使熔化金属经小孔流出，形成

2张可可.铝合金焊接常见缺陷的产生原因

一根根焊条。焊条要随做随用，存放久了表层氧化 及质量控制措施{J}.广东科技,2016,25(6):49-50.会影响使用。此外，使用焊粉后熔渣会增多，也影

3 齐伟，袁荷伟.汽车车身板用铝合金焊接工

响焊修工作的顺利进行，所以不适宜使用焊粉。艺及其性能研究[J].铸造技术,2016(8):1720-1722.5) 铝缸体的焊接修复:若连接缸套的缸套筋

4陈亮,钟广军，茅寅敏.铝合金焊接焊缝气孔

断裂,应压出两相邻缸套;若座圈筋断裂，应去掉 产生的原因分析及预防措施[J].造船技术,2015⑶:

所镶两边圈座;若螺孔螺纹损坏,应先扩孔，将缸 79-84.体补焊处两侧约30mm范围内的油污、水分等杂