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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TWI 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ] 。其工作原理是用一种特殊形式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向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ] 。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,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研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

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铝合金是工业中应用广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。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，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用的合金，铝合金的焊接，也是焊接工作人员非常关注的内容。

纯铝分冶炼品和压力加工品两类，前者以化学成份Al表示，后者用汉语拼音LV（铝、工业用的）表示。铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类：

形变铝合金能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。 形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高力学性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高力学性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。

随着材料技术的发展，各种高强高韧铝合金不断推出，尤其是第三代铝锂合金、新型高强铝合金的出现，对铝合金激光焊接技术提出了更多更高的要求，同时铝合金的多样性也带来了各种各样的激光焊接新问题，所以必须深入研究这些问题，才能更有效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力。

大功率激光器

激光焊接是将高强度激光辐射至金属表面，通过激光与金属间热力耦合作用使金属熔化再冷却结晶形成焊缝的技术。根据激光焊接的热作用机制可分为热导焊和深熔焊两种，前者主要应用于精密零件的封装焊接或微纳焊接；后者在焊接过程中往往产生类似于电子束焊接的小孔效应，形成深宽比较大的焊缝。激光深熔焊接实现需要的激光功率高，该技术目前应用于激光深熔焊接的大功率激光主要有4种类型

铝合金激光焊接的特点

与常规熔化焊相比，铝合金激光焊接加热集中、焊缝深宽比大、焊接结构变形小，但是也存在一些不足，归纳起来有：

（1）激光聚焦光斑直径细小导致工件焊接装配精度要求高，通常装配间隙、错边量需小于0.1mm或板厚的10％，增大了具有复杂三维焊缝焊接结构的实施难度；

（2）由于室温条件下铝合金对激光的反射率高达90%，因而铝合金激光深熔焊接要求激光器具有较高的功率。铝合金薄板激光焊接研究表明：铝合金激光深熔焊接取决于激光功率密度和线能量双阈值，激光功率密度和线能量共同制约着焊接过程的熔池行为，并终体现到焊缝的成形特征上，对于全熔透焊缝的工艺优化可通过焊缝成形特征参量背宽比进行评价；

（3）铝合金熔点低，液体金属流动性好，在大功率激光作用下产生强烈的金属汽化，在焊接过程中伴随小孔效应所形成的金属蒸汽/ 光致等离子体云影响铝合金对激光能量的吸收，导致深熔焊接过程不稳定，焊缝易于产生气孔、表面塌陷、咬边等缺陷；

（4）激光焊接加热冷却速度快，焊缝硬度比电弧的高，但由于铝合金激光焊接存在合金元素烧损，影响合金强化作用，铝合金焊缝仍然存在软化问题，从而降低铝合金焊接接头的强度。因此铝合金激光焊接的主要问题是控制焊缝缺陷和提高焊接接头性能。