劉成文，吳志遠(yuǎn)，左立杰，李國慶，陳范銘，朱文靜，賀毅強(qiáng)，陳勁松

(江蘇海洋大學(xué) 江蘇省先進(jìn)材料功能調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 連云港 222005)

0 引言

鋁合金因其優(yōu)異的耐腐蝕性、高強(qiáng)度比、高韌性等特點(diǎn)已成為海洋工程裝備研究的熱點(diǎn)材料之一。但高強(qiáng)韌耐腐蝕鋁合金由于焊接性能差，焊接工藝復(fù)雜，這嚴(yán)重限制了其在海洋工程裝備上的應(yīng)用，如船舶、鉆井平臺(tái)部件等。在科技發(fā)展和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)指引下，船舶行業(yè)迅速崛起，新的焊接技術(shù)不斷出現(xiàn)，焊接技術(shù)的進(jìn)步擴(kuò)大了鋁合金在海洋工程裝備上的應(yīng)用范圍。鋁及其他鋁合金材料的焊接方式已經(jīng)不再只是單純地局限于傳統(tǒng)的焊條式電弧焊、普通電弧焊、氣體保護(hù)焊等基本焊接工藝和方法，高質(zhì)量、高效率、低成本、低能源、低勞動(dòng)強(qiáng)度的焊接技術(shù)一度成為鋁合金焊接的研究方向[1]。

1 Al-Zn-Mg-Cu系合金特性及應(yīng)用

純鋁的強(qiáng)度較低，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用場景。在純鋁中加入適量的合金元素(如硅、銅、鎂、錳)，采用固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化等方法均可以提高其強(qiáng)度。其中，船用板材變形鋁合金的主要類型包括用于Al-Mg型體系的5A01，5A30，5A70以及用于Al-Zn-Mg型體系的7A19合金。Al-Zn-Mg合金具有中等強(qiáng)度、可焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)。Al-Zn-Mg合金中加入適量的Cu元素可大幅提高合金的塑韌性，尤其是耐腐蝕性能，但Cu元素的添加降低了合金的焊接性能。如果能解決Al-Zn-Mg-Cu的焊接難題，那么該合金勢必會(huì)成為海洋工程裝備輕量化設(shè)計(jì)的首選材料之一。

Al-Zn-Mg-Cu系合金是以Zn為主要強(qiáng)化元素，可經(jīng)熱處理強(qiáng)化的鋁合金。在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下，其強(qiáng)度可達(dá)400～800 MPa，又稱高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋁合金，如7A52，7075，7475等。它具有比強(qiáng)度高、加工性能好、斷裂韌性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工國防、軌道交通、造船等領(lǐng)域[2]。但焊接工藝和質(zhì)量尚存在一些難題，為此很多科研工作者在焊接工藝、成分設(shè)計(jì)等方面對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金進(jìn)行研究，進(jìn)而提高其焊接性能，以期可以將其穩(wěn)定地應(yīng)用在海洋工程裝備上。

2 Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接的難點(diǎn)

Al-Zn-Mg-Cu系合金的熱裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重，而焊接需要在高溫下進(jìn)行，因此，對(duì)于熱裂嚴(yán)重的合金其焊接性能往往也差強(qiáng)人意。劉國永[3]采用熔化極氣體保護(hù)電弧焊工藝對(duì)T6態(tài)的Al-5Zn-Mg-Cu合金板進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)焊縫處的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和斷裂韌性等機(jī)械性能均低于母材，同時(shí)，焊縫邊緣區(qū)域組織的“過時(shí)效”致使熱影響區(qū)的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加[4]。

符建民等[5]采用鎢極氬弧焊工藝焊接對(duì)Al-4Zn-3Mg-Cu合金的研究發(fā)現(xiàn)，該鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的誘因如下：焊合合金中，有化學(xué)雜質(zhì)成分；不當(dāng)?shù)臋C(jī)加工裝配配合方法；焊接過程中不合理的工藝參數(shù)；不規(guī)范的焊接操作等。故需要有針對(duì)性地采取適當(dāng)方法來避免裂紋的產(chǎn)生。

由此可知，Al-Zn-Mg-Cu系合金傳統(tǒng)焊接的焊接頭性能較差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高難度焊件的焊接需求。Al-Zn-Mg-Cu系合金在海洋環(huán)境服役條件下存在著很多焊接問題，如焊縫存在氣孔導(dǎo)致開裂，雜質(zhì)成分會(huì)使鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋，以及海洋裝備材料中至關(guān)重要的抗應(yīng)力腐蝕性能差等。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，研究者開始嘗試使用新的焊接工藝，以期能夠解決該焊接難點(diǎn)問題。因此，新的焊接技術(shù)、焊接參數(shù)以及工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)、海洋工程裝備材料的成分優(yōu)化等，一度成為海洋工程裝備材料推廣應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

3 Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接技術(shù)發(fā)展方向

目前Al-Zn-Mg-Cu系合金應(yīng)用較為廣泛的焊接方法有熔化極氣體保護(hù)電弧焊(MIG焊)、電子束焊、激光焊和攪拌摩擦焊等[6]。

3.1 熔化極氣體保護(hù)電弧焊(MIG焊)

鋁合金焊接方式中應(yīng)用較為廣泛的是MIG焊，尤其是雙絲MIG焊。其特點(diǎn)在于去膜和熔敷效率好，并且所用的保護(hù)氣體為氬氣，具有時(shí)間和成本的優(yōu)勢。

張傳臣等[7]分別利用單、雙絲氣體保護(hù)焊對(duì)Al-5Zn-3Mg-Cu合金厚板進(jìn)行焊接。結(jié)果表明：雙絲焊接接頭可以有效地減少Zn元素的揮發(fā)，其焊接頭綜合性能均優(yōu)于單絲焊接工藝；且雙絲MIG焊的焊接速度相當(dāng)于普通單絲焊的2～4倍；熔敷效率也大大提高，是普通單絲焊的3倍。陶傳琦等[8]通過對(duì)15 mm厚的Al-5Zn-2Mg-Cu合金MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊的研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合焊接頭力學(xué)性能略高于MIG焊，同時(shí)焊接效率遠(yuǎn)高于MIG焊，且其焊接熱輸入低于MIG焊。

喬琳崴[9]采用Super-MIG機(jī)器人焊接系統(tǒng)，焊料為直徑1.2 mm的ER5356鋁硅焊絲；采用等離子-MIG復(fù)合焊接方法對(duì)4 mm厚的Al-6Zn-3Mg-2Cu合金進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)。通過查閱數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)焊接速度、MIG電流和等離子電流對(duì)Super-MIG的焊接參數(shù)都有影響，而焊接力矩高度則影響著等離子氣流速度，其他參數(shù)對(duì)其影響不大。梁媛媛等[10]采用單因素方法研究各參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。結(jié)果顯示，送絲速度和焊接速度對(duì)焊道幾何尺寸影響較為明顯；送絲速度提升，焊道余高和熔寬均增大，而焊接速度提升，焊道余高和熔寬則減小。這與王安平等[11]的研究結(jié)果吻合。王安平等[11]還得出結(jié)論：焊接電流由160 A增加到240 A時(shí)，焊縫熔深和熔寬均增加；電弧電壓由20.5 V增加到25 V時(shí)，焊縫熔寬逐漸增加，熔深變化很小。由此可以看出，影響焊縫成型質(zhì)量的主要參數(shù)是送絲速度、焊接速度、焊接電流和電弧電壓。

傳統(tǒng)的焊接方式被取代將是大勢所趨，很多學(xué)者已經(jīng)致力于探究更加先進(jìn)的焊接方法。類似于復(fù)合MIG焊的焊接方法也在不斷更新，勢必會(huì)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶用Al-Zn-Mg-Cu系合金的輕量化，相信對(duì)于Al-Zn-Mg-Cu系合金的MIG焊的探索會(huì)更進(jìn)一步深入。

3.2 電子束焊

電子束焊分兩大類，即真空和非真空電子束焊。應(yīng)用廣泛的是真空電子束焊。真空電子束焊的優(yōu)勢主要可概括為精準(zhǔn)、迅速、高功率、低密度、穿透性能強(qiáng)、可控制性好、防護(hù)效果佳。能量密度高可大幅降低熱影響范圍，提高焊接連續(xù)點(diǎn)的強(qiáng)度，從而防止熱裂紋等不良缺陷的出現(xiàn)；穿透性較強(qiáng)使其可用于各種材料的難以焊接的鋁合金厚板。因此，在航空、飛機(jī)和汽車制造等領(lǐng)域，對(duì)于質(zhì)量技術(shù)要求較高的一些鋁合金零部件，均可以采用這種焊接方法。如運(yùn)載火箭的貯盒殼體、汽車變速器傳動(dòng)齒輪等都會(huì)使用電子束焊[12]。

翟熙偉等[13]在20 mm厚Al-5Zn-3Mg-Cu合金的電子束焊接實(shí)驗(yàn)中，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在電壓 60 kV、電子束流120 mA、聚焦電流763 mA、焊接速度 800 mm/min的條件下，可得到良好的焊縫表面。

Wang等[14]對(duì)Al-8Zn-2Mg-2Cu合金電子束焊接接頭組織分別進(jìn)行了焊接熱處理、老化處理以及階梯式溶液處理。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱處理后焊接接頭的機(jī)械性能得到一定程度的提升，階梯式溶液處理對(duì)焊接接頭的強(qiáng)化作用要大于老化處理。

電子束焊的優(yōu)勢很多，但亦有一些弊端限制了其廣泛應(yīng)用。首先，真空環(huán)境中操作復(fù)雜，成本較高，而且真空室很大程度上限制了焊接工件的尺寸與形狀；其次，在焊接時(shí)電子束對(duì)于焊接位置的穩(wěn)定性不是很好，易引起焊接的位置錯(cuò)誤；再次，一旦受到電磁場的影響，焊接質(zhì)量會(huì)大大下降。此外，為了保障操作人員的安全，需要注意防護(hù)電子束焊時(shí)產(chǎn)生的X射線[15]。

3.3 激光焊

激光焊技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，其主要的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在3個(gè)方面：首先，能量密度高，穿透深，焊縫受到熱影響的區(qū)域小，變形小，接頭強(qiáng)度高；其次，生產(chǎn)速度快，效率高；最后，焊接工藝過程中可以通過自動(dòng)化及精密管理，實(shí)現(xiàn)針對(duì)密閉透明物體內(nèi)部的各種金屬材料的焊接[16]。由于鋁合金在空氣或電磁波輻射下對(duì)激光具有極高的反射力，且導(dǎo)熱性能較好，因此，鋁合金在激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷[17]。此外，鋁合金因高溫強(qiáng)度低，其焊縫在焊接中容易產(chǎn)生塌陷或接頭軟化等缺陷[18]。為了有效克服鋁及鋁合金材料在焊接工藝中的不足，針對(duì)激光焊接工藝國內(nèi)外均開展了大量研究[19]，開發(fā)出復(fù)合式激光焊、雙束式激光焊和超聲波振動(dòng)式激光焊[20]等方式。

馮聰?shù)萚21]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光等離子弧焊能很好地適應(yīng)板焊接中的間隙和錯(cuò)位。近年來，國外研究者也對(duì)激光焊作了大量探究。如Evdokimov等[22]在小孔激光焊接過程中發(fā)現(xiàn)，鋼和鋁在熔池中混合會(huì)生成復(fù)雜的異種組織，進(jìn)而引起焊接金屬力學(xué)性能的變化。還有學(xué)者采用真空激光焊接技術(shù)，以150 mm/min的速度，使用16 kW的激光兩道焊縫，生產(chǎn)了80 mm厚的SA5083級(jí)鋼。

激光焊接鋁合金因其優(yōu)勢突出[23]，在Al-Zn-Mg-Cu系合金中的應(yīng)用也十分普遍。焊接時(shí)熱輸入較小并且能夠保證熱源集中，特別是用光纖激光焊接鋁合金時(shí)，可以保證能量更加集中，激光波長卻更短，從而明顯改善了高反射現(xiàn)象[24]。陳超等[25]研究了Al-5Zn-3Mg-Cu合金激光焊接接頭的單級(jí)時(shí)效行為，確定了合理的單級(jí)時(shí)效工藝。結(jié)果表明，Al-5Zn-3Mg-Cu合金激光焊接焊縫和母材在不同溫度下達(dá)到峰值硬度所需的時(shí)間基本相同。當(dāng)老化溫度從120 ℃升高至160 ℃時(shí)，接頭時(shí)效硬化速度明顯加快，達(dá)到峰值硬度的時(shí)間明顯縮短。

采取該焊接技術(shù)有利于取代傳統(tǒng)的鋁合金焊接件，可以減少鋁合金板材厚度，從而達(dá)到輕量化和高強(qiáng)度的目的。此外，鋁合金對(duì)激光的反射效果明顯，為了保證有效熔深，通常選用較大功率的參數(shù)進(jìn)行焊接，這進(jìn)一步惡化了焊縫的元素?fù)]發(fā)現(xiàn)象[26]。采用激光電弧焊可以改善這一缺點(diǎn)，并保留激光焊的優(yōu)勢，將激光和電弧這兩種物理機(jī)制、能量傳輸機(jī)制均不相同的熱源結(jié)合在一起，使其既具有激光的高能量密度，也具有電弧的高輸入熱量。張德芬等[27]對(duì)比研究了鋁合金激光焊和激光-MIG電弧復(fù)合焊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光-電弧復(fù)合焊的抗拉強(qiáng)度高、鋪展性好、焊縫晶粒更均勻、細(xì)小程度更好。王旭[28]對(duì) Al-8Zn-2Mg-Cu鋁合金進(jìn)行激光電弧焊接，并對(duì)焊接接頭采用475 ℃×1 h固溶+120 ℃×24 h時(shí)效處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫區(qū)抗拉強(qiáng)度提高，延伸率也提高。

3.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊通過安裝在攪拌摩擦焊機(jī)主軸上的攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，然后逐漸下壓至待焊金屬板接縫中心處，此時(shí)攪拌頭與金屬板相接觸從而產(chǎn)生劇烈摩擦及材料的塑性變形產(chǎn)熱，使攪拌頭攪拌區(qū)域的金屬溫度上升、軟化，從而達(dá)到高塑性狀態(tài)[29]。

國內(nèi)外學(xué)者和研究人員對(duì)不同類型鋁合金的攪拌摩擦焊作了大量研究，取得了豐碩的成果[30]。如黎俊初等[31]對(duì)Al-6Zn-3Mg-2Cu合金鋼筋FSW焊件與非保溫鋼筋焊件的研究，將二者同時(shí)進(jìn)行180 ℃受熱作用時(shí)效優(yōu)化處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)同等溫度工藝保溫加熱條件處理后，非保溫鋼筋焊件對(duì)其回拉反彈率、抗拉動(dòng)力強(qiáng)度以及抗拉伸長率程度均明顯高于所參加受熱條件處理后的保溫鋼筋和焊接頭。

李然等[32]對(duì)外徑為110 mm、厚度為17 mm的Al-6Zn-3Mg-2Cu合金液壓油缸進(jìn)行了環(huán)形焊接試驗(yàn)，得到了內(nèi)部無缺陷且成形良好的焊接接頭，再對(duì)其進(jìn)行了拉伸、硬度、金相組織等測試分析。結(jié)果表明：焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為360 MPa，可達(dá)母材的66%；焊縫組織分區(qū)明顯，焊核區(qū)為再結(jié)晶等軸晶粒，明顯細(xì)化，熱影響區(qū)組織發(fā)生變形，并受熱粗化；焊接接頭硬度分布呈“W”形，焊核區(qū)頂部硬度達(dá)到了母材硬度，前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)處硬度最低。

馮瑩瑩等[33]對(duì)Al-6Zn-3Mg-2Cu合金焊接過程溫度場與流場的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：焊接過程中，焊接溫度是后退側(cè)低于前進(jìn)側(cè)，材料流速是前進(jìn)側(cè)低于后退側(cè)，焊縫的最高溫度出現(xiàn)在肩緣內(nèi)側(cè)。焊接后上述鋁合金的力學(xué)性能得到改善。另外，當(dāng)焊接壓力和速度減小時(shí)，相應(yīng)的焊接速度也相應(yīng)降低，這樣可以提高焊縫成型性。消除表面溝槽缺陷可以通過提高焊接壓力或提高轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，而消除內(nèi)孔缺陷可通過降低轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

攪拌摩擦焊的固態(tài)特性導(dǎo)致了熔焊過程中常見的氣孔、溶質(zhì)重分布、凝固裂紋和液化裂紋等缺陷[34]。針對(duì)這些缺陷，目前主流的優(yōu)化研究方法有超聲波輔助、表面改性等。超聲波輔助攪拌摩擦焊能改善焊縫成形，使接頭內(nèi)部的孔洞以及隧道缺陷大幅度減少。山東大學(xué)采用焊接工件表面加載超聲波方法進(jìn)行攪拌摩擦焊，是國內(nèi)較早開展超聲波攪拌摩擦焊的單位[35]。國內(nèi)還有學(xué)者提出了在待焊工件底部和背板施加超聲能量的方法[36-37]，均獲得了不錯(cuò)的效果，在實(shí)際操作時(shí)，嘗試調(diào)整超聲施加的位置，可以達(dá)到更好的效果。金玉花等[38]采用滾動(dòng)軋制對(duì)Al-6Zn-2Mg-2Cu鋁合金攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行雙面滾壓，接頭表層晶粒明顯細(xì)化，細(xì)晶強(qiáng)化層深達(dá)200 μm，殘余應(yīng)力得到改善。Terumasa等[39]使用飛秒激光噴丸技術(shù)處理7075-T73鋁合金 FSW 接頭，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明疲勞壽命明顯提高。

Al-Zn-Mg-Cu系合金的攪拌摩擦焊具有零部件無任何焊接變形、殘余應(yīng)力較小、焊接接頭的整體綜合力學(xué)性能較好、成本低、適應(yīng)區(qū)域廣、焊接品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[40]。主要局限性則是由于焊接過程中的機(jī)械動(dòng)力較大，焊接的設(shè)備必須具有很好的機(jī)械剛性。攪拌式摩擦焊技術(shù)作為先進(jìn)的固態(tài)聯(lián)動(dòng)式連接加熱技術(shù)，其應(yīng)用得到特別重視，在現(xiàn)代化運(yùn)載加熱工具發(fā)展到高速化、輕型化的過程中，技術(shù)上的經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

4 總結(jié)與展望

(1) 通過大量實(shí)驗(yàn)得出，雙絲MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊比MIG焊更具有優(yōu)勢，在今后Al-Zn-Mg-Cu系合金焊接中的應(yīng)用也將更加廣泛。

(2) 在對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金的焊接研究方面，攪拌摩擦焊的研究最多，對(duì)電子束焊的研究較少，還需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，從而使Al-Zn-Mg-Cu系合金的焊接技術(shù)更加成熟。針對(duì)不同的合金系，找到并采取最優(yōu)的焊接方法。

(3) 鋁合金船體的焊接控制不僅包含鋁合金船體焊接的自身和工藝，而且還要掌握好焊接前的各個(gè)環(huán)節(jié)。唯有全面考量船用Al-Zn-Mg-Cu系合金在加熱焊接前、加熱中所遇到的各種問題，才能確保鋁合金船體加熱焊接后形狀尺寸穩(wěn)定。

(4) 我國船用鋁材工業(yè)化走過曲折道路，未來也將有著廣闊的市場前景。隨著我國鋁合金焊接工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，Al-Zn-Mg-Cu系合金在船舶工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛。隨著船舶用Al-Zn-Mg-Cu系合金的焊接方法與成果不斷創(chuàng)新，我國船舶焊接制造技術(shù)將不斷發(fā)展和進(jìn)步。