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[摘 要]薄铝焊接兼具了薄板焊接、金属铝焊接的难点和复杂性，是海内外焊接工艺领域普遍存在的一项技术难题。而薄铝焊接与一般的金属或合金材料的焊接又有很大的不同，因铝有着特殊的性质，焊接时容易出现很多其他材料没有的缺陷，需要采用有效的措施加以避免。本文将探讨薄铝焊接技术中的难点以及应对措施。
[关键词]薄铝；焊接；缺陷；措施
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0034-01
一、薄铝焊接的制造难点
由于薄铝本身性质特殊，造成了焊接过程中出现了很多难点。
1、薄板因为自身厚度特点，焊接时在短时间内局部受到加热和冷却的作用，就会形成分布不均的应力，这种应力产生纵向收缩对薄板的边缘产生一定压力，压力过高时就会造成焊接材料的波浪式变形，影响美观且降低了工件的质量，除此之外还会出现过烧、烧穿等严重的质量问题。
2、铝的活性很高，暴露在空气中的薄铝及其容易被氧化，生成厚度约0.1～0.2μm的三氧化二铝薄膜。氧化层的熔点很高，且易吸收水分，会在焊接时阻碍金属铝的熔合，极易产生气孔、夹渣、未熔合等焊缝瑕疵，从而引起焊缝性能下降。
3、氢在熔融状态的铝中溶解度很高，而凝固态的铝几乎不溶解氢，因此在焊接操作时铝熔化后溶解了大量氢气，但在熔池温度快速冷却与凝固过程中，氢不可能完全及时排出，极易在焊缝中聚集形成气孔。由于氢的来源比较广泛（有电弧焊气氛中的氢，薄铝板、焊丝表面氧化膜所吸附水分中的氢等），因此氢气孔难以完全避免。
4、金属铝的线膨胀系数和结晶收缩率都很大，约是普通钢材的两倍左右，这就使得它在焊接时易产生较大内应力，从而导致焊缝变形或形成裂纹。
5、高温状态下，铝的强度和塑性都很低，这就对焊缝处金属的重新成形造成极大的不良影响，有时还容易造成焊穿等瑕疵。
二、容易产生的缺陷及解决方案
1、裂纹
裂纹是指在焊接接头中由于局部的金属原子结合力遭到破坏，金属未能完全熔合而产生的缝隙。常见的裂纹有多种，根据形成原因可分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹等。裂纹是焊接结构中最危险最致命的一种缺陷，它不仅会使产品报废造成经济损失，而且还可能引起严重的安全事故。裂纹的产生主要是由于金属材料在焊接过程中局部受热不均匀，因此避免裂纹的出现就必须避免受热不均的现象，焊接前应正确设计焊接结构、合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处。
2、未熔合
未融合是一种面积型缺陷，会造成严重的应力集中现象，其危害仅次于裂纹。为避免未熔合现象的发生，焊接前应充分清洁焊接面，尤其要将薄铝表面的油污清理干净，焊接时采用较大电流、充分摆动焊枪，以加快焊接速度。
3、气孔
前面我们已经提到焊接接头中的气孔是薄铝焊接时极易产生的缺陷，想要防止产生气孔并获得质量良好的焊接接头，就必须严格防止氢气的掺入，水是氢的重要来源，因此焊前必须严格控制所使用的焊接材料的含水量，所有材料在使用前都要严格进行干燥处理，清理后的焊接材料需尽快完成焊接避免返潮。
4、烧穿和变形
薄铝焊接过程中另一个难题是烧穿和变形。烧穿和变形的成因只要是由于焊接过程中不均匀的加热和冷却，使焊件产生不平衡的应力，焊缝的纵向缩短对薄板边缘的压力超过薄铝的承受范围，影响焊件的外观。若采用能使外部夹紧力分布均匀的高质量夹具，就会在很大程度上减少薄铝边缘承受的压力，避免波浪式形变的产生。焊接薄铝时最关键的是要注意严格控制焊接接头上的线能量，尽量在不影响焊接质量的前提下尽可能减小热量产生，从而减小热影响区面积，避免烧穿和变形的出现。
三、控制焊接形變的措施
1、设计措施
（1）选择合理的焊缝尺寸
焊件的变形程度一般会随着焊缝尺寸变大而变大，但是过小的焊缝尺寸也会影响结构的承载能力，同时造成焊接接头的冷却速度过快，进而造成热影响区硬度变高产生裂纹等缺陷。因此应在满足其他条件和保证焊接质量的前提下，尽可能选用小的焊缝尺寸。
（2）尽量减少焊缝数量
在进行薄铝的焊接时，可用压型结构代替肋板结构，从而减少焊缝，也同时降低了薄铝焊接后变形的校正量，防止或减少焊后变形的发生。
（3）合理安排焊缝位置：
焊缝位置对焊件的变形也存在着巨大影响，焊缝对称于焊件截面的中性轴可减少弯曲变形，或使焊缝尽可能接近中性轴也可以起到同样作用。
（4）预留收缩余量：
焊件焊后不论在纵向还是横向都存在缩小变形，可通过对焊缝收缩量的估算、在设计时事先留出收缩余量等方法有效减少或避免。
（5）留出装焊夹具的位置：
焊夹具在焊接过程中可有效降低焊件的变形，因此是焊接操作中极为重要的器具。在结构设计时要注意留出焊夹具的作用位置，以便在焊接过程中利用夹具来减少或避免技术变形。
2、反变形法
（1）锅炉、集装箱的焊接具有一定难度，主要是因为它们的管接头都集中在顶部，顶部焊接操作更容易在焊后引起弯曲变形，所以要借用强制反变形的夹紧装置，并配以交替跳焊法进行操作，这主要是利用外力作用减少弹性变形，并配合以合理的受热的施焊顺序，这样焊后基本上可消除弯曲变形。
（2）桥式起重机的结构比较特殊，它的两根主梁是由左、右两块腹板和上、下两块盖板组成的特殊的箱型结构。梁内设有大、小肋板，用于提高主梁的刚性，且这些肋板焊缝大多集中在梁的上部，焊后极易引起下桡弯曲变形。但根据桥式起重机技术要求规定，主梁焊后必须有一定的上拱度，这与实际焊接的结果冲突。若在备料时就预先使两块腹板留出上拱度，就能够解决实际的焊后变形与技术要求之间的矛盾。
3、刚性固定法
为了强制焊件在焊接时不产生自由变形，可以在焊前对焊件采用外加刚性约束力。
（1）为减少焊接法兰时的角变形，可将两个法兰背对背地固定夹紧。
（2）薄板对接时在薄板四周使用压铁，可以防止薄板焊后产生的波浪变形。虽然在焊后外加拘束力去除后，焊件上仍会残留些许变形，但比原来要少得多，因此该方法能够在很大程度上阻止波浪变形的产生。
4、选择合理的装焊接顺序
装焊顺序对焊接质量也有很大影响。装焊顺序不当不仅会影响整个工序的顺利，更会危及最终焊接工程的质量。因此合理安排装焊顺序显得尤为重要，尤其是对于结构不对称的焊件，例如两人同时焊接如工字梁即可又快又好地完成焊接。当回复布置不对称时应该先焊焊缝少的一侧，因为先焊焊缝的变形大，然后再用另一侧多的焊缝引起的变形来抵消先焊焊缝引起的变形，可大为减少整体结构的变形。长焊缝焊接时，由于连续焊接对焊件长时间加热，直通焊的变形量最大，在其他条件允许的情况下，将连续焊改成断续焊，这就可以大幅减少焊缝与母材的塑性变形。
5、散热法
焊接过程中的热量也是引起焊件变形的罪魁祸首之一，这主要是由于受热面积过大导致。焊接时可用外部强迫制冷的方法将焊接区的热量导出（如喷水冷却等方法），迫使受热面积大为减小，就可以达到降低变形程度的目的。
可见，薄铝的焊接技术受到金属铝材料本身的性质以及薄板结构的制约，存在着诸多难题。但通过合理设计焊接的结构、尺寸、作业顺序等措施，可以减少甚至消除焊接过程中的缺陷，加工出符合要求的焊件。
参考文献：
[1]吴波， 吴波， 陈永盛. 铝合金薄板焊接变形控制技术探讨[J]. 2012年成都市科学技术年会， 2012.
[2]王中林， 杨晟， 石金发. 铝合金薄板激光焊接试验[J]. 激光杂志， 2011， 32（5）：46-47.
[3]占小红， 米高阳， 陶汪，等. 薄板铝合金激光深熔焊熔池流动数值模拟[J]. 焊接学报， 2013， 34（10）：34-37+117.
[关键词]薄铝；焊接；缺陷；措施
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0034-01
一、薄铝焊接的制造难点
由于薄铝本身性质特殊，造成了焊接过程中出现了很多难点。
1、薄板因为自身厚度特点，焊接时在短时间内局部受到加热和冷却的作用，就会形成分布不均的应力，这种应力产生纵向收缩对薄板的边缘产生一定压力，压力过高时就会造成焊接材料的波浪式变形，影响美观且降低了工件的质量，除此之外还会出现过烧、烧穿等严重的质量问题。
2、铝的活性很高，暴露在空气中的薄铝及其容易被氧化，生成厚度约0.1～0.2μm的三氧化二铝薄膜。氧化层的熔点很高，且易吸收水分，会在焊接时阻碍金属铝的熔合，极易产生气孔、夹渣、未熔合等焊缝瑕疵，从而引起焊缝性能下降。
3、氢在熔融状态的铝中溶解度很高，而凝固态的铝几乎不溶解氢，因此在焊接操作时铝熔化后溶解了大量氢气，但在熔池温度快速冷却与凝固过程中，氢不可能完全及时排出，极易在焊缝中聚集形成气孔。由于氢的来源比较广泛（有电弧焊气氛中的氢，薄铝板、焊丝表面氧化膜所吸附水分中的氢等），因此氢气孔难以完全避免。
4、金属铝的线膨胀系数和结晶收缩率都很大，约是普通钢材的两倍左右，这就使得它在焊接时易产生较大内应力，从而导致焊缝变形或形成裂纹。
5、高温状态下，铝的强度和塑性都很低，这就对焊缝处金属的重新成形造成极大的不良影响，有时还容易造成焊穿等瑕疵。
二、容易产生的缺陷及解决方案
1、裂纹
裂纹是指在焊接接头中由于局部的金属原子结合力遭到破坏，金属未能完全熔合而产生的缝隙。常见的裂纹有多种，根据形成原因可分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹等。裂纹是焊接结构中最危险最致命的一种缺陷，它不仅会使产品报废造成经济损失，而且还可能引起严重的安全事故。裂纹的产生主要是由于金属材料在焊接过程中局部受热不均匀，因此避免裂纹的出现就必须避免受热不均的现象，焊接前应正确设计焊接结构、合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处。
2、未熔合
未融合是一种面积型缺陷，会造成严重的应力集中现象，其危害仅次于裂纹。为避免未熔合现象的发生，焊接前应充分清洁焊接面，尤其要将薄铝表面的油污清理干净，焊接时采用较大电流、充分摆动焊枪，以加快焊接速度。
3、气孔
前面我们已经提到焊接接头中的气孔是薄铝焊接时极易产生的缺陷，想要防止产生气孔并获得质量良好的焊接接头，就必须严格防止氢气的掺入，水是氢的重要来源，因此焊前必须严格控制所使用的焊接材料的含水量，所有材料在使用前都要严格进行干燥处理，清理后的焊接材料需尽快完成焊接避免返潮。
4、烧穿和变形
薄铝焊接过程中另一个难题是烧穿和变形。烧穿和变形的成因只要是由于焊接过程中不均匀的加热和冷却，使焊件产生不平衡的应力，焊缝的纵向缩短对薄板边缘的压力超过薄铝的承受范围，影响焊件的外观。若采用能使外部夹紧力分布均匀的高质量夹具，就会在很大程度上减少薄铝边缘承受的压力，避免波浪式形变的产生。焊接薄铝时最关键的是要注意严格控制焊接接头上的线能量，尽量在不影响焊接质量的前提下尽可能减小热量产生，从而减小热影响区面积，避免烧穿和变形的出现。
三、控制焊接形變的措施
1、设计措施
（1）选择合理的焊缝尺寸
焊件的变形程度一般会随着焊缝尺寸变大而变大，但是过小的焊缝尺寸也会影响结构的承载能力，同时造成焊接接头的冷却速度过快，进而造成热影响区硬度变高产生裂纹等缺陷。因此应在满足其他条件和保证焊接质量的前提下，尽可能选用小的焊缝尺寸。
（2）尽量减少焊缝数量
在进行薄铝的焊接时，可用压型结构代替肋板结构，从而减少焊缝，也同时降低了薄铝焊接后变形的校正量，防止或减少焊后变形的发生。
（3）合理安排焊缝位置：
焊缝位置对焊件的变形也存在着巨大影响，焊缝对称于焊件截面的中性轴可减少弯曲变形，或使焊缝尽可能接近中性轴也可以起到同样作用。
（4）预留收缩余量：
焊件焊后不论在纵向还是横向都存在缩小变形，可通过对焊缝收缩量的估算、在设计时事先留出收缩余量等方法有效减少或避免。
（5）留出装焊夹具的位置：
焊夹具在焊接过程中可有效降低焊件的变形，因此是焊接操作中极为重要的器具。在结构设计时要注意留出焊夹具的作用位置，以便在焊接过程中利用夹具来减少或避免技术变形。
2、反变形法
（1）锅炉、集装箱的焊接具有一定难度，主要是因为它们的管接头都集中在顶部，顶部焊接操作更容易在焊后引起弯曲变形，所以要借用强制反变形的夹紧装置，并配以交替跳焊法进行操作，这主要是利用外力作用减少弹性变形，并配合以合理的受热的施焊顺序，这样焊后基本上可消除弯曲变形。
（2）桥式起重机的结构比较特殊，它的两根主梁是由左、右两块腹板和上、下两块盖板组成的特殊的箱型结构。梁内设有大、小肋板，用于提高主梁的刚性，且这些肋板焊缝大多集中在梁的上部，焊后极易引起下桡弯曲变形。但根据桥式起重机技术要求规定，主梁焊后必须有一定的上拱度，这与实际焊接的结果冲突。若在备料时就预先使两块腹板留出上拱度，就能够解决实际的焊后变形与技术要求之间的矛盾。
3、刚性固定法
为了强制焊件在焊接时不产生自由变形，可以在焊前对焊件采用外加刚性约束力。
（1）为减少焊接法兰时的角变形，可将两个法兰背对背地固定夹紧。
（2）薄板对接时在薄板四周使用压铁，可以防止薄板焊后产生的波浪变形。虽然在焊后外加拘束力去除后，焊件上仍会残留些许变形，但比原来要少得多，因此该方法能够在很大程度上阻止波浪变形的产生。
4、选择合理的装焊接顺序
装焊顺序对焊接质量也有很大影响。装焊顺序不当不仅会影响整个工序的顺利，更会危及最终焊接工程的质量。因此合理安排装焊顺序显得尤为重要，尤其是对于结构不对称的焊件，例如两人同时焊接如工字梁即可又快又好地完成焊接。当回复布置不对称时应该先焊焊缝少的一侧，因为先焊焊缝的变形大，然后再用另一侧多的焊缝引起的变形来抵消先焊焊缝引起的变形，可大为减少整体结构的变形。长焊缝焊接时，由于连续焊接对焊件长时间加热，直通焊的变形量最大，在其他条件允许的情况下，将连续焊改成断续焊，这就可以大幅减少焊缝与母材的塑性变形。
5、散热法
焊接过程中的热量也是引起焊件变形的罪魁祸首之一，这主要是由于受热面积过大导致。焊接时可用外部强迫制冷的方法将焊接区的热量导出（如喷水冷却等方法），迫使受热面积大为减小，就可以达到降低变形程度的目的。
可见，薄铝的焊接技术受到金属铝材料本身的性质以及薄板结构的制约，存在着诸多难题。但通过合理设计焊接的结构、尺寸、作业顺序等措施，可以减少甚至消除焊接过程中的缺陷，加工出符合要求的焊件。
参考文献：
[1]吴波， 吴波， 陈永盛. 铝合金薄板焊接变形控制技术探讨[J]. 2012年成都市科学技术年会， 2012.
[2]王中林， 杨晟， 石金发. 铝合金薄板激光焊接试验[J]. 激光杂志， 2011， 32（5）：46-47.
[3]占小红， 米高阳， 陶汪，等. 薄板铝合金激光深熔焊熔池流动数值模拟[J]. 焊接学报， 2013， 34（10）：34-37+117.