7075鋁合金棒如何焊接

❶ 焊接鋁都需要什麼條件

給你看看這個，是否能用

21世紀航天工業鋁合金焊接工藝技術展望

摘要：簡要回顧了航天工業鋁合金焊接技術的發展，並對國內外鋁合金在航天器上的應用情況進行了綜述和分析。介紹了鋁合金焊接技術的最新發展和應用前景，其中包括變極性等離子焊、局部真空電子束焊、氣脈沖焊接技術、攪拌摩擦焊、焊接修復技術以及焊接工藝裕度和焊接結構安全評定技術。

關鍵詞：鋁合金；焊接；航天

1 前 言

鋁合金不但具有高的比強度、比模量、斷裂韌度、疲勞強度和耐腐蝕穩定性，同時還具有良好的成形工藝性和良好的焊接性，因此成為在航天工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料。

例如，鋁合金是運載火箭及各種航天器的主要結構材料。美國的阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，太空梭氫氧推進劑貯箱、乘務員艙等也都採用了鋁合金作為結構材料。我國研製的各種大型運載火箭亦廣泛選用了鋁合金作為主要結構材料。

航天工業鋁合金焊接技術的發展和應用與材料的發展有著密切的聯系，本文將簡要回顧航天工業鋁合金焊接技術的發展並介紹幾種極有應用前景的鋁合金焊接工藝技術。

2 鋁合金焊接技術的發展

2.1 LD10CS鋁合金焊接回顧

早期的一些導彈和遠程運載火箭的推進劑貯箱結構材料主要採用Al�Mg系列合金，特別是退火和半冷作硬化狀態的LF3、LF6防銹鋁的應用最為普遍。這兩種鋁合金都具有優良的焊接性能〔1〕。�

隨著航天技術的發展，運載火箭的推進劑貯箱結構材料，從使用非熱處理強化的防銹鋁，轉變到使用可熱處理強化的高強度鋁合金。LD10CS合金已在多種大型運載火箭和固體導彈上獲得成功的應用。由於它的超低溫性能較好，因此在三子級的液氫、液氧推進劑貯箱上也獲得了應用。

需要指出的是LD10合金的焊接性能較差，焊接時形成熱裂紋的傾向較大，對焊接過程中的各種因素也比較敏感，焊接接頭的斷裂韌度較低，特別是當焊縫部位存在焊接缺陷時，液壓強度試驗時試驗件經常發生低壓爆破。

20世紀70年代，在研製LD10合金火箭推進劑貯箱初期，在焊接工藝方面曾遇到了極大的困難。在「三結合」攻關中發明的「兩面三層焊」工藝（正面打底、蓋面，背面清根封焊）使焊接接頭性能達到了設計要求。在LD10焊接生產實踐中總結得出：如果焊接接頭區的延伸率不小於3%，則焊接接頭的塑性可以滿足使用要求。在此後的許多年中，一直以「延伸率不小於3%」作為一個重要的驗收指標。�

幾十年來，焊接工藝主要是氬弧焊（TIG），包括手工氬弧焊和自動氬弧焊。從焊接工藝方面看，為了減少焊接結構的焊接殘余應力和變形，通常在焊接工藝選擇上都盡量減少焊接熱輸入量。特別是對於熱處理強化鋁合金，由於焊接熱過程的作用，在焊接熱影響區存在軟化區，塑性較好，強度較低。焊接接頭強度系數為0.5～0.7。�

為什麼LD10CS貯箱採用兩面三層焊工藝？理論分析和實踐結果表明，若不採用此焊接方法，就會造成LD10CS鋁合金焊接接頭塑性較差，且焊縫背面焊趾處易出現裂紋。兩面三層焊時，清根和封底焊可消除此種裂紋。同時由於熱輸入量較大，熱影響區發生不同程度的退火或過時效，使硬度降低，塑性提高，焊接拉伸試樣斷裂的位置是焊接軟化區。這樣在結構中，焊接接頭在復雜的應力狀態下以軟化區的塑性和變形補償了熔合區塑性的不足。但貯箱焊縫補焊後，有時仍發生低壓爆破。

由於兩面焊的特殊要求，限制了自動焊及焊接新技術（如真空電子束焊、變極性等離子焊等）的應用。這是因為，氬弧焊焊接熱輸入量比高能束的真空電子束焊要大，同時考慮到焊接接頭的結構承載適應能力，難以應用焊接熱輸入較為集中的焊接新技術，制約了焊接新技術的應用。�

在焊接生產中，鋁合金焊縫內常見的缺陷為焊縫氣孔。氫是鋁及其合金熔焊時產生氣孔的主要原因。基體金屬中含氫量、焊絲及基體金屬表面氧化膜吸附的水分以及弧柱氣氛中的水分都是焊縫氣孔中氫的重要來源。航天焊接工作者經過不懈的攻關和努力保證了航天焊接產品的交付和發射成功。但是，由於諸多因素和條件的限制，在生產中個別貯箱仍存在氣孔超差。�

在焊接材料方面，國外使用的是焊接專用板材，基體金屬的氫含量小於2×10-7�。而國內鋁合金板材製造技術條件中尚無對氫含量的要求。

2.2 鋁合金2219和鋁鋰合金焊接概述

2219高強鋁合金的突出特點是焊接性能好，從-253℃到+200℃均具有良好的力學性能、抗應力腐蝕性能，對焊接熱裂紋的敏感性較低，焊接接頭塑性及低溫韌性較好。在美國已作為推進劑貯箱的主要結構材料，美國土星Ⅴ號Ⅰ級貯箱等均採用了2219鋁合金。前蘇聯在能源號和暴風雪號太空梭均大量採用了1201（相當於2219）鋁合金。�

國內研製的S147鋁合金與2219鋁合金相類似，生成焊接裂紋的傾向性較低，但生成氣孔的敏感性較強，尤其是熔合區、密集的微氣孔是影響焊接接頭性能的主要缺陷。

隨著航天技術的發展，對鋁合金的強度和減重提出了更高的要求，鋁鋰合金在近幾十年得到了迅猛的發展。因為每加入1%Li，可使鋁合金質量減輕3%，彈性模量提高6%，比彈性模量增加9%，這種合金與在飛機產品上普遍使用的2024和7075合金相比，密度下降7%～11%，彈性模量提高12%～18%。前蘇聯的1420合金與廣泛使用的杜拉鋁(硬鋁)Д16(2024)合金相比，密度下降12%，彈性模量提高6%～8%，抗腐蝕性好，疲勞裂紋擴展速率低，強度、屈服強度和延伸率相近、焊接性較好〔2〕。

前蘇聯航空材料研究所(ВИАМ)И.Н.Фридляндер等人於20世紀60年代在發明了Al�Mg�Li系的1420合金不久，就對該合金的焊接開展了研究。70年代對該合金的焊接研究已經取得了成果，他們認為這種合金氬弧焊時，可採用AM�г6、AM�г6T和1557焊絲，焊接接頭的強度系數達到0.7以上。焊前、焊後熱處理對焊接接頭強度有很大的影響，淬火狀態下焊接的接頭強度比淬火及人工時效狀態焊接的強度低78.5 MPa，焊後淬火及人工時效又可以使焊接接頭的強度系數達到0.9～1.0。1980年1420合金被用於製造米格-29超音速戰斗機的焊接機身、油箱、座艙，這使飛機的重量明顯降低了24%。至今，1420合金已成功使用了30多年，廣泛用於軍用、民用飛機和火箭上〔3〕。

20世紀80年代俄羅斯研製了高強度、高模量的1460（Al�Cu�Li）合金，這種合金由於加入了Sc元素強化，使晶粒和亞晶結構變化，拉伸強度提高30～50 MPa，焊接性能明顯改善。1460合金焊接工藝與1420合金基本相同，可採用1201（Al�Cu�Mn）合金焊絲焊接，也可在焊絲中添加鈧（Sc）元素。在對多種成分比較試驗後，推薦應用CB-1207或CB-1217焊絲，這種焊絲的成分是在AL�Cu基礎上添加Cu、Sc、Zr、Ti等，具體成分有待於進一步了解。應用此種焊絲可以顯著地降低焊縫熱裂紋敏感性，氬弧焊焊接接頭強度大於250 MPa，焊接接頭強度系數大於0.5，焊後熱處理焊接接頭的強度、硬度增加。〔4～8〕�這種焊絲可以保證無裂紋和細晶粒結構的接頭，合理的選擇焊接工藝和焊前准備可得到無氣孔的焊接接頭。

美國發現者號太空梭的外貯箱採用了2195（Al�Cu�Li�Mg）高強鋁鋰合金，取代原來使用了25～40年的2219合金。新設計的貯箱SLWT(Super Light Weight Tank超輕重量貯箱)，比原來的貯箱減重5%，即3 405 kg，其中LH2箱減重1 907 kg、LO2箱減重736 kg，箱間段減重341 kg，其他減重422 kg。每減輕1 kg質量可以增加1 kg有效載荷，這樣就增加3 405 kg的有效載荷。美國總共生產120台SLWT，完成全部航天飛行計劃〔9～10〕。

2195-T8合金的貯箱採用4043焊絲，變極性等離子弧焊 (VPPA)焊接。VPPA具有高的電弧溫度、高的電弧電壓和更集中的熱量。VPPA焊接2195-T8鋁鋰合金的關鍵是焊縫背面保護，鋁鋰合金含有活潑的Li元素，如焊接時背面保護不好，極易氧化。馬歇爾飛行中心研製出長229 mm、寬25.4 mm、高152 mm的不銹鋼「保護盒」，「保護盒」在焊接時隨焊槍行走，使焊縫區域氧氣少於0.5%。另外，研製了直徑51 mm、長229 mm的不銹鋼管裝在工件背面，焊接時隨焊槍移動，也可有效保護背面焊縫。如果這兩種保護裝置同時使用，效果更好。

3 極具前途的幾種工藝技術

3.1 變極性等離子弧焊接技術（VPPA）

1978年，美國NASA宇航局馬歇爾宇航中心決定變極性等離子弧焊技術部分取代鎢極氬弧焊工藝焊接太空梭外貯箱。太空梭外貯箱材料為2219鋁合金，共焊接了6400 m焊縫，經100% X射線檢測，未發現任何內部缺陷，焊縫質量比TIG多層焊明顯提高。�

變極性等離子焊接技術用於鋁合金焊接，單道焊接鋁合金厚度可達25.4 mm。其工藝特點是在焊接過程中，在焊接熔池中心存在一穿透的小孔，而且在實際生產中通常採用立向上焊工藝，既有利於焊縫的正面成形，又有利於熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷。因此被稱為「零缺陷焊接」。�

「八五」期間，在引進國外某公司的變極性等離子焊接系統的基礎上，進行了LF6、LD10鋁合金平板（厚3 mm、6 mm、10 mm）焊接工藝試驗〔11〕。�

「九五」期間，與哈爾濱工業大學聯合開展了變極性等離子焊接技術研究，研製了變極性等離子焊接設備樣機，並進行了LF6和LD10鋁合金板材（厚3 mm、5 mm、12 mm）焊接工藝試驗，完成了帶有縱縫和環縫的貯箱模擬件焊接，解決了環縫焊接時起弧打孔和收弧填孔及焊縫首尾相接的難題，焊接模擬件通過了液壓試驗，將變極性等離子焊接技術的工程應用向前推進了一大步。

隨著2219鋁合金和2195鋁鋰合金的應用，在未來中厚度的大型貯箱焊接生產中，變極性等離子焊接技術有著廣闊的應用前景。

3.2 局部真空電子束焊接技術

由於真空電子束焊接工藝是將被焊工件置於真空環境中進行焊接，因此可以得到優質的焊縫。同時，電子束高的能量密度使焊縫較窄，深寬比大，焊接應力和變形較小，在工業各領域尤其是國防工業中得到了廣泛的應用。

但對於一些大型構件如運載火箭貯箱殼體等，如果採用真空電子束焊接工藝，則需要較大的真空室，其容積可達數百立方米，這種電子束焊接設備造價很高。為了解決這一問題，國外開始設計和應用局部真空電子束焊接設備，不是將被焊工件整體放入真空室，而是在焊縫局部建立真空環境，從而完成焊接。

前蘇聯將局部真空電子束焊接技術應用於不同類型和尺寸火箭燃料貯箱殼體的焊接，在殼體的縱縫、對接環縫及法蘭環縫焊接中，有7種類型焊縫（縱縫、對接環縫、法蘭環縫）應用局部真空電子束焊接工藝。20世紀90年代初已用於Φ2.5 m直徑殼體環縫焊接，能源號火箭貯箱縱縫採用局部真空電子束焊接工藝，壁厚為42 mm，局部密封採用磁流體密封、橡膠圈密封等技術。�

國內在「九五」期間，與中科院電工所合作研製了國內第1台法蘭環縫局部真空電子束焊機(專利號：ZL002631776.6)〔12〕。電子槍與上真空室採用動密封結構，工件與上、下真空室間為靜密封結構。焊接時電子槍可以實現極坐標運動。電子槍徑向移動採用步進電機驅動，光柵尺檢測位移；圓周方向轉動通過交流伺服電機驅動，光碼盤檢測器角位移。二次電子焊縫對中系統用於實現焊縫軌跡示教。採用兩級微機控制，可編程序控制器（PLC）控制焊接參數可實現柔性焊接，即可焊接100～300 mm直徑的法蘭環縫。局部真空室的真空度達到5×10-3Pa,高於國外同類產品水平。�

在未來的2219鋁合金和2195鋁鋰合金航天器厚壁結構中，特別對於焊接殘余應力和變形要求較高的法蘭環縫焊接生產中，局部真空電子束焊接技術應用對焊接質量的提高有著極為重要的意義。

3.3 氣脈沖TIG和MIG焊接技術

在航天工業中，鋁合金焊接中應用較廣的TIG和MIG工藝，保護氣體採用氬氣和氦氣，其中以氬氣應用較多。

就TIG焊而言，有交流氬弧焊和直流正接氦弧焊兩種工藝。氦（He）和氬（Ar）相比，其最小電離能高，在其它條件和參數相同時，電弧電壓較高。因此，氦弧焊電弧溫度高，焊接熱輸入量大，也具有更高的能量密度，與氬弧焊相比熔深較大，焊接缺陷特別是焊接氣孔較少。

據資料介紹，由於直流正接氦弧焊沒有交流氬弧焊陰極霧化去除氧化膜的作用，氧化膜的破壞程度取決於電弧長度的大小，故直流正接氦弧焊採用短弧焊去除氧化膜。這樣使得焊接時填絲變得較為困難，加上設備等因素的制約，直流正接氦弧焊一直未大面積推廣應用。

為了利用氦氣電弧熱高的優點並避免純氦帶來的缺點，國外採用氣脈沖Ar+He TIG和MIG焊接技術焊接鋁合金，可大大減少焊接氣孔。�

借鑒國外的經驗，近幾年開始進行氣脈沖TIG焊接技術研究，初步試驗表明，採用氣脈沖（Ar+He）TIG焊接工藝焊接S147鋁合金抑制焊接氣孔方面有明顯的效果。不開坡口可一次焊透7 mm平板，且表面光澤與氬弧焊相同，避免直流正接氦弧焊焊縫表面發暗。焊接工藝性、可操作性也與氬弧焊無異，弧長也無特別限制。這對於未來型號將應用對氣孔較敏感的S147鋁合金和2195鋁鋰合金有極大的應用價值。�

3.4 攪拌摩擦焊技術

宇航工業飛行器結構大量使用鋁合金，由於某些材料熔焊焊接性不良不得不採用鉚接結構。英國焊接研究所（TWI）1991年發明的攪拌摩擦焊為此類材料連接提供了一個新思路〔13〕。由於此方法屬於固相焊，特別適合應用於熔化焊接性差的有色金屬。相對於熔化焊接方法，不會產生與熔化有關的焊接缺陷，如熱裂紋和氣孔。但由於方法的限制，其應用僅限於簡單結構的工件。

攪拌摩擦焊的原理是，利用摩擦發生的熱，在高速旋轉的攪拌頭特形指棒周圍的金屬迅速被加熱，並形成了很薄的熱塑性金屬層。隨著攪拌頭的移動形成了攪拌摩擦焊的焊縫。目前，已成功地進行了攪拌摩擦焊研究的鋁合金包括：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）。美國波普公司的空間防禦實驗室在1998年將此技術用於火箭某些部件焊接。目前，ESAB公司正在製造可供商業應用的攪拌摩擦焊機，計劃於2002年安裝在TWI，用來焊接尺寸為8 m×5 m的工件，預計可焊接的工件厚度為1.5～18 mm。國內某些院校和研究所也開始了這方面的研究工作，有理由相信，國內最具備攪拌摩擦焊技術應用前景的將是航天工業。

3.5 焊接修補技術

鋁合金結構件的焊接修補是航天器在生產和使用中不可避免地會遇到的問題。在焊接生產中，由於材料、結構、設備、工藝及環境條件等方面的偶然因素，在焊後會發現焊縫中存在超出標準的焊接缺陷，這就需要補焊。傳統的手工TIG焊方法雖然操作簡便、易行，但由於局部焊接熱輸入量較大，可能產生晶粒長大，局部韌性降低，同時在補焊部位引起較大的殘余應力，往往成為「低壓爆破」的裂源。另一方面，未來可重復使用運載器，在重復使用後，可能在某些構件局部出現裂紋等缺陷，需要進行焊接修補，此時在運載器外部覆有絕熱材料，對溫升有極嚴格的要求，必須採取熱輸量集中而且較小的焊接工藝。

1995年英國劍橋焊接研究所發明摩擦塞焊技術〔14〕，洛馬公司和國家宇航局馬歇爾飛行中心進行了補焊工藝研究，2000年已用於外貯箱焊接修補。這是一種新的焊接修補技術，在焊縫缺陷位置，鑽一楔形孔，將一個與孔的形狀相類似的楔形旋轉塞插入孔內，高速旋轉時完整的楔形塞與孔表面摩擦生熱而實現焊接。焊接參數包括塞的直徑、旋轉速度、施加的壓力和塞的位移。它不同於熔焊修補，在缺陷去掉之前，要反復打磨和填充，焊接修補比通常的TIG熔焊修補強度高20%，改善了補焊部位的力學性能，而且不易產生焊接缺陷。採用這種修補工藝還可大大減少修補時間，降低成本。

此外，也有人提出激光補焊的設想。鋁合金激光焊的難點在於鋁合金對CO2激光束（波長為10.6�μm）極高的表面初始反射率（超過90%以上），對YAG激光束（波長為1.06μm）反射率接近80%。而且，鋁合金激光束還易產生氣孔。這些問題都有待於進行深入的研究工作。

3.6 焊接工藝和焊接結構安全評定技術

由於航天產品的特殊性，對產品質量和可靠性極為重視。隨著焊接技術的發展，對航天產品焊接質量和可靠性不斷提出新的要求。在實際生產中，焊接工藝的優劣不僅要看其是否能夠完成所針對結構的焊接，而且要看其是否具有相對穩定的使焊接質量達到產品驗收標準的能力。「焊接性」概念回答了是否能實現焊接的問題；90年代，航天焊接工作者提出的「焊接工藝裕度」概念回答了一種焊接工藝是否能達到焊接質量標準的問題〔15〕。換言之，「焊接工藝裕度」概念是焊接工藝評定的基礎。例如：可根據焊接工藝裕度的評價方法對其保證焊接質量的能力進行評定，分為「合格工藝」、「限用工藝」以及「禁用工藝」等。當然，對某一特定工藝進行評定，仍需進行必要的實驗工作，首先要找准影響焊接質量的關鍵因素，而後方可對這些因素進行綜合評定。

由於目前技術水平和生產條件的限制，僅依靠焊後對焊縫的無損檢測尚不能完全評定焊接接頭的全部性能。在實際生產中，目前對鋁合金焊縫也只檢測氣孔、夾雜、裂紋、未焊透等幾類缺陷，而且難以做到100%檢測，尤其對於角焊縫，尚難進行有效的檢測。即使對於鋁合金焊接時常見的氣孔缺陷，X射線的解析度目前也只能檢測到0.2 mm以上氣孔，而對於對接頭塑性影響較大的微氣孔尚不能做到充分判定。總之，焊接工藝仍是決定焊接質量的直接因素，對焊接工藝在生產中保證質量能力進行科學的評定是非常必要的。

針對焊接結構的可靠性評定，是近20年焊接結構安全評定技術不斷發展。這里僅介紹「合於使用」原則的概念〔16〕。「合於使用」原則是針對「完美無缺」原則而言的。在焊接結構發展初期，要求結構在製造和使用過程中均不能有任何缺陷存在，即結構應完美無缺，否則就要返修或報廢；後來曾任英國焊接研究所所長的Edgar Fuchs通過大量實驗證明：在鋁合金焊接接頭中，即使存在某種程度的氣孔，對接頭強度的影響可能微乎其微，而並非必要的返修補焊卻會造成局部殘余應力的增大和微觀組織結構的不利變化，導致使用性能的降低。基於這一研究，英國焊接研究所首先提出了「合於使用」的概念。在斷裂力學出現和廣泛應用後，這一概念成為焊接結構長期研究的中心課題之一，現已逐漸發展成為原則，並且有了明確的定義。在一些國家已建立了應用於焊接結構設計、製造和驗收的「合於使用」原則的標准。

在「合於使用」評定標准中，均需輸入載荷、類裂紋缺陷和斷裂韌度3個參量，並可粗略地將安全評定方法分為斷裂力學方法和結構試驗方法。

4 結束語

鋁合金是航天產品的主要結構材料之一。隨著材料技術的發展，鋁合金家族不斷壯大。在美國和俄羅斯，2219，1201，1420鋁合金都已獲得了廣泛的應用，2195鋁合金也已開始應用。在國內，S147和2195等在未來航天型號中的應用前景不容忽視。載人航天和可重復使用航天器對焊接結構的可靠性提出了更高的要求。隨著這一進程的出現，新焊接技術在航天工藝焊接生產中的應用必將獲得突飛猛進的發展，焊接自動化和高的質量及可靠性保證能力將是21世紀對焊接技術的基本要求。尤其是鋁合金中厚板和厚板焊接技術在近幾年將成為航天焊接工作者研究和推廣的熱點之一。

參 考 文 獻

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16 霍立興.焊接結構安全評定技術的現狀及進展. 第九次全國焊接會議論文集,1999：82～95

❷ 7075和6061鋁合金區別是什麼

1、合金成分不同

7075鋁板屬於超硬鋁板，硬度上要比6061高很多。

2、用途不同

6061合金鋁板要求有一定強度、可焊性與抗蝕性高的各種工業結構性，如製造卡車、塔式建築、船舶、電車、傢具、機械零件、精密加工等用的管、棒、形材、板材。7075鋁板用於製造飛機結構及其他要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構件、模具製造。

3、價格不同

常規規格下7075鋁板價格要比6061鋁板要高不少。