7xxx系鋁合金焊接研究現狀與展望

宋友寶，李 龍，呂金明，嚴 安，周德敬

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7xxx系鋁合金焊接研究現狀與展望

宋友寶1, 2，李 龍1，呂金明2，嚴 安2，周德敬1

(1. 銀邦金屬復合材料股份有限公司， 江蘇省金屬層狀復合材料重點實驗室，無錫 214145；2. 無錫銀邦防務科技有限公司，無錫 214145)

結合7xxx系鋁合金的焊接特點，介紹7xxx系鋁合金焊接焊絲的選擇與優化，闡述雙絲-MIG焊、激光-MIG復合焊、攪拌摩擦焊3種焊接新方法，與傳統焊接方法相比，它們在7xxx系鋁合金焊接上頗具優勢和發展前景。通過合金化進行7xxx系鋁合金母材和焊絲的優化設計、開發新的焊接方法是未來鋁合金焊接領域的重要研究 方向。

7xxx系鋁合金; 焊接; 焊絲選擇; 焊接方法

7xxx系鋁合金是以Zn為主要強化元素的鋁合金，屬于可熱處理強化鋁合金，在適當的熱處理條件下，其強度可高達400~800 MPa，又稱為高強或超高強鋁合金，具有比強度高、加工性能好、斷裂韌度高等優點，被廣泛應用于航空航天、軍工國防、軌道交通、造船等領域[1?4]。7xxx系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系兩類合金。其中Al-Zn-Mg系合金具有中等強度，有一定應力腐蝕傾向，焊接性良好，稱為中高強可焊鋁合金，如7005、7039、7A52等。Al-Zn-Mg-Cu系合金由于Cu的加入，強度和抗應力腐蝕性能均得到提高，但焊接性能下降，一般稱為超高強難焊鋁合金，如7050、7075、7475等。

現代工業的發展對7xxx系鋁合金的強度、韌性、抗應力腐蝕性能及焊接性能提出了更高的要求。人們在開發7xxx系鋁合金時，遇到了提高合金的強度勢必會降低合金的焊接性能的瓶頸[5?6]。各種鋁合金結構件主要是通過焊接成形，因而焊接性能是7xxx系鋁合金重要的工藝性能指標，在合金設計時，必須綜合考慮合金的各項性能指標，兼顧合金的焊接性能。另外，隨著焊接技術的不斷發展，涌現出的各種新型焊接技術(雙絲MIG焊、攪拌摩擦焊等)，解決了7xxx系鋁合金焊接的一些難題，促進了7xxx系鋁合金焊接結構件的應用。

1 7xxx系鋁合金焊接的特點

1.1 7xxx系鋁合金焊接難點

一般來說，鋁合金焊接普遍有以下幾個難點[7?8]：1) 鋁合金導熱率大，焊接時需要更高的線能量，同樣焊接速度下，熱輸入量要比鋼材的大2~4倍；2) 鋁和氧親和力大，鋁合金表面易形成熔點高達2060 ℃的難熔氧化膜；3) 鋁合金熔體很容易吸氫產生氣孔；4) 鋁合金屬于典型的共晶合金，且線膨脹系數大，焊縫凝固時易產生熱裂紋；5) 鋁合金線膨脹系數大，易產生焊接變形。7xxx鋁合金由于其自身特點，除具有以上焊接問題外，還具有其他焊接難點：1) 7xxx系合金含有較多的低沸點Zn、Mg合金元素，在焊接過程中燒損嚴重，焊縫中強化相(如MgZn2)減少，導致焊縫強度降低；2) 7xxx系鋁合金是經固溶、時效等熱處理達到較高的強度后使用，在焊接時，焊接區域經歷較高溫度的焊接熱循環，熱影響區發生過時效和晶粒粗化而嚴重軟化。圖1所示為7xxx系鋁合金焊接接頭組 織[9]，其中HAZ表示熱影響區(Heat-affected zones)，DAS表示枝晶間距(Eendrite arm spacing)。在焊縫區存在羽毛狀結構(Feathery)、顆粒(Granular)、溶質帶(Solute band)、樹枝晶(Dendritic structure)等各種復雜的晶粒和結構；在熱影響區存在回復(Reversion)、過時效(Over-ageing)、軟化(Softening)等變化，這些因素會導致焊縫區和熱影響區中出現薄弱區域，在接頭承載時易發生斷裂。因此，在7xxx系鋁合金焊接時，既要考慮選擇合適的焊絲，提高焊縫金屬的強度，又要考慮采用合適的焊接方法與工藝，以控制熱輸入，盡可能減輕熱影響區軟化程度。

圖1 可熱處理強化鋁合金焊接接頭組織[9]

1.2 合金元素對7xxx系鋁合金焊接性的影響

7xxx系鋁合金除了含Zn、Mg(Cu)主要合金元素外，還會加入少量Mn、Cr、Ti、Zr等其他元素，以形成綜合性能優良的合金。這些元素對合金的焊接性能影響作用各有不同，研究合金元素對焊接性能的影響，有利于合金的設計和焊接材料的選用。1) Zn、Mg：7xxx系鋁合金的強度隨Zn、Mg含量的增加而增加，Zn含量增加會增加焊接熱裂紋傾向，而Mg的增加可降低合金焊接熱裂傾向。2) Cu：在Al-Mg-Zn系合金基礎上添加Cu，可提高合金的強度，但會增加焊接熱裂傾向，嚴重損害焊接性能。有關研究表明，當Cu含量大于0.3%(質量分數，下同)時，容易產生焊接熱裂紋[10]。3) Mn、Cr：添加少量(一般不超過1%)的Mn和Cr可提高合金的抗應力腐蝕性能，焊接熱裂傾向隨Cr、Mn含量的增加而降低。4) Ti、Zr：加入微量的Ti和Zr可細化合金組織，打亂凝固時柱狀晶的方向性，破壞液態薄膜的連續性，因而可降低熱裂傾向。5) Fe、Si：Fe和Si為7xxx系鋁合金中的雜質元素，易形成低熔點共晶，引起熱裂紋，需要嚴格控制Fe和Si的含量。各種合金元素對7xxx系鋁合金焊接性的影響如表1所列[11?12]。

表1 7xxx系鋁合金中各元素對焊接性的影響[11?12]

Note: ↑ means effect of increase; ↓ means effect of decrease; Corrosion resistance refers to stress corrosion resistance of welded joint.

2 7xxx系鋁合金焊接焊絲的選擇與優化

2.1 焊絲的選擇

在母材確定的條件下，焊接接頭的性能主要取決于兩個方面：一是焊絲成分的設計與優化，二是焊接工藝的選擇與優化[13]。焊縫實際上是焊絲和母材在焊接熱循環作用下熔化后形成的鑄態金屬，且焊縫在焊后一般沒有條件再經形變加工，多數情況下也不可進行熱處理，只能通過合金化和控制焊接工藝條件來控制焊縫的組織和性能。在焊接工藝條件一定時，正確選擇焊絲尤為重要。

選擇焊絲需考慮以下幾個方面：1) 焊接時產生焊接裂紋和氣孔傾向低；2) 焊接接頭的強度、塑性、抗腐蝕性等性能優良；3) 焊縫金屬表面顏色與母材顏色匹配[14]。但是，不是每種焊絲均能同時滿足以上各項要求，有時焊絲自身某些方面的性能會相互矛盾。例如，強度與塑性難以兼得，抗裂性與顏色匹配難以兼顧。需將焊絲的性能表現及其適用性和預定用途聯系起來，以便針對不同材料和主要或特殊性能要求來選擇焊絲。

7xxx系鋁合金主要合金元素為Zn，通常采用逆轉型選材方式來選擇焊絲[15]，選用高Mg的合金(5xxx系Al-Mg合金)焊絲來焊接高Zn合金，以提高焊縫的抗裂性。實踐表明，當焊縫中Mg含量為1%~2%時，焊縫抗裂能力最差。采用高Mg焊絲焊接時，可通過焊絲往焊縫金屬中添加Mg元素，一方面可使焊縫成分避開抗裂性能最差的Mg含量區間，提高焊縫抗裂性，另一方面也可彌補Mg在焊接高溫下的燒損，增加MgZn2強化相數量，提高焊縫強度。因此，常選用5xxx系合金焊絲(如ER5183、ER5356、ER556)來焊接7xxx系鋁合金。另外，文獻[7]中指出，焊接7xxx系鋁合金，除了選用5xxx系高Mg焊絲外，還可采用與母材牌號相同的Al-Zn-Mg焊絲或高Mg低Zn的X5180焊絲。表2以7039鋁合金為例，列舉了選用不同焊絲焊接后接頭的性能，可見對于同一種母材合金，選用不同牌號的焊絲，焊縫抗裂性、接頭強度、延展性、抗腐蝕性等性能指標會有一定差異。

2.2 焊絲的微合金化

焊絲中除了起主要強化作用的合金元素外，還含有少量Mn、Cr、Zr、Ti、B等微合金化元素，這些元素可改善焊縫抗裂性，提高接頭性能。近年來，有學者嘗試在標準牌號焊絲的基礎上添加Zr、Sc、Er等微合金化元素，來改善焊縫性能。趙志浩等[16]使用ER5356焊絲及添加Sc、Zr、Er的ER5356焊絲分別對7A52鋁合金進行了TIG焊，研究了Sc、Zr、Er對焊接接頭性能的影響，其結果表明，在ER5356焊絲中添加Sc、Zr、Er可有效細化焊縫組織，提高接頭強度，單獨添加Sc的焊絲效果最好，接頭強度可達322.6 MPa，為母材強度的70%。王生等[17]采用ER5356焊絲和自行開發的Zr+Sc復合微合金化的Al-Mg焊絲對7A52鋁合金進行TIG焊，結果表明，Zr+Sc復合微合金化的Al-Mg焊絲焊接接頭比ER5356焊絲焊接接頭的屈服強度和伸長率分別提高了24%和37%，接頭強度可達378 MPa，為母材強度的76%，并認強化和韌化機制是焊縫中生成的細小Al3Zr、A13Sc粒子的細晶強化和彌散強化作用。Zr/Sc/Er微合金化元素對7A52鋁合金焊接接頭性能的影響歸納如表3所列[16?18]。

表2 7039鋁合金采用不同焊絲焊接的接頭性能[7]

Note: A, B, C represent the level of welding performance, A is best, B is medium, C is last.

由表3可知，在焊絲中添加Zr、Sc、Er微合金化元素可提高焊接接頭的強度和伸長率，與不添加微合金化元素的標準焊絲相比，接頭強度最大可提高6%。需要指出的是，Sc作為一種戰略資源，價格非常昂貴，這極大地限制了Sc的推廣應用。從表3也可看出，焊絲中添加Er或Zr 具有和Sc類似的強化作用，而Er和Zr成本較Sc低很多，因此可考慮用Er、Zr替代Sc進行焊絲微合金化。

3 7xxx系鋁合金的焊接方法

鋁合金傳統的焊接方法有鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、激光焊(LBW)等[19?21]。而7xxx系鋁合金存在熱裂敏感、合金元素燒損、接頭軟化嚴重等焊接難點，采用傳統焊接方法焊接7xxx系鋁合金難以取得較好的焊接效果，存在焊接效率低、焊縫成形不良等局限性。隨著現代制造業的迅猛發展，7xxx系鋁合金焊接件生產量逐漸增加，也對焊接提出了高效率、高質量的技術要求，為此，焊接研究者們開發出幾種較新的焊接方法，如雙絲MIG焊、激 光-MIG復合焊、攪拌摩擦焊(FSW)。表4所列為7xxx系鋁合金幾種焊接方法特點介紹，接下來著重介紹后3種較新的焊接方法。

表3 Zr/Sc/Er微合金化元素對7A52鋁合金焊接接頭性能的影響[16?18]

表4 7xxx系鋁合金焊接方法特點

3.1 雙絲MIG焊

單絲MIG焊為鋁合金普遍采用的焊接方法，但隨著制造業的發展，傳統的單絲MIG焊已在熔敷效率、焊接速度、焊縫成形質量等方面顯現出一定的局限性，單純依靠改變焊接電源、填充焊絲及保護氣體等工藝措施很難再進一步提高焊接質量。為提高焊接生產效率，改善焊縫成形，近年來國外公司對雙絲MIG焊進行了大量研究工作。雙絲MIG焊從原理上可分為兩類，分別是美國Miller公司開發的Twin arc雙絲焊接系統和德國Cloos公司開發的Tandem[22?25]，原理如圖2所示。

Twin arc雙絲焊采用兩個完全相同的焊接電源(也可以用同一個電源)，兩套送絲機構，兩根焊絲共用一個導電嘴和一個氣體噴嘴，兩個電弧同電位，供一個熔池。優點是系統相對簡單，無需協同控制，但缺點也比較明顯，因為電弧的穩定性完全依靠自身的調節作用，所以電弧穩定性差，電弧間的干擾大，很難對電弧及熔滴過渡進行精確控制。如圖2(b)所示，Tandem雙絲焊是將兩根焊絲按一定的角度放在一個特別設計的焊槍里，兩根焊絲分別由各自電源獨立供電，相互絕緣，除送絲速度可不同外，其他所有的參數皆可獨立設定，并通過數字化協同控制器，靈活調節脈沖電流，以最佳控制電弧，將兩個電弧的相互干擾降到最低。

圖2 雙絲MIG焊組成系統示意圖[25]

張傳臣等[26]對7A52鋁合金進行了單、雙絲MIG焊焊接工藝對比，結果表明，與單絲MIG焊相比，雙絲MIG焊接頭變形更小(見圖3)組織更為細小致密，熱影響區窄，焊縫區硬度高于單絲焊縫，接頭強度比單絲焊提高了7.7%。余進等[27]研究了40 mm厚7A52鋁合金雙絲MIG焊接頭的組織和性能，結果表明，7A52鋁合金采用雙絲MIG焊可得到優良的焊接接頭，接頭強度最高可達305 MPa，為母材強度的74%。有關7A52鋁合金單雙絲MIG焊的研究結果如表5所列[26?28]。雙絲MIG焊在厚板7A52鋁合金焊接上優勢明顯，接頭強度比單絲MIG焊的提高6%~11%，其焊接速度可高達600~800 mm/min。

圖3 單雙絲MIG焊接接頭變形對比[26]

表5 7A52鋁合金單雙絲MIG焊接工藝對比[26?28]

3.2 激光-MIG復合焊

激光焊是鋁合金焊接方法之一，具有飛濺小、熱影響區窄、焊縫成形美觀等優點[29]。但由于鋁合金自身的高導熱性和對激光發射率高，激光焊接功率利用率低，導致鋁合金激光焊所需激光器功率大、成本高、焊接熔深淺等問題，并且鋁合金激光焊對焊前預處理要求高，這些因素都限制了激光焊在鋁合金焊接中的應用。20世紀70年代末，英國倫敦帝國大學學者STEEN[30]首次提出了激光-電弧復合焊接的方法。這種工藝被認為是綜合了激光與電弧的優點，即將激光的高能量密度和電弧的較大加熱區組合起來，同時，通過激光與電弧的相互作用，來改善激光能量的耦合特性和電弧的穩定性。而鋁合金焊接又常采用MIG焊，因此激光-MIG復合焊應運而生，圖4所示為激光-MIG復合焊原理示意圖[31]。

圖4 激光-MIG復合焊原理示意圖[31]

激光-MIG復合焊既能綜合激光焊和MIG焊的各自優點，又可彌補各自不足，具有焊接速度快、焊縫熔深大、工藝適應性好、焊縫成形美觀等優點。國內外學者對鋁合金激光-MIG焊進行了廣泛研究。PETRING等[32]對高強鋁合金激光-MIG復合焊研究得出，MIG焊焊接速度超過2 mm/min時，焊縫質量開始變差，而激光-MIG復合焊接時可在保證焊縫成形良好的前提下將焊速提高至4 mm/min[32]。錢紅麗[33]采用激光-MIG復合焊對4 mm厚7A52鋁合金進行焊接試驗研究，結果表明復合焊焊縫均勻平整且表面具有金屬光澤，可獲得良好的焊縫成形，接頭強度可達到母材的70%。陶傳琦等[34]研究了15 mm 7N01鋁合金MIG與激光-MIG復合焊對比，結果表明復合焊接頭力學性能略高于MIG焊的，但復合焊焊接效率明顯高于MIG焊的，且其焊接熱輸入明顯低于MIG焊的。圖5所示為MIG焊和激光-MIG復合焊接頭硬度分布，可見復合焊焊縫區硬度高于MIG焊的。

激光-MIG復合焊在鋁合金焊接上具有較大優勢，為焊接性較差的7xxx系鋁合金焊接提供了新的方法和思路。而目前針對7xxx系鋁合金激光-MIG復合焊方面的研究仍不多，尤其是針對厚度20 mm以上的7xxx系鋁合金激光-MIG焊，還未見有公開的文獻報道，并且激光-MIG焊在焊接7xxx系鋁合金厚板時，仍存在氣孔、裂紋等問題。本文作者認為，激光-MIG復合焊頗具發展前景，未來可針對7xxx系厚板鋁合金激光-MIG焊開展工藝優化方面的工作，以促進激光-MIG復合焊在7xxx系鋁合金厚板焊接上的應用。

圖5 MIG與激光-MIG復合焊接頭硬度分布[34]

3.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FSW)是由英國焊接研究所(The Welding Institute, TWI)于1991年提出的新型固相連接技術[35?37]，攪拌摩擦焊利用高速旋轉的攪拌頭與待焊材料間的攪拌摩擦生熱，將材料加熱至塑性狀態，并在軸向頂鍛壓力的熱?機綜合作用下，形成致密的固相連接焊縫。由于FSW焊接過程中不存在金屬的熔化，可避免熔焊方法的常見焊接缺陷(如氣孔、裂紋、合金元素燒損渣等)，因此，FSW在焊接鋁合金尤其是焊接性欠佳的7xxx系高強鋁合金上獨具優勢。目前，攪拌摩擦焊技術已成功應用于航空航天、軌道車輛、船舶艦艇、汽車等多個工業領域[38?40]，并且正在大面積取代熔焊方法用于鋁合金連接件制造。例如美國已將攪拌摩擦焊成功應用于兩棲戰車鋁合金裝甲的焊接，取得了強度高、耐腐蝕性好的高質量焊縫。波音公司已在Delta II火箭燃料貯箱制造上使用攪拌摩擦焊焊接了1200 m無缺陷焊縫。

國內外研究者對7xxx系鋁合金攪拌摩擦焊進行了廣泛研究。SHARMA等[41]采用攪拌摩擦焊焊接了5 mm厚7039-T6鋁合金，得到的接頭強度最高可達354 MPa，為母材強度的85%，研究發現轉速和焊接速度對接頭力學性能的影響可通過回歸模型來預測。馬志華等[42]研究了30 mm厚7A52鋁合金攪拌摩擦焊的接頭組織和性能，結果表明焊縫區橫截面硬度呈“W”形，TMAZ/HAZ過渡區為接頭軟化區，接頭強度最高可達到母材強度的85.8%。圖6所示為7A52鋁合金FSW和雙絲MIG接頭的組織，從圖6中可看出，雙絲MIG焊焊縫中心晶粒粗大，而FSW接頭焊縫區為細小的等軸晶[43]。

圖7所示為7xxx系鋁合金不同焊接方法可焊板厚及焊接系數范圍(圖中1892、1935等數字表示各種焊接方法的發明年份, LB-MIG、DW-MIG分別代表激光-MIG復合焊和雙絲MIG焊)，從圖7中可看出，隨著焊接技術的發展，可焊板厚和焊接系數不斷增加。其中攪拌摩擦焊是目前7xxx系鋁合金可焊板厚范圍最廣(0.4~180 mm)、焊接系數最高(75%~97%)的焊接方法。激光-MIG復合焊接改善了鋁合金對激光反射率高的問題，從而可焊板厚范圍增大、焊接系數也有所提高。雙絲MIG焊的高效焊接優勢明顯，其焊接速度和熔敷效率高于其他熔焊方法。隨著焊接技術的更新改進，相信7xxx系鋁合金未來會有更好的新焊接方法出現。

圖6 雙絲MIG焊和FSW焊接接頭組織[43]

圖7 7xxx系鋁合金不同焊接方法可焊板厚及焊接系數范圍

4 結論與展望

1) 7xxx系鋁合金強度高，焊接是制約7xxx系鋁合金推廣應用的重要因素。7xxx系鋁合金焊接存在熱裂紋傾向大、焊縫中合金元素燒損多、熱影響區軟化嚴重等難點。調控7xxx系鋁合金中主輔合金元素含量和比例及對焊絲進行微合金化優化設計，是改善7xxx系鋁合金焊接性、解決其焊接難點的重要途徑。

2) 雙絲MIG焊、激光-MIG復合焊、攪拌摩擦焊這3種較新的焊接方法在7xxx系鋁合金焊接上優勢明顯，具有焊縫成形好、接頭強度高、焊接速度快等優點。

3) 針對7xxx系鋁合金的不同合金系、板厚和結構，正確選用合適的焊接方法和工藝，可有效提高7xxx系鋁合金結構的焊接強度。隨著焊接技術的不斷發展，相信未來會出現更新更好的焊接技術，以促進7xxx系鋁合金結構的推廣應用。

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(編輯 王 超)

Research status and perspective of 7xxx series aluminum alloys welding

SONG You-bao1, 2, LI Long1, Lü Jin-ming2, YAN An2, ZHOU De-jing1

(1. Yinbang Clad Material Company Limited, Jiangsu Key Laboratory for Clad Materials, Wuxi 214145, China;2. Yinbang Defense Technology Company Limited, Wuxi 214145, China)

The characteristics of welding for 7xxx series aluminum alloys were combined, and the selection and optimization of wires were introduced. Three new welding methods, such as double wire MIG welding, laser-MIG hybrid welding and friction stir welding, were stated. Compared with traditional welding methods, the three new methods have superiority and foreground in the welding of 7xxx series aluminum alloys. Alloying optimization design of base metal and wire for 7xxx series aluminum alloys, developing of new welding method are the important research direction in the future.

7xxx series aluminum alloy; welding; selection of wire; welding method

Project(CZE02H1504) supported by Wuxi City Science and Technology Development Fund, China; Project (BZ2016004) supported by Key National and Organizational Industry Technical Cooperation, China; Project(BM2014006) supported by Program of Key Laboratory of Jiangsu Province of Metal Layered Composite Materials, China

2016-07-21;

2017-04-26

SONG You-bao; Tel: +86-510-88997000; E-mail: ybstju@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.03.07

無錫市科技發展資金項目(CZE02H1504)；重點國家及機構產業技術合作項目(BZ2016004)；江蘇省金屬層狀復合材料重點實驗室項目(BM2014006)

2016-07-21；

2017-04-26

宋友寶，工程師，碩士；電話：0510-88997000；E-mail：ybstju@163.com

1004-0609(2018)-03-0492-10

TG146.2

A