原标题：铸造Al-Si合金焊接技术研究进展

导读

铸造Al-Si合金在汽车发动机缸体、缸盖、轮毂和航空航天薄壁复杂构件中应用广泛，然而铸件内部常出现气孔、缩松、夹渣等缺陷，需通过焊接修复或连接以减少报废、降低成本。哈尔滨工业大学丁宏升教授团队近期在《特种铸造及有色合金》上发表综述，系统梳理了TIG焊、激光焊、激光-电弧复合焊和搅拌摩擦焊四种主流焊接方法在铸造Al-Si合金上的技术原理、常见问题与改善策略，为焊接方法选择和工艺优化提供参考。

铝合金密度低、比强度高，是轻量化制造的核心材料。铸造Al-Si系合金Si含量通常为5%~13%，具有优异的铸造流动性、低热裂倾向和较小的收缩率，适合制造发动机缸体、缸盖、轮毂等复杂薄壁零部件。然而铸造过程中常出现夹渣、气孔、缩松等缺陷，使铸件合格率降低。焊接修复可减少报废、降低成本，还可将多个铸件连接成整体实现多样化设计。虽然TIG焊、MIG焊、激光焊和搅拌摩擦焊已在变形铝合金中广泛应用，但铸造Al-Si合金因含Mg、Cu元素、粗大共晶Si和原始铸造缺陷，焊接时面临气孔敏感性高、热裂纹倾向大、氧化膜难以去除等挑战，不同方法的适用性和局限性尚缺乏系统梳理。

本文由张润泽、娄照坤、仝越、田金昌、丁洋洋、孙楠、丁宏升共同完成，作者来自哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家级重点实验室。原文发表于《特种铸造及有色合金》2026年第46卷第7期。

01 研究亮点

本研究系统梳理了铸造Al-Si合金的四类主流焊接方法。TIG焊通过多层多道焊和活性剂（A-TIG）技术突破熔深限制；MIG焊依托双脉冲和冷金属过渡（CMT）技术实现低热输入高效焊接。激光焊通过双光束、振荡准连续激光和激光清洗技术将气孔率从10%以上降至2%以下；激光-电弧复合焊利用梯度功率模式和匙孔稳定性优化实现深熔与低气孔的协同。搅拌摩擦焊通过热机械作用破碎粗大共晶Si、细化组织，从根本上避免熔焊气孔和热裂纹。文章指出未来应发展跨尺度多物理场模型、深度学习工艺优化和专用焊材数据库三大方向。

02 文章内容

Al-Si系合金Si含量通常为5%~13%，属于亚共晶或共晶型合金。室温组织主要由α-Al枝晶和（α-Al+Si）共晶相组成。为提升性能，常添加Mg形成β-Mg₂Si强化相实现时效硬化，进一步发展出Al-Si-Mg-Cu四元合金，借助Cu添加形成Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆、θ-Al₂Cu等高温稳定相，与Mg₂Si共同发挥协同强化作用，显著提升高温强度和抗蠕变能力。然而，Mg与Cu的加入导致凝固温度区间变宽，富Cu低熔点共晶相在凝固后期呈薄膜分布，大幅增加热裂纹倾向。同时，Al合金焊接存在一系列共性问题：表面Al₂O₃膜熔点高达约2 050 ℃易造成未熔合与夹渣，液态Al溶氢能力强且凝固时溶解度骤降易形成气孔，铸造缺陷在焊接热循环下极易被激活扩展为焊缝气孔的核心来源。

图1　Mg-Si二元相图

1  电弧焊

TIG焊是铸造Al合金修复与补焊最常用的方法之一。针对TIG焊熔深浅、效率低的缺点，多层多道焊工艺通过分层热输入实现了厚大铸件缺陷的逐层修复，有效避免单道热输入不足导致的未熔合与层间气孔。张震通过多层焊研究焊接电流对ZL114A机匣补焊过程的影响，发现当焊接电流为200 A时焊缝中气孔尺寸最大，大尺寸气孔及夹钨现象对接头力学性能有严重负面影响，见图2。活性TIG焊（A-TIG）通过预置活性剂改变电弧收缩与熔池流动模式，在不增加热输入的条件下显著增加熔深，其中四元复合活性剂焊缝表面成形最优，单组分AlF₃活性剂对熔深提升最显著，见图3。

图2　焊接电流对焊缝内气孔大小和数量的影响

图3　不同活性剂条件下的焊缝熔深

MIG焊采用连续送进的焊丝作为熔化电极，电流密度更大，熔透更深、熔敷速度更快，适合焊接厚板。脉冲MIG通过精准调控高峰值脉冲电流和低基值电流实现可控的熔滴过渡，其中双脉冲MIG在单脉冲波形上叠加低频幅值调制，可优化熔池冶金过程和凝固形态。冷金属过渡技术（CMT）是改进的MIG焊工艺，通过智能送丝和数字化控制实现低热输入焊接。WU D等采用ER4047和ER5356焊丝进行CMT焊接AlSi7Mg合金，与ER4047焊丝相比，ER5356焊丝的氢气孔隙率从9.3%降低至7.9%，见图4。

图4　AlSi7Mg合金CMT焊接产生的孔隙形貌

2  激光焊

激光焊接能量密度高、热输入小、变形可控，适合连接对热输入敏感的薄壁精密构件。Al-Si合金激光焊的主要挑战在于热裂纹敏感性和气孔问题。CICALĂ E等发现焊丝种类和送给速率对热裂纹有重要影响，见图5。气孔主要来源于Mg蒸发形成气体、氢在熔融Al中高溶解度和匙孔不稳定闭合。HABOUDOU A等研究表明，激光清洗可将气孔率降至2%以下，双光束焊接（大间距0.75~0.9 mm）可将气孔率由8%降至1.5%，见图6。CHEN X M等采用振荡准连续激光焊接（O-QCW）进一步将孔隙率降至0.3%，强度和伸长率分别达258.5 MPa和8.8%，见图7。

图5　不同成分的Al合金的热裂纹敏感性

图6　在4 kW功率下两种不同焊接速率时表面处理对孔隙率的影响

图7　焊接接头的力学性能和断裂形态

3  激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊利用激光与电弧的协同效应，克服了单一热源的局限性。激光提供深熔所需的能量密度并稳定电弧，电弧增强桥接能力、降低装配间隙敏感性。GUO X等研究表明激光功率对焊缝组织形态有直接影响，3 000 W时焊接接头几乎无气孔且力学性能最佳。针对复合焊中匙孔坍塌导致的气孔问题，HAN J等提出梯度功率模式（GP），通过将更多能量聚集在熔池中心，增强金属蒸气反冲压力、促进熔池流动、稳定匙孔，有效防止了匙孔塌陷导致的气孔形成，同时获得了更大熔深和更高深宽比，见图8。

图8　振荡频率和功率模式对焊缝的影响

4  搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（FSW）是一种固相连接技术，由于母材不熔化，从根本上避免了熔焊中气孔和热裂纹的问题。搅拌头几何对焊接质量有重要影响，苏苑琪等发现单针锥形搅拌头优于双针圆柱形，单针圆锥形最大抗拉强度达到母材的85%，在焊接速度130 mm/min时才出现隧道缺陷，见图9。LEE W B等研究不同焊接速度下A356接头的组织与性能，发现较低焊接速度通过更充分的搅拌将共晶Si破碎得更细小、分布更均匀，纵向与横向抗拉强度分别呈现先升后降和先降后升的趋势，见图10。然而，铸造Al-Si合金原始内部缺陷（气孔、缩松）在塑性流动中易形成隧道缺陷，因此需采用优质铸件和恰当的焊前热处理。

图9　不同焊接速度下FSW接头的表面形貌

图10　不同焊接速度下的纵向和横向强度

5 未来展望

铸造Al-Si合金在航空航天和新能源汽车领域日益广泛的应用，对其焊接接头的质量与可靠性提出了更高要求。目前仍存在焊接过程关键物理冶金现象机理理解不充分、铸造缺陷使工艺参数容限极窄、缺乏针对铸造Al-Si合金组织特性和缺陷设计的专用焊材等问题。文章提出以下三个未来研究方向：一是发展耦合计算流体动力学（CFD）、相场法与晶体塑性有限元（CPFEM）的跨尺度模型，模拟激光-复合焊中瞬态匙孔形成和FSW中材料三维塑性流动与缺陷演化；二是基于深度学习模型建立多模态传感信息到焊接质量的端到端映射，开发自适应算法根据熔池状态实时微调工艺参数以补偿铸件局部差异；三是基于凝固理论与相图计算设计新型焊丝成分，建立涵盖专用焊丝、活性剂、母材牌号、焊接方法与热处理制度的协同性能数据库与知识图谱。

03 主要结论

（1）TIG焊工艺灵活、热输入可控，是铸Al件补焊修复的主要方法。预热、多层多道焊、活性剂及脉冲技术可改善熔深并减少缺陷。MIG焊效率更高，双脉冲与CMT技术进一步降低了热输入与气孔率，适用于中厚板焊接。但电弧焊仍存在热影响区宽、变形大、效率有限等问题。

（2）激光焊能量密度高、热输入小、变形小，在薄壁精密件连接中潜力显著。通过双光束、振荡准连续激光与激光清洗等工艺，可将气孔率从10%以上降低至2%以下，可靠地应用于新能源汽车压铸电池壳等对气孔敏感构件的密封连接。

（3）激光-电弧复合焊结合了激光与电弧优势，在熔深、速度、装配宽容度和焊缝成形方面表现突出。梯度功率模式通过优化能量分布稳定匙孔，抑制气孔的同时获得更大熔深和更高深宽比，是中厚板高效高质量焊接的重要方向。

（4）搅拌摩擦焊作为固相连接技术，从根本上避免了气孔与热裂纹，通过热机械作用破碎粗大共晶Si、细化组织，提升焊缝力学性能。适用于对疲劳性能、可靠性要求极高的铸造Al合金承力部件（如轮毂、发动机框架）的制造与修复。

（5）铸造Al-Si合金焊接方法的选择需依据构件服役条件与性能要求，在焊缝质量、生产效率、工艺成本之间取得平衡。发展跨尺度模型、深度学习工艺优化和专用焊材数据库是未来的关键方向。

04 引用格式

张润泽，娄照坤，仝越，等. 铸造Al-Si合金焊接技术研究进展［J］. 特种铸造及有色合金，2026，46（7）：990-997.

本文转载自：《特种铸造及有色合金》