铝合金焊接.docx

汽车生产中的铝合金焊接技术透析Automobile Production in Dialysis Welding Technology of Aluminum Alloy湖北十堰东风汽车公司杨忠敏摘要：为了实现汽车生产中高的生产率和高的焊接质量相容性的要求，提高铝合金的焊接技术、开发和应用新的焊接方法对铝合金在汽车中的广泛应用，促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，这也是真正实现汽车轻量化的技术关键之一，因此铝合金的焊接技术正成为业界研究的热点。本文针对铝合金的组织结构、种类和应用领域，介绍了铝合金的性能和焊接特点，分析了铝合金焊接的主要障碍和技术难点，研究了铝合金材料常用的焊接方法，提出了汽车生产中的铝合金电阻点焊及工艺要点。关键词：汽车生产；铝合金焊接；工艺要点铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，铝及其合金因具有良好的耐蚀性、导电性、导热性和高的比强度而广泛应用于工业领域，在产量上是仅次于钢铁的第二类金属材料。与汽车钢板相比，铝合金具有密度小、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形和可回收再生等优点，技术成熟，是优良的建筑材料，汽车工业中也逐渐使用铝合金材料制造零部件。汽车生产中高的生产率和高的焊接质量相容性的要求，促进了铝合金焊接技术的提高，开发和应用新的焊接方法对铝合金在汽车中的广泛应用，促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，这也是真正实现汽车轻量化的技术关键之一，因此铝合金的焊接技术正成为业界研究的热点。1 铝合金的组织结构和应用领域纯铝的主要用途是配制铝合金，还可用来制造导线、包覆材料及耐蚀器具等。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。向铝中加入适量的合金元素制成铝合金，可改变其组织结构，提高其性能。常加入的元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等，此外还有铬、镍、钛、锆等辅加元素。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度,由于这些合金元素的强化作用，使得铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性，如b值分别可达2460kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值b/)胜过很多合金钢，成为理想的结构材料。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机械零件或构件，成为工业中广泛使用的有色金属材料。广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。由于铝合金具有高的比强度，所以又成为汽车的主要结构材料。近年来，随着铝合金在汽车、造船、国防、航空航天、娱乐和体育器材等制造领域越来越广泛的运用，铝合金焊接技术也在突飞猛进地发展。科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。2 铝合金的性能和焊接特点铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,可减轻结构重量。铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。3 铝合金焊接的主要障碍和技术难点造成铝及其合金焊接困难的主要原因之一是氧化铝的存在。纯净的氧化铝是白色无定形粉末,俗称矾土,密度3.94.0g/cm3,熔点2050、沸点2980,不溶于水。故在焊接过程中氧化铝会沉入熔池底部从而形成夹渣，而且厚的氧化铝能吸附大量湿气。在焊接时湿气产生的氢将被熔池吸收，但在焊缝熔池的快速凝固前，这些氢很难彻底地排出，最终将以气孔的方式留在焊缝中。铝合金的热导率和导电性比钢的大很多，焊接电源产生的热量很快地由母材疏导出去，因此铝合金焊接容易产生未焊透，未熔合及焊缝气孔等缺陷。铝线膨胀系数约比钢大2倍。焊接时比焊钢要消耗更多的热量。凝固体积收缩率达6.5%6.6%，故铝及其合金的焊接变形较为显著。焊接时如果不保持适当的焊根间隙，则会产生较大的变形。而且在结晶时，在某些合金的焊缝金属及热影响区等部位会产生裂纹。铝合金在370左右时，强度和塑性很低，不能支持熔化状态的熔液重量而使焊缝成形不良,甚至形成塌陷、烧穿等缺陷。铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，不像钢铁没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿，造成焊接困难。某些铝合金中含有低沸点的合金元素如镁、锌等,这些元素在高温火焰或电弧的作用下极易蒸发烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，同时也降低了焊接接头的性能。故一般情况下，铝及其合金在焊接过程中常会出现气孔、裂纹、夹渣、焊缝、成形不良等缺陷。气孔是焊接铝合金时经常出现的一种缺陷。焊接头中的气孔、裂纹是焊接铝合金时又一经常出现的缺陷。铝合金焊接接头产生的裂纹属于热裂纹，包括结晶裂纹和液化裂纹。铝合金高的热导率和焊缝熔池快速凝固的特点，焊接规范选择不当，焊炬角度不正确以及焊接材料品质不良等，以致焊缝成形不良表现在熔宽尺寸不一，成形粗糙且不光亮，接头经常出现未熔合，未焊透以及咬边等缺陷。4 铝合金材料常用的焊接方法铝合金的焊接方法很多,几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。须根据铝合金的牌号,焊件的用途和工作环境,产品结构,生产条件以及焊接接头质量要求等因素加以选择。常用的焊接方法有:气焊、焊条电弧焊、脉冲氩弧焊、等离子弧焊和激光焊等。近年来，针对铝合金焊接的难点,一些新的焊接工艺得到发展,如搅拌摩擦焊,激光-电弧复合焊,电子束焊等。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊(TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）。一般多为氩弧焊，包括钨极氩弧焊（TIG）、熔化极氩弧焊（MIG）和脉冲氩弧焊等。MIG焊、TIG焊是目前生产中常用的铝合金焊接方法。在汽车制造中，MIG 焊主要用于骨架之间的组装以及外板之间的接缝，大型型材结构的车辆,车顶、地板、侧墙等部件均与车体同长，并且均为纵向焊缝，全自动焊占大约50%，由普通的MIG 焊开发出的焊接新工艺有：大电流MIG 焊、等离子MIG 焊、细焊丝MIG焊及脉冲MIG 焊。铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低，焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比，它可不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜，并在48h内进行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点：焊接时速度低于熔化焊；焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的压力，反面要求有垫板；焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊上或机械切除；搅拌头适应性差，不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头，且搅拌头磨损快；搅拌摩擦焊工艺参数简单，主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。近年来，随着大功率、高性能激光加工设备的不断研制开发，在日美英等发达国家，铝激光焊接技术发展很快，这表明激光焊接技术是未来铝焊接技术的主要发展方向之一。目前，铝合金激光焊接已经被使用在车体部件的连接上。在Audi A2全铝结构上，就有30m激光焊缝，为了更有效的焊接铝合金，人们发展了激光电弧复合焊接工艺。激光电弧复合焊接工艺最早是上个世纪70年代末由伦敦皇家学院提出，激光-电弧复合主要是激光与TIG电弧、MIG电弧及等离子体。为有效地清除铝合金表面的氧化膜,减少钨极的烧损，焊接薄板铝合金常采用交流TIG 焊的方法。但传统的交流TIG焊一般为50Hz的固定频率。电流过零时间相对较长,尤其是焊接过程中铝合金由正极性过渡到负极性时，铝阴极发射电子困难，电弧非常不稳定。脉冲TIG焊是在普通固定电流的TIG焊基础上发展一种新工艺。利用脉冲TIG焊能焊接薄板或超薄板构件，便于精确控制电弧能量及其分布，通过脉冲规范参数的调节，可精确控制电弧能量及其分布，易获得均匀的熔深和焊缝根部均匀熔透，易于焊接难焊金属材料。脉冲TIG焊的焊缝是由焊点相互重叠而成，由于脉冲电流对点状熔池有较强的搅拌作用，且熔池金属冷凝速度快，高温停留时间短，所以焊缝金属组织细密，树枝状结晶不明显，可减小热敏感金属材料焊接时产生裂纹的影响。由于脉冲MIG焊的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的，因而与普通的MIG焊相比，具有较宽的电流调节范围，普通的射流过渡和短路过渡焊接，因受熔滴过渡型式的限制所采用的焊接电源范围都是有限的，采用脉冲电流后，由于可在平均电流小于临界值的条件下获得射滴过渡，所以适合焊接铝合金薄板。采用脉冲电流后，可用较小的平均电流进行焊接，因而熔池体积小，加上熔滴过渡和熔池金属的加热是间歇性的，所以不易发生流淌。此外，由于熔滴的过渡力与电流的平方成正比，在脉冲峰值电流作用下，熔滴的轴向性好，能迫使金属熔滴沿着电弧轴线向熔池过渡，焊缝成形好。可有效地控制输入热量，改善接头性能。电子束焊是另一种高能密度的焊接工艺，焊接铝合金可以得到优质的焊接接头，同时电子束焊的穿透性能好，可以对铝合金厚板进行焊接，但电子束焊要求在真空环境下进行，所以应用受到一定的限制。近年来发展的局部真空电子束焊在一定程度上可以解决这个问题。5 汽车生产中的铝合金电阻点焊及工艺要点铝合金电阻点焊技术成为铝合金在这些领域推广应用的一个主要制约因素。由于铝合金材料的高导电、导热性及其表面存在致密的氧化物（Al2O3）膜等，使铝合金点焊焊接性较差。铝合金点焊所存在的焊点质量问题十分复杂，点焊熔核形成过程的机理研究是解决这些问题的基础。电阻点焊法是用铜合金电极接触焊接物体,通过数万安培以上的电流,利用电阻热使板与板之间的界面熔融成为一体。电阻率和热导率较高，必须采用较大电流和较短时间，才能做到既有足够的热量形成熔核；又能减少表面过热、避免电极粘附和电极铜离子向纯铝包复层扩散、减低接头的抗腐蚀性。电阻点焊比较适合电阻较大的碳钢、不锈钢等材料的焊接。电阻点焊塑性温度范围窄、线膨胀系数大，必须采用较大的电极压力，电极随动性好，才能避免熔核凝固时,因过大的内部拉应力而引起的裂纹。对裂纹倾向大的铝合金,如LF6、LY12、LC4等，还必须采用加大锻压力的方法，使熔核凝固时有足够的塑性变形、减少拉应力，以避免裂纹产生。也可以采用在焊接脉冲之后加缓冷脉冲的方法避免裂纹。对于大厚度的铝合金可以两种方法并用。此外，电阻点焊表面易生成氧化膜，焊前必须严格清理，否则极易引起飞溅和熔核成形不良，使焊点强度降低。清理不均匀则将引起焊点强度不稳定。因此，在汽车制造中铝合金的电阻点焊，是一个值得重视的焊接技术问题。电阻点焊是一个高度非线性，存在力、热、电等多变量耦合作用的过程，有着大量随机不确定因素影响焊点质量，熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性使得焊接质量监测和控制难度较大。目前，国际各大汽车生产厂家根据轻型化和循环利用的观点正在推进车身材料的铝合金化。汽车的发动机罩和后门等部件属于典型的铝合金薄板构造，需要在装配过程中将产生的变形量控制到最小。生产厂为了提高装配生产效率必须采用点结合法，现在主要采用的方法是电阻点焊法。汽车车身的焊装,包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装,一般也都采用电阻点焊工艺。据统计，每辆汽车车身上,有5000多个电阻点焊焊点。若车身选择铝合金材料,各汽车制造厂已有的点焊焊装生产线仍然可以发挥作用,即在汽车制造行业铝合金材料的车身焊接也主要采用电阻点焊。铝合金的点焊，要求电极从开始压紧直到点焊熔核完全凝固的整个过程中，都应保持合适的压力，否则因收缩可能产生气孔和裂纹。因此，焊接铝合金的电阻焊机，除了要具有低惯性的机头之外，还需具备在熔核凝固时增加电极压力的功能，以锻压熔核而提高焊缝的致密性。另外，若在没有清洗或清除氧化膜的铝件上焊接，则电极粘附增加，电极使用寿命降低，导致焊件剪切强度降低、焊缝质量波动和形状不均匀。铝合金电阻焊的另一个关键是工件电阻小、导热快，适于采用直流电源，而直流电源成本高，如采用三相低频电源则具有低成本而优质的特点。自动焊专机用于轿车铝合金车门的焊接，其中包括车门三角区的多点焊接专机和上框与下摆总成的点焊专机。车门三角区接头共7点分两次完成。合理设计制造的点焊专机配合优化的焊接工艺参数，使接头质量达到了令人满意的结果。铝合金的生产和储存环境必须防尘、防水、干燥。环境温度通常控制在5以上，湿度控制在70%以下。应尽量保证焊接环境的湿度不能太高，湿度过高会使焊缝中气孔的产生几率明显增加，从而影响焊接质量。空气的剧烈流动会引起气体保护不充分，从而产生焊接气孔，可设置挡风板以避免室内穿堂风的影响。铝合金焊接对焊材的使用应该注意：铝焊丝要与钢焊材分开储存，使用期不超过1年。焊接完成后，要在焊机中取出焊丝进行密封处理，防止污染。不同材质的送气软管抵抗湿气进入的能力不同，尤其在送气压力高时，送气软管的影响更明显。送气软管最好使用特富龙软管。铝合金焊接最好选用点接触形式的工装，以减小工装与工件的接触面积。如果工装对工件是面接触，就会很快带走工件的热量，加速了熔池的凝固，不利于焊缝气孔的排除。工装液压系统的压力最好控制在99.5MPa。压力过小达不到预设反变形的目的，但是压力过大，又会使铝合金结构的拘束度增大。由于铝合金的线胀系数大、高温塑性差，焊接时易产生较大的热应力，可能会使铝合金结构产生裂纹。对于6005A、6082、5083母材来说，选择的焊丝牌号为5087/AlMg4.5MnZr，5087焊丝不仅抗裂性能好，抗气孔性能优越，而且强度性能也很好。对于焊丝规格的选择，优先选择大直径规