非熔化极气体保护焊在汽车行业的应用.doc

非熔化极气体保护焊在汽车行业的应用学院：材料科学与工程学院学号：1082910117姓名：张泽强1、 汽车行业使用的材料现状、用途和典型产品1.1 钢在今后一段时期内, 钢铁材料在汽车材料构成中所占的比例相对较为稳定,仍将占据主导地位, 但其内部结构将发生变化。主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢的用量将有较大增长,铸铁和中、 低强度钢的比例将会逐步下降1。 高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一。为了应对来自轻质材料的挑战, 钢铁企业将开发重点放在了高强度材料上,先后开发出了高强度钢( 屈服强度大于 210MPa) 、超高强度钢(屈服强度大于550MPa) 和先进的高强度钢( 以下统称为高强度钢) ,取得了良好的减重效果。目前汽车使用的高强度钢主要为板材与管材,它们取代普钢、 铸铁用于车身零件和其他结构件。如高强度钢制成的传动轴可减轻约10%, 而北美开发的PNGV- Class轿车,其车身全部采用高强度钢,重量只有218 公斤,与全铝车身重量相当。事实上, 高强度钢已成为颇具竞争力的汽车轻量化材料, 它在抗碰撞性能、 耐蚀性能和成本方面较其他材料仍具有较大的优势。最新的应用情况表明, 有些采用铝合金、 镁合金的零件, 如保险杠、 车轮、 骨架、前门、 后门、 横梁等, 又转而采用(高强度) 钢设计。安全法规是推动高强度钢应用的重要动力,为满足更为严格的安全法规要求(如侧面碰撞) , 各大汽车公司均加快了高强度钢在汽车车身、 底盘、 悬架和转向系零件上的应用, 高强度钢在汽车中的应用逐年增加。以强度级别为340MPa和 550MPa 的钢板为例, 它们在汽车用钢中所占的比例分别已由 1998 年的 9% 和1%, 提高到2004 年的28%和5% ;而强度级别为280MPa 的普通钢板在同期内则由 10% 下降到4%。预计到2008 年,高强度钢在汽车用钢中所占的比例将会达到60%。1.2 铝铝是汽车用有色金属中用量最多的,铝合金代替传统钢铁材料可使整车质量减轻30% 40%2。汽车上的铝零件以铸件为主,如缸体、缸盖、变速箱壳体、气室罩盖等, 它们大约占了汽车用铝量的 80%。在轻量化的推动下,铝合金材料及其应用技术发展很快, 在近年来出现的全铝车身以及铝密集型汽车( 如福特P2000)中,铝的比例更是高达37%。铝的应用现正朝车身零件及结构件的方向发展, 如应用日益广泛的铝合金车箱盖、 发动机罩、 提升式后车门、 前端翼子板、 发动机支架以及全铝车身骨架等。未来铝在汽车中的应用范围将进一步扩大,并将呈现铸件、 型材、 板材并举的局面1。1.3 镁 镁是比铝更轻的金属材料,比重为铝的2/ 3, 可在铝减轻质量基础上再减轻15% 20%。 在轻量化的驱动下, 20世纪90 年代以来, 镁在汽车中的应用一直处于快速增长阶段2。镁合金的开发和应用已成为汽车材料技术发展的一个重要方向。目前,所用的镁合金材料以铸造镁合金为主。大量用于装车的镁合金零件主要是车身和底盘零件, 包括仪表板骨架与横梁、座椅骨架、转向盘和进气歧管等。在欧洲, 镁合金在汽车上的应用方面, 德国一直处于领先地位, 如大众汽车公司的新车奥迪 A6 单车用镁合金已达40kg ; 在美国, 三大汽车公司均已采用镁合金零件, 主要用于发动机及支撑结构件; 在日本, 镁合金主要用于变速器壳体、气缸罩盖及转向锁架等。在国内,2001年一汽集团、 东风公司、 上汽集团等参与了国家镁合金应用技术攻关项目。东风公司开发了镁合金变速器上盖、脚踏板、真空助力器中间隔板及制动阀体等; 一汽集团开发了36种镁合金压铸件,其中发动机气缸罩盖、转向盘骨架等零件已应用于生产; 上汽集团开发了桑塔纳轿车的镁合金变速器外壳、踏板支架和轮毂等。1.4 不锈钢 不锈钢在汽车中的应用虽然有较长的历史(据统计, 自上世纪90 年代以来,典型的家用轿车不锈钢用量基本上稳定在25 公斤/辆左右)。但它主要用于制造轿车的排气系统零件, 而作为轻量化材料应用于结构零件的试验与试制研究,是近几年才开始的1。具有减重潜力的不锈钢材料主要为高强度不锈钢, 如AISI300 系列和AISI200 系列含氮的高强度奥氏体不锈钢,以及不锈钢复合板。例如, 采用 AISI301、AISI204M 等高强度不锈钢板试制的轿车前侧防撞弓形梁和保险杠、后挡板、发动机支架、LPG瓶等零部件，减重幅度一般可达 30%左右。二、采用非熔化极气体保护焊焊接典型结构产品的现状2.1 铝合金缸体、缸盖、变速箱壳体 在生产实践中，铝合金部件TIG焊一般都采用交流电源。用纯氩气或富氩 （10%或更多）的氩氦混合气体作保护气体时，使用交流电源，表面氧化物可由电弧的作用将其去除。但是使用含氦量为90%或更高的氩氦混合气体时，电弧对氧化物的去除作用减少，这主要是因为氦气比氩气轻得多的缘故。为此采用纯氦气和富氦的氩氦混合气体保护时，很少使用交流焊接，而一般采用直流正接电源3。 铝及铝合金焊前清理氧化膜要求非常严格，通常分为化学清理和机械清理。化学清理用于焊丝和形状复杂或小的工件，而机械清理常用在工件尺寸较大、多层焊时。PAW焊焊接铝合金时，采用直流反或交流以钨极作为电极，铝及铝合金交流等离子弧焊接多采用矩形交流焊接电源，用氩气作为等离子气和保护气体，对于纯铝和防锈铝，采用等离子弧焊接，其焊接性良好。硬铝的弧焊接性尚可。2.2 A-TIG焊焊接不锈钢保险杠、后挡板、发动机支架 在焊接不锈钢部件时，经常采A-TIG焊接。A2TIG焊接是在 TIG焊接中采用活化剂来增加焊缝熔深的一种新型高效的焊接方法。与 TIG焊相比A2TIG焊接具有焊接效率高、 焊缝质量良好、 操作方便、 成本低廉等显著优点。A2TIG焊接前需在待焊区域涂敷专用的活化剂 ,不开坡口 ,进行直边对接 ,焊接时不加焊丝。对于中厚板(310mm)如果满足装配精度要求时 ,可实现单面焊双面成形。2.3 镁合金底盘零件镁及其合金在没有隔绝氧的条件下焊接时易燃烧, 熔焊时需要用惰性气体或焊剂保护, 但目前还没有有效的镁合金焊剂, 而且焊剂也不能保护热影响区, 目前镁合金的钨极氩弧焊成为镁合金焊接最常用的方法4。三、非熔化极气体保护焊焊接汽车部件时可能出现的问题及解决办法3.1 铝合金部件的TIG焊3.1.1焊接电流和电压当电流的种类与极性确定之后，决定焊接电流大小的主要因素就是板厚、尺寸、接头形式、焊接位置以及焊工技术水平高低。电流过小会产生焊缝边缘熔合不良、末焊透等缺陷；电流过大易使焊件烧穿。一般情况下，随着焊接电流的增加熔深是增加的。手工TIG焊时，采用交流电源，在焊接厚度小于6mm金属板时，应采用直径为1.65mm的钨极，最大焊接电流根据电极直径不同可按式I=(6065) d确定。电弧电压主要由弧长决定，弧长增加，焊缝宽度增加、熔深稍减小。但电弧太长时，容易引起末焊透及咬边，而且保护效果也不好。但电弧也不能太短，电弧太短时很难看清楚熔池，而且送丝时容易碰到钨极引起短路，使钨极受到污染，加大钨极烧损，还容易夹钨。根据生产实践，通常使弧长近似等于钨极直径比较合理。3.1.2焊接速度当进行铝及铝合金TIG焊时，为了减小变形，宜采用较快的焊接速度。但过快容易产生末焊透和未熔合，过慢则导致焊缝超宽和产生焊漏烧穿等缺陷。手工TIG焊时，通常都是焊工根据熔池的大小熔池形状和两侧熔合形状随时调整焊接速度。在TIG焊时，焊接工艺参数的选择，一方面尽量采用小线能量以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，因而须适当提高焊接速度；但同时又要能充分保证根部熔合，以利于根部氧化膜上的气泡浮出，因而又须适当增大焊接电流，采用大的焊接电流配合较高的焊接速度是比较有利的。否则，焊接电流不够大，焊接速度又比较高时，根部氧化膜不易熔掉，气体也不易排出，气孔倾向必然增大。3.1.3喷嘴直径与保护气体流量 喷嘴孔径越大，保护区范围越大，要求保护气体的流量也越大。但是喷嘴直径过大时，对有些焊接位置可能不易焊到，或妨碍焊工视线，影响焊接质量。一般铝及铝合金TIG焊时喷嘴孔径以522mm为宜。当喷嘴直径决定后，决定保护效果的是保护气体流量。如果流量太小，气流挺度差，排除周围空气的能力减少，保护气流软弱无力，保护效果不好。流量太大，容易产生紊流，使周围的空气卷入，降低了对熔池保护作用。同时，气流量过大，带走电弧区的热量增多，对电弧的稳定性燃烧也不利。3.2 不锈钢部件进行奥氏体不锈钢的焊接时,由于热导率低，线膨胀系数大，容易造成焊缝过热和较大的焊接变形，尤其在中厚板的多层多道焊的情况下通常因对焊缝的反复加热而出现焊缝晶间腐蚀5。而采用A-TIG焊，由于其电弧能量集中，可以对中厚板进行小线能焊接，从而缩短焊缝高温停留时间，减少对焊缝的热输入量。可以解决奥氏体不锈钢焊接中存在的焊缝容易过热以及焊接变形较大的问题，同时还可以提高焊缝的耐腐蚀性能，充分发挥奥氏体不锈钢的耐蚀特性。由于A-TIG焊接技术在焊接时不开坡口，不填加焊丝，要实现单面焊双面成形，对焊接装配精度要求很高，这就对工件加工状态、精度以及焊接工装提出了很高的要求。为了使A-TIG焊接技术能在科研生产中发挥更大的作用，还需要在今后的工作中对现有的配套加工工艺进行改进，逐步完善该技术应用中的各种条件，以期该技术早日在实际生产中得以成熟的应用。3.3镁合金部件镁合金焊完后往往存在一定缺陷，常见的缺陷有气孔、夹杂和裂纹。一个大的工件由于一、两点个别缺陷焊补不好而报废，造成不必要的损失，所以焊补是镁合金焊接中一项很重要的工作6。四、非熔化极气体保护焊在汽车行业应用前景展望 中国目前的制造业针对厚38mm材料的焊接，仍处于一个发展不平衡状态， 75%的企业设备及工艺技术落后，仍采用传统的焊条电弧焊或手工TIG焊工艺，该工艺存在工作效率低、质量不稳定、制造成本高、焊后打磨及变形大等缺点，因而无法参与国际竞争。而或相当少的一部分企业采用了自动焊工艺，如自动TIG、MIG、等离子弧焊接工艺，极大地提升了焊接质量。特别是在国内不锈钢焊管行业，自20世纪80年代就开始使用等离子弧焊接工艺，针对厚38mm不锈钢可以不开坡口，一次焊透，少了多道工序，节约了制造成本。因而在国内相关行业加大推广新型高效的等离子弧焊工艺及设备，具有重要的实用价值。汽车技术向着节能、安全、环保的方向发展，凡是对汽车的动力性、经济性、可靠性、耐久性、操纵稳定性、安全性、低排放等方面有利的焊接技术都将有广泛的应用空间。手工TIG焊的使用将会越来越少，而自动化TIG焊和PAW焊将会得到大幅推广。参考文献1 冯美斌. 轻量化:汽车材料技术发展主导方向. 中国冶金报,2004,12(04):第007版.2 张继魁，王保忠，董伦. 从2004汽车材料年会看汽车材料的发展. 重型汽车,2004,6: