铝合金的点焊

河南机电高等专科学校毕业论文 第 1 页 4 3 20204 57 56 上午 1 绪 论 2 2 铝合金的应用 3 2 1 铝合金在航空上的应用 3 2 2 铝合金用作汽车零部件通常具有以下优点 3 2 3 铝合金在摩托车上的应用 4 2 4 铝合金在自行车上的应用 4 2 5 铝合金在 3C 产品上的应用 5 2 6 铝合金在国防工业中的应用 5 3 铝合金的成分 分类和性能 6 3 1 铝合金的分类 6 1 非热处理强化铝合金 7 2 铝合金的性能铝合金的物理性能 9 3 2 铝合金的焊接性特点 10 4 铝合金的点焊 10 4 1 铝合金点焊条件 10 4 2 铝合金的表面状态对点焊质量的影响 10 4 3 铝合金点焊接头的质量要求 11 4 4 铝合金点焊接头质量的检测方法 11 4 5 铝合金电阻点焊特点 12 5 铝合金点焊工艺 12 5 1 焊接工艺的制定 12 5 2 铝合金主要点焊缺陷 14 6 试验材料及方法 15 6 1 试验材料及方法 15 6 2 点焊接头主要尺寸的确定 15 6 3 实验结果与分析 16 6 4 工艺参数对接头性能的影响 16 6 4 1 焊接电流 16 6 4 2 电极压力 18 6 4 3 焊接时间 19 6 5 撕裂实验 20 6 6 点焊接头组织分析 20 7 结论 21 参考文献 22 河南机电高等专科学校毕业论文 第 1 页 4 3 20204 57 56 上午 1 1 绪绪 论论 随着现代工业的发展 对工业材料的要求越来越向着质量轻 强度高 易加 工的方向发展 由于铝及铝合金材料具有一系列的优良特性 已广泛应用于国民经济 的各个领域 成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生活水平的重要基础材料 近二十年来 我国的铝加工业发展十分迅速 其产量已从 1980 年不到 30 万吨 发展到 2005 年的 583 7 万吨 同时 出现了许多的新材料 新技术 新工艺及新设备 我国已经成为名副其实的铝业大国 铝和铝合金具有优异的物理性能和力学性能 其密度低 比强度高 热导率高 电导率高 耐蚀能力强 已广泛应用于机械 电力 化工 轻工 航空 航天 铁道 舰船 车辆等工业内的焊接结构产品上 例如飞机 飞船 火箭 导弹 高速铁道机 车和车辆 鱼雷和鱼雷快艇 轻型汽车 自行车和赛车 大小化工容器 空调器 热 交换器 雷达天线 微波器件等 都采用了铝和铝合金材料 制成各种熔焊 电阻焊 钎焊结构 在未来的几十年里 铝及铝合金的发展仍将保持较高的发展速度 其地位及应用 在国民经济生活中越来越重要并将渗入到国民经济更加广泛的空间 河南机电高等专科学校毕业论文 第 2 页 4 3 20204 57 56 上午 2 2 铝合金的应用铝合金的应用 2 12 1 铝合金在航空上的应用铝合金在航空上的应用 航空工业上应用铝合金带来的经济效益和性能的改善十分显著 商用飞机与汽车 减重相同质量带来的燃油费用节省 前者是后者的 100 倍 而战斗机的燃油费用节省 又是商用飞机的近 10 倍 正因为如此 航空工业才会采取各种措施增加铝合金的用量 并在相应的零部件开发上得以应用 如航空发动机零件 飞机及导弹蒙皮和仓体 飞 机壁板 汽油和润滑油系统零件 油箱隔板 副油箱挂架 翼肋 飞机仓体隔框 战 斗机座舱舱架 操作系统摇臂和支座 卫星角架 飞机起落架外筒 轮毂 轮缘 直 升机发动机后减速机匣 上机匣 涡轮喷气发动机的前支撑壳体 压气机匣等各类承 力构件以及各种附件 2 22 2 铝合金用作汽车零部件通常具有以下优点铝合金用作汽车零部件通常具有以下优点 提高燃油经济性综合标准 降低废气排放和燃油成本 据测算 汽车所用燃料 的 60 消耗于汽车自重 汽车每减重 10 耗油将减少 8 10 质量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷 同时还可改善刹车和加速性能 可以极大改善车辆的噪声 振动现象 此外 铝合金具有的优异变形及能量吸收能力大大提高了汽车的安全性能 铝合 金压铸件具有一次成形的优势 可以将原来多种部件组合一次成形 这种代替众多单 个部件的方式可以大大提高生产率 同时还能达到减少制造误差和装配误差 减少部 件间的摩擦和振动 降低车辆噪声 河南机电高等专科学校毕业论文 第 3 页 4 3 20204 57 56 上午 图图 2 12 1 铝合金在汽车工业上的应用铝合金在汽车工业上的应用 2 32 3 铝合金在摩托车上的应用铝合金在摩托车上的应用 摩托车使用铝合金的历史和汽车工业使用铝合金的历史同样久远 事实上 汽车 工业应用铝合金主要是为了减轻质量 以达到降低油耗 减轻污染物排放的目的 相 比之下 摩托车工业应用的效果更为明显 同时 铝合金由于其具有极佳的减震性能 在驱动部件上应用对于提高摩托车的舒服性至关重要 2 42 4 铝合金在自行车上的应用 铝合金在自行车上的应用 自行车由于是人力驱动的工具 因而质量的减轻带来的效果非常显著 更轻的自 行车能获得更好的加速性能 爬坡性能 转弯性能 并且更容易操纵 因而在国外自 行车行业流传着 产品轻 1g 多卖 1 美元 的说法 铝合金质量轻的特性满足了这一要 求 不仅如此 铝合金应用在自行车上还具有以下独特的优异性能 突出的疲劳无记忆性 更好的动力学性能 更好的承受力 相对于塑料件 极佳的减振特性 相对于钢等金属部件 图图 2 2 铝合金在自行车上的应用铝合金在自行车上的应用 河南机电高等专科学校毕业论文 第 4 页 4 3 20204 57 56 上午 2 52 5 铝合金在铝合金在 3C3C 产品上的应用产品上的应用 铝合金 3C 产品最早出现于日本 1998 年 日本厂商开始在各种可携式商品上采用 铝合金材质 如今运用铝合金最普遍的 3C 产品是笔记本电脑 在 3C 产品朝着轻 薄 短 小方向发转趋势的推动下 近年来铝合金的应用得到了持续增长 目前用铝合金 制作零部件的电器产品有照相机 摄影机 数码相机 笔记本电脑 移动电话 电视 机 等离子显示器 硬盘驱动器等 笔记本电脑使用铝合金作为机壳几乎是基于铝合 金的全部优点 防震性能提高了电脑部件的可靠运行 抗电磁波干扰和电磁屏蔽性能 保证了电脑的信息安全 优良的热传导性 大大地改善了电脑的散热问题 而移动电 话则是利用了铝合金防震 抗磨损及可屏蔽电磁波的特殊功能 又能满足轻 薄 短 小的要求 2 62 6 铝合金在国防工业中的应用铝合金在国防工业中的应用 铝及其合金由于质量轻而被广泛地应用于国防 航空航天产品中 兵器质量是一 项重要的战绩指标 减轻兵器质量对提高兵器机动性及战场生存能力有重要意义 采 用轻金属是兵器装备轻量化的主要手段之一 AMX 30 坦克为法国装甲部队的主要设备 之一 是二次世界大战后法国生产数量最多的坦克 AMX 30 坦克的 CN105F1 型 105mm 线膛炮的身管热护套采用了铝合金 英国的大口径 120mmBATL6 Wombat 无后座力反坦 克炮采用了铝合金 大大减轻了质量 加上所配的 M80 5in 步枪 总重才 308kg 美军 装备的 M274A1 型军用吉普车采用了铝合金车身及轿壳 大大减轻了质量 具有良好的 机动性及越野性能 有的改型还装上无后座力炮 成了最袖珍的自行火炮 法国 MK50 式反坦克枪榴弹部分零件应用了铝合金材料 其全弹质量仅 800g 俄罗斯生产的 POSP6X12 枪用变焦距观测镜采用铝合金壳体 该种观测镜可装在多种枪上 Hunter Fire arm 1nc 用铝合金制造了 M39M1 手枪的枪机零件 美国制造的一种 Racegun 强 装药 运用了先进技术的战斗用手枪 其扳机等零件采用镁 钛合金 质量减轻 45 击发时间减少了 66 欧美一些国家已将铝合金用于便携式火器支架 单兵用 通讯器材壳体 德国 以色利采用铝合金制造了枪托 铝合金在兵器上除上述应用外 还可用作坦克装甲车辆 防空反导系统 战术导弹 光电器械 引信及通信器材等 未来战争要求机动性和快速反应 减轻武器装备质量是未来武器装备发展方向之一 随着铝合金研究的深入及材料性能的提高 铝合金在兵器中的应用会越来越多 河南机电高等专科学校毕业论文 第 5 页 4 3 20204 57 56 上午 3 3 铝合金的成分 分类和性能铝合金的成分 分类和性能 3 13 1 铝合金的分类铝合金的分类 铝合金可分为变形铝合金 双分为非热处理强化铝合金 热处理强化铝合金两类 铸造铝合金 变形铝合金是指经不同的压力加工方法制成的板 带 管 型 条等半 成品材料 铸造铝合金以合金铸锭供应 铝合金分类示意见图 3 1 铝合金的分类及性 能特点见表 1 1 按 GB T3190 1996 和 GB T16474 1966 的规定 铝合金牌 号命名的基本原则是 可直接采用国 际四位数字体系牌号 四位字符牌号 的第一位 第三位 第四位为阿拉伯 数字 第二位为英文大写字母 2 为 Al Cu 系 3 为 Al Mn 系 4 为 Al Si 系 5 为 Al Mg 系 6 为 Al Mg Si 系 7 为 Al Zn 系 8 为 Al 其他元素 9 为 Al 备用系 这样 我国变形铝合金 的牌号表示法与国际上的通用方法基本一致 表表 3 3 1 1 铝合金的分类及性能特点铝合金的分类及性能特点 分分类类合合金金名名称称合合金金系系性性能能特特点点示示例例 Al Mn3A21非热处理强 化铝合金 防锈铝 Al Mg 抗蚀性 压力加工性与焊接 性能好 但强度较低5A05 硬铝Al Cu Mg力学性能高2A11 2A12 变变 形形 铝铝 合合 热处理强化 铝合金超硬铝Al Cu Mg Zn硬度强度最高7A04 7A09 河南机电高等专科学校毕业论文 第 6 页 4 3 20204 57 56 上午 Al Mg Si Cu2A14 2A50金金 锻铝 Al Cu Mg Fe Ni 锻造性能好 耐热性能好2A70 2A80 简单铝硅合金Al Si 铸造性能好 不能热处理强 化 力学性能较低 ZL102 Al Si MgZL101 Al Si CuZL107 Al Si Mg CuZL105 ZL110 特殊铝硅合金 Al Si Mg Cu Ni 铸造性能良好 可热处理强 化 力学性能较高 ZL109 铝铜铸造合金Al Cu耐热性好 铸造性能与抗蚀性差 ZL201 铝镁铸造合金Al Mg力学性能高 抗蚀性好ZL301 铝锌铸造合金Al Zn能自动淬火 宜于压铸ZL401 铸铸造造铝铝合合金金 铝铝稀稀土土铸铸造造合合金金Al Re耐耐热热性性能能好好 1 1 非热处理强化铝合金 非热处理强化铝合金 非热处理强化铝合金通过加工硬化 固溶强化提高力学性能 特点是强度中等 塑性及耐蚀性好 又称防锈铝 原先代号为 LF Al Mn 合金和 Al Mg 合金属于 防锈铝合金 不能热处理强化 但强度比纯铝高 并且具有优异的抗腐蚀性和良好的 焊接性 是目前焊接结构中应用最广的铝合金 超硬铝 锻铝等 硬铝硬铝 硬铝的牌号是按铜的增加顺序编排的 Cu 是硬铝的主要成分 为了得到高 的强度 Cu 含量一般应控制在 4 0 4 8 Mn 也是硬铝的主要成分 主要作用是消除 铁对抗蚀性的不利的影响 还能细化晶粒 加速时效硬化 在硬铝合金中 铜 硅 镁等元素能形成溶解于铝的化合物 从而促使硬铝合金在热处理时强化 退火状态下硬铝的抗拉强度为 160 220MPa 经过淬火及时效后抗拉强度增加至 312 460MPa 但硬铝的耐蚀性能差 为了提高合金的耐蚀性 常在硬铝板表面覆盖一 层工业纯铝保护层 超硬铝超硬铝 合金中锌 镁 铜的平均总含量可达 9 7 13 5 在当前航空航天工业 中仍是强度最高和应用最多的一种轻合金材料 超硬铝的塑性和焊接性差 接头强度 河南机电高等专科学校毕业论文 第 7 页 4 3 20204 57 56 上午 远低于母材 由于合金中锌含量较多 形成晶间腐蚀及焊接热裂纹的倾向较大 锻铝锻铝 具有良好的热塑性 而且铜含量越少热塑性越好 适于作锻件用 具有中 等强度和良好的抗蚀性 在工业中得到广泛应用 铝合金的新旧牌号对照见表 3 2 表表 3 3 2 2 铝合金的新旧牌号对照铝合金的新旧牌号对照 类类别别新新牌牌号号旧旧牌牌号号类类别别新新牌牌号号旧旧牌牌号号 防防锈锈铝铝合合金金 5A02 5A03 5A05 5A06 5B05 5083 5056 3A21 3003 LF1 LF2 LF3 LF5 LF6 LF10 LF4 LF5 1 LF21 锻铝合金 6A02 2A50 2B50 2A70 2A80 2A90 2A14 6061 6063 LD2 LD5 LD6 LD7 LD8 LD9 LD10 LD30 LD31 硬硬铝铝合合金金 2A01 2A02 2A04 2A06 2B11 2B12 2A10 2A11 2A12 2A13 2A16 2A17 LY1 LY2 LY3 LY4 LY6 LY8 LY9 LY10 LY11 LY12 LY13 LY16 LY17 超超硬硬铝铝合合金金 7A03 7A04 7A09 7A10 7003 LC3 LC4 LC5 LC9 LC10 LC12 河南机电高等专科学校毕业论文 第 8 页 4 3 20204 57 56 上午 2 2 铝合金的性能铝合金的物理性能 铝合金的性能铝合金的物理性能 表表 3 3 3 3 铝合金的物理性能铝合金的物理性能 合合金金 密密度度 g cm 1 比比热热容容 100 J kg 1 K 1 热热导导率率 25 W m 1 K 1 线线胀胀系系数数 20 100 10 6K 1 电电阻阻率率 20 10 6 m 备备注注 原原牌牌号号 3A21 5A03 5A06 2A12 2A16 6A02 2A10 7A04 2 73 2 67 2 64 2 78 2 84 2 70 2 80 2 85 1009 880 921 921 880 795 836 180 0 146 5 117 2 117 2 138 2 175 8 159 1 159 1 23 2 23 5 23 7 22 7 22 6 23 5 22 5 23 1 3 45 4 96 6 73 5 79 6 10 3 70 4 30 4 20 防防锈锈铝铝LF21 防防锈锈铝铝LF3 防防锈锈铝铝LF6 硬硬铝铝LY12 硬硬铝铝LY16 锻锻铝铝LD2 锻锻铝铝LD10 超超硬硬铝铝LC4 防锈铜器 铝锰合金 铝铝合金 主要用于要求高的塑性的焊接性 在液体或气 体介质中工作的低载荷零件 如油箱 汽油或润滑油导管 各种液体容器和其他用深 拉制作的小负荷零件等 铝合金被广泛应用航空航天 建筑 汽车 机械制造 电工 化学工业 商业等领域 铝合金在飞机制造中是主要的结构材料 它约占骨架质量的 55 而且大部分关键轴承部件 如涡轮发动机轴向压缩机叶片 机翼 骨架 外壳 尾翼等是由铝合金制造的 3 23 2 铝合金的焊接性特点铝合金的焊接性特点 铝合金熔化焊时有如下困难和特点 1 铝和氧的亲和力很大 因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝膜远远 超过铝的熔点 这层氧化膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿 在焊接或钎焊 过程中应将氧化膜清除或破坏掉 2 熔焊时 铝合金的焊接性首先体现在抗裂性上 在铝中加入铜 锰 硅 镁 河南机电高等专科学校毕业论文 第 9 页 4 3 20204 57 56 上午 锌等合金元素可获得不同性能的合金 各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响不同 3 铝合金的固态和液态色泽不易区别 焊接操作时难以控制熔池温度 4 焊后焊缝易产生气孔 焊接接头区易发生软化 4 4 铝合金的点焊铝合金的点焊 4 14 1 铝合金点焊条件铝合金点焊条件 点焊铝合金板材时 它需要大的电流短时间的强规范焊接 这与铝合金电阻小 散热系数大有关 由于铝的热膨胀系数很大 在铝合金点焊过程中易出现大变形 4 24 2 铝合金的表面状态对点焊质量的影响铝合金的表面状态对点焊质量的影响 铝合金的表面状态对点焊质量的影响很大 因此在点焊前必须对焊件进行清理 去掉其表面铬化物保护层和镁的氧化物 铝易与电极铜发生反应生成金属间氧化物 使得电极与试件发生黏附现象 影响焊点的质量 因此在点焊铝合金的时候要加强电 极的冷却 同时需要电极与工件接触面电阻均匀分布 不会是因为电流的强烈集束而 在接触面上产生大量的电阻热 进而有效的改善电极粘附现象 4 34 3 铝合金点焊接头的质量要求铝合金点焊接头的质量要求 电阻点焊被认为是汽车车身制造中最重要的连接工艺 尽管有激光束焊接和粘结 剂粘接等新技术 但点焊在汽车车身制造中仍然会保留其稳固的地位 由于许多因素 都会影响点焊的加工质量 而且点焊的质量标准要求很高 因此有必要系统地检查点 焊接头的质量 4 44 4 铝合金点焊接头质量的检测方法铝合金点焊接头质量的检测方法 过去的检测点焊接头作法是采用损伤性测试方法进行随机测试 由于这种方法存 在一些缺点 例如 会毁坏测试样件或使其变形 测试时间长 在凿击过程中会损坏 和松动工件 当使用 锌粘结剂 时使用凿击的方法会找不到粘接点 所以它已不适 合现代制造技术和成本核算意识 这里提供了一种补救方法 点线超声测试法 河南机电高等专科学校毕业论文 第 10 页 4 3 20204 57 56 上午 用这种方法 在焊接过程中就可进行焊点的检查 IQR 系统 是电阻点焊过程中在线 质量测试和优化的一种新的控制工艺 这种方法可以在使用 U I 特性评价的基础上补 偿控制中一些参数变化的干扰 如板材厚度的变化 镀层厚度的变化 电极磨损损耗 等的变化 由于操作简单 IQR 控制器保证了稳定可靠的高质量点焊 并且节省了时间 和成本 在电阻点焊领域 人们可以清楚地看到焊接设备中使用伺服马达驱动的明显 趋势 在 2001 年的国际埃森焊接展览会上 不少于 12 家制造商展示了使用伺服电机 驱动技术的焊接设备 安装在微型点焊机 手动和机器人焊枪 以及基座式点焊机上 根据专家预测 由于焊接质量好和焊接周期较短 所以气动焊接设备将会越来越多地 被伺服驱动的焊接设备所取代 另外 一些制造商展示的焊枪采用气冷伺服电机驱动 对电极需要施力和对焊接周期时间有要求的焊接任务有广泛的应用前景 带有焊头压 电线性驱动的微型点焊装置 具有理想的重新设定参数的特性 并能方便地对移动路 线进行编程 由于其机械结构坚固稳定和采用了压电驱动技术 所以使焊接前后定位 所需的时间很短 因此 可以不失时机地从工作清理阶段转换到工作阶段 积蓄焊接 的动力 由于机构坚固和采用了动态性能极高的驱动系统 使焊枪电极头更适用于自 动焊接装置中 焊接效率很高 用于冲法铆接和点焊的普通焊枪 在运动速度和精度 方面受到要求更加严格的高生产率的机器人的挑战 为了能够达到较大的工作范围 而折弯程度最小 通过精心设计开发了新一代的机器人焊枪 制造材料采用了结构极 轻的碳纤维加强塑料 CFRP 根据研究成果 经过精心试验优化后制造了一个焊枪样 品 最近研制的结构有一个纵向加强的非常坚固的弯曲臂和可提供强大的反作用力 竟然可以通过在线控制补偿角度的偏移 这一应用促进了人们进一步开发更好的现代 纤维材料制造轻型结构的潜力 4 54 5 铝合金电阻点焊特点铝合金电阻点焊特点 铝合金具有良好的导热性和导电性 点焊时 须在较短的时间内通过大电流 铝的表面易氧化 零件间的接触电阻增大 当通过大的焊接电流时 往往产生飞溅 断电后熔核开始冷却 由于导热性好及线膨胀系数大 熔核收缩快 易引起缩孔及 裂纹等缺陷 基于上述特点 点焊机应能保证瞬时快速加热 直流冲击波点焊机及一般的交流 点焊机均可适用铝合金的点焊 点焊用的电极应选用高导电性的铜合金 电极端部需 打磨光滑 打磨时应注意及时清理落下的铜末 河南机电高等专科学校毕业论文 第 11 页 4 3 20204 57 56 上午 5 5 铝合金点焊工艺铝合金点焊工艺 5 15 1 焊接工艺的制定焊接工艺的制定 焊接接头形式 在铝合金点焊过程中接头的设计极其重要 铝合金电阻点焊时接头 如下图所示 图图 5 15 1 铝合金点焊接头形式铝合金点焊接头形式 焊前清理 为了防止腐蚀 铝合金通常用氧化处理 使其表层有一层铬酸盐填充的 氧化膜 这层氧化膜是焊接时的重大障碍 所以在焊前必须彻底清楚这层氧化膜以及 其他油污 机械法清理可以用刮刀或直径 0 15 0 25mm 的不锈钢丝刷从正面将焊缝区 25 30 mm 内的杂物及氧化物除掉 预热 焊前预热主要取决于母材的厚度和拘束度 对于薄板与拘束度大的接头 经 常需要预热 以防止裂纹 预热有整体预热和局部预热两种 整体预热在炉中进行 预热温度以不改变其原始热处理状态和冷作硬化状态为准 一般在 300 350 摄氏度 在 2 2 5h 内升至所需温度 焊接参数的选择 选择点焊参数时 先大概选择电极压力值 然后再调节焊接电流 及通电时间 焊接及电极压力过大 会导致焊件变形 焊点凝固后电极压力需保持一 定时间 若压力维持时间太短 焊点内容易出现气孔 裂纹等缺陷 0 5 3 0mm 厚铝合 金电阻点焊工艺参数表 5 1 河南机电高等专科学校毕业论文 第 12 页 4 3 20204 57 56 上午 表表 5 1 铝合金点焊工艺参数铝合金点焊工艺参数 板 厚 mm 球 面 电 极 直 径 mm 焊 接 电 流 KA 焊 接 时 间 s 电 极 压 力 KN 锻压力 N 锻压 开始 时 间 s 铝合金牌 号 0 87525 280 04 00 81 96 2 45 1 010029 320 042 45 3 53 1 515035 400 063 43 3 92 2 020045 500 104 41 4 90 2 520049 550 10 0 145 80 6 37 3 020057 600 12 0 187 8421560 2A21 5 A03 5A 05等铝 合金 0 57519 260 022 25 3 04 2940 3136 1 010029 360 043 53 3 927840 88200 06 1 615041 540 064 90 5 7813230 137200 08 2 020050 550 106 86 8 8218620 191100 12 2 520080 850 147 84 10 7824500 254800 16 3 020090 94O 1610 78 11 7629400 313600 20 2Al2cZ7 A04CS等 铝合金 对于 1 5mm2A21 的点焊的焊接参数的选择为 电极直径 16mm 电极压力 2850N 通电时间 0 15s 焊接电流 35000A 焊点直径 7 5mm 最小剪切力 2210N 5 25 2 铝合金主要点焊缺陷铝合金主要点焊缺陷 结晶裂纹 与电流特性 结晶时的应力状态和成分偏析有关 缩松和缩孔 缩松和缩孔的产生主要与焊接过程中金属热膨胀及焊接后期锻压力大 小有关 电极粘附和焊接喷溅是铝合金点焊中最常见的缺陷 产生的主要原因是电极与工件 以及工件与工件界面处局部过热造成的 由于铝合金高热导率 低熔点 低比热容和 大的线膨胀系数 焊接中需要采用大电流短时间的强参数焊接 所以相对于钢铁来说 河南机电高等专科学校毕业论文 第 13 页 4 3 20204 57 56 上午 喷溅在铝合金焊接中更容易发生 内部喷溅产生的原因主要与金属熔化导致熔核内部 压强增大相关 增加的压力致使周围的塑性环产生缺口 保护液态金属冲破周围固态 金属的束缚 形成喷溅 6 6 试验材料及方法试验材料及方法 6 16 1 试验材料及方法试验材料及方法 选用厚度为 1 5mm 的铝合金 2A21 为实验材料 其化学成分及主要力学性能指标 见表 6 1 表表 6 1 2A212A21 的化学成分和力学性能的化学成分和力学性能 化学成分力学性能 Cu Zn Mn Mg Al 抗拉强度 Ra Mpa 屈服强度 Re Mpa 延伸率 3 8 4 90 30 30 0 901 2 1 8 其 他 225151 621 6 26 2 点焊接头主要尺寸的确定点焊接头主要尺寸的确定 点焊接头的强度主要取决于含焊点数及其有关尺寸的确定 熔合直径 d d 熔合直径是指结合面上的直径 一般取 d 2 3 或 d 5 其中 为板厚 焊透率 A 单板实际熔深 h 与焊后实际板厚 c 之百分比 其公式为 A 式中 A 焊透率 h 熔深 c 压痕深 板厚 A 通常在 c h 20 80 内波动 一般以下限为佳 过大的熔深并不会增加强度 铝合金的最大焊 河南机电高等专科学校毕业论文 第 14 页 4 3 20204 57 56 上午 透率只允许至 60 压痕深 c 板表面在电极作用下形成的压痕深 c 一般在 0 1 0 5 之间 最小点距 e 相邻两点间的中心距 过小的点距将导致前点对后点的严重分流现象 e 值随材料的电阻率不同而异 电阻率愈大 其值愈小 一般在 8 15 之间 最小边距 s 焊点中心离板边缘之最小距离 若这个距离过小 可能包不住熔核而 产生飞溅 一般在 6 10 之间 装配间隙必须尽可能小 因为靠压力消除间隙将消耗一部分电极压力 使实际的焊 接压力降低 间隙的不均匀性又将使焊接压力波动 从而引起个焊点强度的显著差异 过大的间隙还会引起严重喷溅 许用的间隙值取决于工件刚度和厚度 通常为 0 1 0 2mm 根据拉剪试验对铝板的尺寸要求 设计接头形式如图 5 1 所示 图 1a 的接头用 于工艺参数的确定以及撕裂试验 图 1b 则是根据拉剪试验对镁板的尺寸要求设计的 其中宽度 B 20mm 试板长度 L 50mm 搭接长度 t B 为了得到高质量的焊点 避免 在焊接过程中产生各种缺陷 在焊前钢丝刷和风钻对铝合金薄板表面进行了焊前清理 选用上电极直径 7mm 下电极直径为 11mm 的锥形平电极 由于铝合金电阻率低 导热 系数较大 金属需在非常短的时间内形成接头 所以宜采用低电压 大电流的硬规范 焊接 6 36 3 实验结果与分析实验结果与分析 试验在 DN 100 型工频单相交流点焊机上进行 焊后对试件进行撕裂试验 通过 光学显微镜对点焊接头的显微组织进行分析 6 46 4 工艺参数对接头性能的影响工艺参数对接头性能的影响 6 4 16 4 1 焊接电流焊接电流 焊接时流经焊接回路的电流称焊接电流 点焊时 一般在数万安培以内 焊接电 流是最重要的点焊参数 调节焊接电流对接头性能的影响分为 AB BC C 段以后这几 段 如下图 6 1 所示 河南机电高等专科学校毕业论文 第 15 页 4 3 20204 57 56 上午 图图 6 1 焊接电流焊接电流 I AI A 对接头性能的影响对接头性能的影响 AB 段 曲线的陡峭段 由于焊接电流小 是热源强度不足而不能形成熔核或熔 核尺寸甚小 因此焊点拉剪载荷较低且很不稳定 BC 段 曲线平稳上升 随着焊接电流的增加 内部热源发热量急剧增大 熔核 尺寸稳定增大 因而焊点拉剪载荷不断提高 临近 C 点区域 由于板间翘离限制了熔 核直径的扩大和温度场进入准稳态 因而焊点拉剪载荷变化不大 C 点以后 由于电流过大 使加热过于强烈 引起金属过热 喷溅 压痕过深等缺 陷 接头性能反而下降 在实际生产中 由于电网电压的波动 多台阻焊机同时通电焊接的相互干扰 分 流及磁性焊件伸入二次回路等原因 均可导致焊接电流的变化 有时变化率还相当大 焊接电流的显著波动必将影响点焊质量 在电极压力 1280N 焊接时间为 50 周波 预压时间为 20 周波的焊接条件下 焊接 电流对接头力学性能的影响如图 6 2 所示 由图 6 2 可见 随着焊接电流的增加 接 头剪切力先是由小增大 达到最高点后又逐渐减小 这是因为在焊接电流较小时 由 于热量不足 焊点金属未能达到完全熔融 在两个试件间形成的熔核尺寸过小 因此 得到的接头拉剪强度低 随着焊接电流的增加 熔核尺寸随着内部热源发热量的增加 而稳定增大 焊点剪切力不断提高 达到最高点后 由于试件两板间的翘离和焊接飞 溅的增大 限制了熔核的进一步长大 从而影响了熔核的质量 所以继续增大电流 导致接头强度降低 试验中焊接电流为 19KA 时剪切力最高 达到 6 59KN 河南机电高等专科学校毕业论文 第 16 页 4 3 20204 57 56 上午 图图 6 2 焊接电流对接头力学性能的影响焊接电流对接头力学性能的影响 6 4 26 4 2 电极压力电极压力 点焊时 通过电极施加在焊件上的压力一般要数千牛顿 电极压力过大或过小都 会使焊点承载能力降级和分散性变大 尤其对拉伸载荷影响更甚 当电极压力过小时 由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足 造成因电流密度过大而引起加热速 度大于塑性环扩展速度 从而产生严重喷溅 这不仅使熔核形状和尺寸发生变化 而 且污染环境和不安全 这是绝对不允许的 电极压力过大将使焊接区接触面积增大 总电阻和电流密度均减小 焊接区散热增加 因而熔核尺寸下降 严重时会出现未焊 透缺陷 一般认为 在增大电极压力的同时 适当加大焊接电流和焊接时间 以维持焊接 区加热程度不变 同时 由于压力增大 可消除焊件装配间隙 刚性不均匀等因素引 起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响 此时不仅使焊点强度维持不变 稳 定性亦可大为提高 电极压力选择时还应考虑以下因素 高温强度愈大的金属 F F 应相应增大 焊接规范愈硬 F F 应相应增加 为减小采用较大点击压力所带来焊接区的加热不足 可采用马鞍形压力变化曲线 焊接电流为 19KA 焊接时间为 50 周波 预压时间为 20 周波时 电极压力对接头 力学性能的影响如图 6 3 所示 由图 6 3 可知 在开始阶段 接头拉剪力随着电极压 力的增大而逐渐增大 这是由于随着电极压力的增大 上下两板的焊接区金属在电极 压力的作用下可以充分接触 使得接头熔核尺寸增大 接头强度提高 当电极压力过 大时 会因镁板强度较低而使变形程度增大 导致焊点周围的强度过低 影响了整个 河南机电高等专科学校毕业论文 第 17 页 4 3 20204 57 56 上午 接头的强度 结果表明 电极压力为 4019N 时 接头的剪切力最高 达 6 59KN 熔核 直径 5 6mm 图图 6 3 电极压力对接头力学性能的影响电极压力对接头力学性能的影响 6 4 36 4 3 焊接时间焊接时间 焊接时间对接头力学性能的影响如图 6 4 所示 图图 6 4 焊接时间对接头力学性能的影响焊接时间对接头力学性能的影响 点焊时的每一个焊接循环中 自焊接电流接通到停止的持续时间 称为焊接接通 时间 简称焊接时间 点焊时间 一般在数十周波以内 焊接时间对接头性能的影响类似于焊接电流 时间太短 输入热量太小 焊点区 熔融状态差 无法形成足够大的熔核 接头强度很低 当焊接电流达到可以形成一定 河南机电高等专科学校毕业论文 第 18 页 4 3 20204 57 56 上午 熔核尺寸以后 时间若在小范围内变动 接头剪切力变化不大 较为稳定 焊接时间 过长 会引起表面过热 压痕过深等缺陷 降低表面质量的同时也影响接头性能 应 注意两点 c 点以后曲线并不立即下降 这是因为尽管熔核尺寸已达饱和 但塑性环 还可有一定扩大 再加之热源加热速度和缓 因而一般不会产生喷溅 焊接时间对 代表接头塑性指标的延性比影响较大 试验中焊接时间为 52 周波时 接头强度最高 6 56 5 撕裂实验撕裂实验 为检验焊点强度是否满足要求 对焊接电流 19KA 电极压力 1280N 焊接时间 52 周波时得到的焊点进行了撕裂试验 撕裂试验是一种判定焊接接头质量的现场工艺检 验方法 图 6 5a 为撕裂前的焊件 图 6 5b 为对试样进行撕裂形成的 钮扣 钮扣 状撕裂比率为 95 以上 可知在这种工艺下得到的铝合金焊点满足要求 a 撕裂前的焊件撕裂前的焊件 B 撕裂形成的撕裂形成的 纽扣纽扣 图图 6 5 撕裂试验示意图撕裂试验示意图 6 66 6 点焊接头组织分析点焊接头组织分析 在焊接电流为 19KA 电极压力 1280N 焊接时间为 52 周波的参数条件下 所得到 的焊点组织照片如图 6 6 图 6 8 所示 由组织观察结果可以看出 铝合金点焊得到的 熔核组织完全为等轴晶 而且大小均匀 分布均匀 这是由于铝合金点焊时内部液态 金属的体积热容小 在吸收相等热量的情况下 温升快 液体过热度大 在冷却凝固 时速度很大 而温度梯度相对较小 使得凝固参数值较小 从而形成细小均布的等轴 晶 对焊缝区域的组织分析表明 采用能量集中的焊接参数 控制焊接过程中的热输 入 将有利于改善焊缝内部的组织结构 抑制柱状晶的形成 提高接头强度 由图 6 7 河南机电高等专科学校毕业论文 第 19 页 4 3 20204 57 56 上午 可见 在热影响区与焊缝间的过渡区没柱状晶组织存在 整个焊缝区都由细小的等轴 晶组成 焊缝性能极其优良 图图 6 6 原始本材组织 原始本材组织