铝合金焊接.docVIP

工程背景 1.1、铝合金在汽车工业的应用 在汽车车身轻量化进程中，铝合金的应用越来越多，减轻车重作为降低燃油消耗与废气排量的有效措施，其潜力正逐渐被挖掘出来。由于铝及铝合金采用大量新的生产工艺和改进技术，以及其价格稳定等优点，致使众多汽车制造商大幅度增加铝材应用的计划。美国通用公司IMPACT轿车车身是铝材制造的，整个车身零件仅168种，冲压件40％，车身2000个焊点，120个铆接点，质量仅为134 kg。1995年德国奥迪公司首先开始批量生产奥迪A8铝制车身，把车身用铝推向了高潮。铝合金取代钢材会同时改进燃油经济性、汽车性能和安全性。铝质材料能在维持汽车的尺寸和车主安全性的同时有效地减轻汽车重量。 铝合金用于汽车结构的特点如下； ①有高的强度质量比。铝合金比强度约为钢的1～3倍，而比刚度则为钢的7倍。 ②回收再利用性好。因铝合金的熔点低，废料回炉重熔所需能量少，所以铝合金材料是可最大限度地回收利用的材料。 ③具有好的塑性，可采用冲压的方法，基本上不改变结构就可使用原来钢板冲压件的模具，因此，现生产中的车型可快速实现轻量化。 ④有良好的机械加工性能，可冲压成形、铸造成形和焊接成形。 ⑤铝合金弹性模量小，因而可较好的吸收冲击能量，有利于在发生事故时保证乘客安全。 ⑥整车轻量化对提高汽车行驶稳定性很有利，可增进乘客的舒适感。 由以上分析可以看出，铝合金所具有的这些特性对于汽车结构的使用条件是非常适合的，有很广泛的应用前景。 1.2、铝合金焊接中存在的问题 铝合金具有密度小、比强度高、无磁性、良好的耐腐蚀性、低温韧性及成形性等特点而被广泛地应用于各种焊接结构中， 成为理想的轻量化材料。磁悬浮列车车体、轻轨电车、全铝车身汽车及各种航空航天轻量化装备等， 均采用铝合金代替钢材料焊接， 在相同刚度和强度要求下， 结构质量可减轻60％左右，可大大实现产品结构的轻量化， 节约材料。铝合金具有优良的导热性能， 在焊接铝合金时必须有较大的热输入， 方能形成良好的焊接熔池。在焊接过程中， 由于热输入较大或焊接工艺不当等原因，容易出现焊接变形和存在残余应力， 同时由于在焊缝和熔合区中存在重结晶及热影响区晶粒的粗化， 造成焊接热影响区软化， 且焊缝的最终组织为铸态组织，易形成气孔、缩松等缺陷， 致使焊接接头强度大大降低， 严重影响构件的使用性能。研究表明， 铝合金焊接中主要存在以下几大难点： 铝合金焊接接头软化严重， 强度系数低； 铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3）， 需采用大功率密度的焊接工艺； 铝合金焊接容易产生气孔和热裂纹；铝合金焊接线膨胀系数大， 易产生焊接变形； 铝合金热导率大（约为钢的4 倍）， 相同焊接速度下， 热输入要比焊接钢材时大2～4 倍。其中， 铝合金焊接接头产生软化， 强度系数大大降低， 接头强度远低于母材， 导致接头性能降低， 从 而， 在一定程度上限制了铝合金在焊接结构中的广泛应用。为此， 本文针对铝合金焊接接头的软化问题及其产生原因做了简要分析， 并就铝合金焊接接头的软化问题提出了一种采用深冷处理工艺的强化措施， 以提高焊接接头强度。 1．3、铝合金焊接方法 纯铝的熔点为660℃，熔化前后无色泽变化。铝对氧的亲和力很大，易形成氧化膜。铝及铝合金熔化焊时有以下特点：铝与氧的亲和力很强，极易与空气中的氧结合生成难熔(熔点2050℃)且致密的氧化膜(hl。0。)。氧化膜妨碍焊缝的熔合与成形，并容易在熔敷金属中造成夹渣、未熔合等缺陷；铝的导热系数高、比热容大、使得焊接同等厚度的铝及铝合金要比钢消耗更多的热量；铝的线膨胀系数比较大，焊缝处易形成热裂纹；焊缝内易产生气孔；含有低沸点合金元素(如Mg、zn等)的铝合金在焊接时，这些元素极易蒸发、烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，降低焊接接头的性能；由于铝对辐射能的反射很强，铝及铝合金在从低温至高温，从固态变成液态无明显的色泽变化，不易判断焊接的加热状况，给焊接操作带来困难；高温下铝的强度和塑性很低，以致不能支撑住熔池液体金属而使焊缝成形不良，甚至造成塌陷或烧穿缺陷”‘1”。故而要正确选择焊接方法。 铝合金的焊接方法较多，不同的焊接方法有不同的应用场合。因此，必须根据母材牌号、焊件厚度、产品结构、生产条件及接头质量要求等因素选择最恰当的焊接方法。目前可用的焊接方法主要有：钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、激光焊、气焊、真空电子束焊、搅拌摩擦焊、钎焊、手工电弧焊、电阻焊、扩散焊、电渣焊、等离子弧焊、超声波点焊及超声波滚焊等。 2、不均匀铝合金焊接接头的力学性能评定 目前，对接接头的各项力学性能评价及实验方法已基本完善并已形成标准。朱亮等研究了材料力学性能不均匀对对接接头的屈服强度和抗拉强度的影响机制，主要通过有限元法和接头的拉伸性能试验，从四个方面对这一问题进行了系统研究[ISl：第一