汽车工业中的铝合金及焊接技术研究论文幻灯片

汽车工业中铝合金及其焊接技术研究主讲人:1231.1铝及铝合金的分类变形铝合金铝及铝合金工业纯铝铸造铝合金非时效强化铝合金时效强化铝合金Al-MnLF21Al-MgLF2Al-Mg-MnLF1Al-Cu-MgLY12Al-Zn-Mg-CuLC4Al-Mg-SiLD1新型铝合金Al-LiAl-Si系合金ZL102Al-Cu系合金ZL201Al-Mg系合金ZL301Al-Zn系合金ZL401非热处理强化铝合金可通过加工硬化、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，焊接性良好，是焊接结构中应用最广的铝合金。热处理强化铝合金是通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能。经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能下降。热处理强化铝合金包括硬铝、超硬铝、锻铝等。2.1铝合金在汽车上的应用汽车铝合金制部件主要有活塞、气缸盖、离合器壳、油底壳、保险杠、热交换器、支架、车轮、车身板及装饰部件等。汽车用铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。其中铸造铝合金在汽车上的使用量最多，占80%以上。锻件占1%～3%，其余为加工材。美国汽车工业中变形铝合金占较大比例，达36%。2.2铸造铝合金的应用铸造铝合金具有优良的铸造性能主要用于铸造发动机气缸体、离合器壳体、车轮等非发动机构件。2.3变形铝合金的应用变形铝合金在汽车上主要用于制造车门、行李箱等车身面板、车身构架、座位、车箱底板等结构件以及仪表板等装饰件。2.3新型铝合金的应用1.快速凝固铝合金快速凝固条件下（冷速达104～109℃/S）,材料将引起一些组织结构上的新特征：超细化的微观组织；提高合金的固溶度极限；成分的高度均匀、少偏析或无偏析；形成新的亚稳相等。2.铝基复合材料以陶瓷纤维、晶须、微粒等为增强材料，生产铝基复合材料，其比强度、比弹性模量、耐热性、耐磨性等大幅度提高，可用做发动机零件。3.泡沫铝合金泡沫铝合金是一种在金属基体中分布有无数气泡的多孔材料，这种材料的质量更轻、强重比更高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。将泡沫铝填充于两个高强度外板之间制成的三明治板材，在用于车身顶盖板时，可提高刚度、轻量化并改善保温性能，用在保险杠、纵梁和一些支柱零件上时，可以增加撞击吸能的能力，在轻量化的同时，提高了撞击安全性。3.1铝合金焊丝根据铝合金焊丝的化学成分铝合金焊丝可分为：纯铝焊丝（HS301）、铝硅合金焊丝（HS311）、铝锰合金焊丝（HS321、）铝镁合金焊丝（HS331）等。其牌号、型号、如下表：牌号（旧）型号（新）名称HS301SAl-3纯铝合金焊丝HS311SAlSi-1铝硅合金焊丝HS321HS331SAlMnSAlMg-5铝锰合金焊丝铝镁合金焊丝1.2铝及铝合金的特点•活性强，在空气中容易形成Al2O3氧化膜–Al2O3氧化膜密度3.95g/cm3，比铝大–Al2O3氧化膜吸水性强•导热系数大是低碳钢的5倍•线膨胀系数大是低碳钢的2倍3.2铝合金熔剂铝及铝合金气焊时一般都必须采用熔剂，主要是用于清除焊件表面上的氧化物，使脱氧产物和其他一些非金属杂质过渡到渣中去，并改变液体金属的流动性，形成的渣还对熔池金属起到一定的保护作用。铝及铝合金气焊用熔剂见下表：牌号名称熔剂化学组成（%）用途CJ401铝气焊熔剂W(KCl)49.5-52W(NaCl)27-30W(LiCl)3.5-15W(NaF)7.5-9用于铝及铝合金气焊时的助熔剂，并起精炼作用。4.1铝合金焊接缺陷及防治措施1.气孔气孔是铝合金焊接过程中最容易出现的焊接缺陷之一1）气孔的形成原因(1)焊接区内存在氢的来源(2)铝合金中氢的溶解度存在突变(3)导热系数大→熔池结晶速度快(4)密度低氢的来源弧柱气氛焊接材料吸附水分母材吸附水分气泡不易上浮2.气孔的防治1）减少氢的来源a对焊接材料干燥处理，降低气氛中的水分使用的焊接材料（包括保护气体、焊丝、焊条等）要严格限制含水量，使用前需干燥处理。一般认为，氩气中的含水量小于0.08%时不易形成气孔。氩气的管路也要保持干燥。b焊前清除焊丝及母材表面的氧化膜和污染物(2控制焊接工艺焊接参数的影响可归结为对熔池在高温存在时间的影响，也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响。熔池高温存在时间增长，有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶入；反之，熔池高温存在时间减少，可减少氢的溶入，但也不利于氢的逸出。焊接参数不当时，如造成氢的溶入量多而又不利于逸出时，气孔倾向势必增大。2热裂纹铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。1.热裂纹的形成原因铝合金典型的共晶合金→存在易熔共晶体，在焊缝的结晶后期，易熔共晶的存在，是铝合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因之一。2.防止焊接热裂纹的途径1）母材的合金系对焊接热裂纹有重要的影响。对于焊缝金属的凝固裂纹，主要是通过合理确定焊缝的合金成分，并配合适当的焊接工艺来进行控制。2）焊丝成分的影响。不同的母材配合不同的焊丝，具有不同的裂纹倾向，如采用成分与母材相同的焊丝时，具有较大的裂纹倾向，如改用其他合金组成的焊丝抗裂效果是令人满意的。3）焊接参数的影响焊接参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应力变化，因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。采用小焊接电流，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应力，增大热裂的倾向。因此，增大焊接速度和焊接电流都促使增大裂纹倾向。大部分铝合金的裂纹倾向都比较大，所以，即使是采用合理的焊丝，在熔合比大时，裂纹倾向也必然增大。因此，增大焊接电流是不利的，而且应避免断续焊接。4)特殊措施•磁控电弧振荡振荡改变柱状晶方向，使裂纹扩展通道变得弯曲，增加裂纹扩展阻力。细化晶粒，降低热裂倾向。消除偏析。•电磁搅拌细化晶粒，降低热裂倾向，消除偏析铝合金焊接时除了易产生气孔、热裂纹外，如果焊接保护不好，焊接工艺参数不当的情况下还会产生塌陷、未熔合、未焊透、烧穿、接头不等强、焊缝成形差，夹渣等缺陷。1.焊前清理（1）机械清理先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污，然后根据零件形状采用切削方法，如使用风动或电动铣刀，也可使用刮刀、锉刀等。较薄的氧化膜可采用不锈钢钢丝刷清理，不宜采用砂纸或砂轮打磨。（2）化学清理效率高，质量稳定，适用于清理焊丝以及尺寸不大、批量生产的工件。小型工件可采用浸洗法。5.1铝合金的焊接方法2.钨极氩弧焊（TIG焊）适于焊接厚度小于3mm的铝及铝合金薄板，工件变形明显小于气焊。交流TIG焊具有去除氧化膜的清理作用，不用熔剂，避免了焊后熔剂残渣对接头的腐蚀，接头形式不受限制，焊缝成形良好、表面光亮。氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织性能，适于全位置焊接。由于不用熔剂，焊前清理要求比其他焊接方法严格。板厚/mm钨极直径/mm焊接电流/A焊丝直径/mm氩气流量//Lmin-1喷嘴孔径/mm焊接层数正面/背面预热温度/℃备注1240~601.67~98正1—卷边焊22~390~1202~2.58~128~12对接焊44180~200310~1510~121~2/1—65240~280416~2014~161~2/1—10280~3404~53~4/1~2100~150145~6340~3805~620~2416~20180~20016~206340~38025~3016~222~3/2~3200~26022~256~7360~40030~3520~223~4/3~4表5-1纯铝、铝镁合金手工TIG焊的工艺参数3.熔化极氩弧焊（MIG焊）与TIG焊相比，MIG焊可焊的铝合金厚度明显增大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。MIG焊用于焊接铝及铝合金时通常采用直流反极性，焊接薄、中等厚度板材时，可用纯Ar作保护气体；焊接厚大件时，采用（Ar+He）混合气体，也可采用纯He保护。焊前一般不预热，板厚较大时，也只需预热起弧部位。板材牌号焊丝型号(牌号)板材厚度/mm坡口尺寸焊丝直径/mm喷嘴直径/mm氩气流量/Lmin-1焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/mh-1备注钝边/mm坡口角度5A05SAlMg-5(HS331)5——2.0222824021~2242单面焊双面成形10601050ASAl-3(HS39)6~8——2.52230~35230~26026~2725正反面均焊一层81216202548121621100300~32024~283.04.04.04.028320~34028~291540~45380~42029~3117~2050~60450~500490~55017~19—5A025A03SAlMn(HS331)121825814161203.04.04.022282830~3550~6050~60320~350450~470490~52028~3029~3029~302418.716~192A11SAlSi-5(HS311)506~875—28—450~50024~2715~18采用双面U形坡口,钝边6~8mm表5-2纯铝、铝镁合金和硬铝自动MIG焊的工艺参数注：1.正面层焊完后必须铲除焊根，然后进行反面层的焊接。2.焊炬向前倾斜10～15°。4.搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是在高速旋转的摩擦头上装一特殊形状的凸柱（指针）刺入工件面内，摩擦加热被焊金属成塑性状态，同时搅拌金属形成一个旋转空洞，旋转空洞随摩擦头而前移，其后被挤出的塑性金属经搅拌头肩部填入空洞形成再结晶区，并对膨胀塑性区加压塑性流动，形成热机械影响区，即不完全再结晶区，冷却后即成致密焊缝搅拌摩擦焊是一种无需外加焊接材料的焊接方法。其结构如图5-1.图5-1优点（1）效率高，节省焊接材料（2）没有熔化焊接凝固时的一次结晶过程，克服了焊接高强铝合金时的结晶裂纹、气孔和夹杂倾向，不会产生焊缝塌陷问题，也不会形成焊缝铸造组织和低强区。（3）焊接温度较低,焊后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多（4）拌摩擦焊不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程,因此,焊后接头的内应力小,变形小。5.激光焊激光焊接是一种高能密度的焊接工艺。激光焊是利用以聚焦的激光束作为能源轰击工件所产生的热量进行焊接的方法。利用激光器受激产生激光束，通过聚焦系统将其聚集成半径微小的光斑，当调焦到被焊工件的焊缝时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成焊接接头。优点能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到熔化区和热影响区窄而熔深大的焊缝，冷却速度快，能得到组织微细的焊缝，故焊接接头性能良好，焊接速度快、功能多、适应性强、可靠性高且不需要真空装置，所以在焊接精度、效率、自动化等方面具有无可比拟的优势缺点搅拌摩擦焊这种工艺还不成熟，焊接时存在着一些问题：铝合金对激光能的吸收很低；合金元素烧损严重；易产生气孔；热裂纹敏感性大。