材料科學(xué)汽車工業(yè)中的鋁合金及焊接技術(shù)研究論文

汽車工業(yè)中鋁合金及其焊接技術(shù)研究主講人:1231.1鋁及鋁合金的分類變形鋁合金鋁及鋁合金工業(yè)純鋁鑄造鋁合金非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金時(shí)效強(qiáng)化鋁合金Al-MnLF21Al-MgLF2Al-Mg-MnLF1Al-Cu-MgLY12

Al-Zn-Mg-CuLC4Al-Mg-SiLD1新型鋁合金Al-LiAl-Si系合金ZL102

Al-Cu系合金ZL201

Al-Mg系合金ZL301

Al-Zn系合金ZL401

非熱處理強(qiáng)化鋁合金可通過(guò)加工硬化、固溶強(qiáng)化提高力學(xué)性能，特點(diǎn)是強(qiáng)度中等、塑性及耐蝕性好，又稱防銹鋁，焊接性良好，是焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的鋁合金。

熱處理強(qiáng)化鋁合金是通過(guò)固溶、淬火、時(shí)效等工藝提高力學(xué)性能。經(jīng)熱處理后可顯著提高抗拉強(qiáng)度，但焊接性較差，熔焊時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的傾向較大，焊接接頭的力學(xué)性能下降。熱處理強(qiáng)化鋁合金包括硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等。

2.1鋁合金在汽車上的應(yīng)用

汽車鋁合金制部件主要有活塞、氣缸蓋、離合器殼、油底殼、保險(xiǎn)杠、熱交換器、支架、車輪、車身板及裝飾部件等。

汽車用鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。其中鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多，占80%以上。鍛件占1%～3%，其余為加工材。美國(guó)汽車工業(yè)中變形鋁合金占較大比例，達(dá)36%。2.2鑄造鋁合金的應(yīng)用

鑄造鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能主要用于鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、離合器殼體、車輪等非發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。

2.3變形鋁合金的應(yīng)用

變形鋁合金在汽車上主要用于制造車門、行李箱等車身面板、車身構(gòu)架、座位、車箱底板等結(jié)構(gòu)件以及儀表板等裝飾件。2.3新型鋁合金的應(yīng)用1.快速凝固鋁合金快速凝固條件下〔冷速達(dá)104～109℃/S〕,材料將引起一些組織結(jié)構(gòu)上的新特征：超細(xì)化的微觀組織；提高合金的固溶度極限；成分的高度均勻、少偏析或無(wú)偏析；形成新的亞穩(wěn)相等。2.鋁基復(fù)合材料以陶瓷纖維、晶須、微粒等為增強(qiáng)材料，生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比彈性模量、耐熱性、耐磨性等大幅度提高，可用做發(fā)動(dòng)機(jī)零件。3.泡沫鋁合金泡沫鋁合金是一種在金屬基體中分布有無(wú)數(shù)氣泡的多孔材料，這種材料的質(zhì)量更輕、強(qiáng)重比更高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個(gè)高強(qiáng)度外板之間制成的三明治板材，在用于車身頂蓋板時(shí)，可提高剛度、輕量化并改善保溫性能，用在保險(xiǎn)杠、縱梁和一些支柱零件上時(shí)，可以增加撞擊吸能的能力，在輕量化的同時(shí)，提高了撞擊平安性。3.1鋁合金焊絲根據(jù)鋁合金焊絲的化學(xué)成分鋁合金焊絲可分為：純鋁焊絲〔HS301〕、鋁硅合金焊絲〔HS311〕、鋁錳合金焊絲〔HS321、〕鋁鎂合金焊絲〔HS331〕等。其牌號(hào)、型號(hào)、如下表：1.2鋁及鋁合金的特點(diǎn)活性強(qiáng)，在空氣中容易形成Al2O3氧化膜Al2O3氧化膜密度3.95g/cm3，比鋁大Al2O3氧化膜吸水性強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)大是低碳鋼的5倍線膨脹系數(shù)大是低碳鋼的2倍

3.2鋁合金熔劑鋁及鋁合金氣焊時(shí)一般都必須采用熔劑，主要是用于去除焊件外表上的氧化物，使脫氧產(chǎn)物和其他一些非金屬雜質(zhì)過(guò)渡到渣中去，并改變液體金屬的流動(dòng)性，形成的渣還對(duì)熔池金屬起到一定的保護(hù)作用。鋁及鋁合金氣焊用熔劑見下表：

4.1鋁合金焊接缺陷及防治措施1.氣孔

氣孔是鋁合金焊接過(guò)程中最容易出現(xiàn)的焊接缺陷之一1〕氣孔的形成原因(1)焊接區(qū)內(nèi)存在氫的來(lái)源

(2)鋁合金中氫的溶解度存在突變(3)導(dǎo)熱系數(shù)大→熔池結(jié)晶速度快(4)密度低氫的來(lái)源弧柱氣氛焊接材料吸附水分母材吸附水分氣泡不易上浮2.氣孔的防治1〕減少氫的來(lái)源a對(duì)焊接材料枯燥處理，降低氣氛中的水分使用的焊接材料〔包括保護(hù)氣體、焊絲、焊條等〕要嚴(yán)格限制含水量，使用前需枯燥處理。一般認(rèn)為，氬氣中的含水量小于0.08%時(shí)不易形成氣孔。氬氣的管路也要保持枯燥。b焊前去除焊絲及母材外表的氧化膜和污染物

(2控制焊接工藝焊接參數(shù)的影響可歸結(jié)為對(duì)熔池在高溫存在時(shí)間的影響，也就是對(duì)氫溶入時(shí)間和氫析出時(shí)間的影響。熔池高溫存在時(shí)間增長(zhǎng)，有利于氫的逸出，但也有利于氫的溶入；反之，熔池高溫存在時(shí)間減少，可減少氫的溶入，但也不利于氫的逸出。焊接參數(shù)不當(dāng)時(shí)，如造成氫的溶入量多而又不利于逸出時(shí)，氣孔傾向勢(shì)必增大。

2熱裂紋

鋁及其合金焊接時(shí)，常見的熱裂紋主要是焊縫凝固裂紋和近縫區(qū)液化裂紋。

1.熱裂紋的形成原因鋁合金典型的共晶合金→存在易熔共晶體，在焊縫的結(jié)晶后期，易熔共晶的存在，是鋁合金焊縫產(chǎn)生凝固裂紋的重要原因之一。2.防止焊接熱裂紋的途徑1〕母材的合金系對(duì)焊接熱裂紋有重要的影響。對(duì)于焊縫金屬的凝固裂紋，主要是通過(guò)合理確定焊縫的合金成分，并配適宜當(dāng)?shù)暮附庸に噥?lái)進(jìn)行控制。2〕焊絲成分的影響。不同的母材配合不同的焊絲，具有不同的裂紋傾向，如采用成分與母材相同的焊絲時(shí)，具有較大的裂紋傾向，如改用其他合金組成的焊絲抗裂效果是令人滿意的。

3〕焊接參數(shù)的影響焊接參數(shù)影響凝固過(guò)程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過(guò)程中的應(yīng)力變化，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，可防止形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小焊接電流，可減少熔池過(guò)熱，也有利于改善抗裂性。焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)力，增大熱裂的傾向。因此，增大焊接速度和焊接電流都促使增大裂紋傾向。大局部鋁合金的裂紋傾向都比較大，所以，即使是采用合理的焊絲，在熔合比大時(shí)，裂紋傾向也必然增大。因此，增大焊接電流是不利的，而且應(yīng)防止斷續(xù)焊接。4)特殊措施磁控電弧振蕩振蕩改變柱狀晶方向，使裂紋擴(kuò)展通道變得彎曲，增加裂紋擴(kuò)展阻力。細(xì)化晶粒，降低熱裂傾向。消除偏析。電磁攪拌細(xì)化晶粒，降低熱裂傾向，消除偏析

鋁合金焊接時(shí)除了易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋外，如果焊接保護(hù)不好，焊接工藝參數(shù)不當(dāng)?shù)那闆r下還會(huì)產(chǎn)生塌陷、未熔合、未焊透、燒穿、接頭不等強(qiáng)、焊縫成形差，夾渣等缺陷。1.焊前清理〔1〕機(jī)械清理先用丙酮或汽油擦洗工件外表油污，然后根據(jù)零件形狀采用切削方法，如使用風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)銑刀，也可使用刮刀、銼刀等。較薄的氧化膜可采用不銹鋼鋼絲刷清理，不宜采用砂紙或砂輪打磨?！?〕化學(xué)清理效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于清理焊絲以及尺寸不大、批量生產(chǎn)的工件。小型工件可采用浸洗法。

5.1鋁合金的焊接方法2.鎢極氬弧焊〔TIG焊〕適于焊接厚度小于3mm的鋁及鋁合金薄板，工件變形明顯小于氣焊。交流TIG焊具有去除氧化膜的清理作用，不用熔劑，防止了焊后熔劑殘?jiān)鼘?duì)接頭的腐蝕，接頭形式不受限制，焊縫成形良好、外表光亮。氬氣流對(duì)焊接區(qū)的沖刷使接頭冷卻加快，改善了接頭的組織性能，適于全位置焊接。由于不用熔劑，焊前清理要求比其他焊接方法嚴(yán)格。表5-1純鋁、鋁鎂合金手工TIG焊的工藝參數(shù)3.熔化極氬弧焊〔MIG焊〕與TIG焊相比，MIG焊可焊的鋁合金厚度明顯增大，而且焊接效率高，適合于自動(dòng)化生產(chǎn)。MIG焊用于焊接鋁及鋁合金時(shí)通常采用直流反極性，焊接薄、中等厚度板材時(shí)，可用純Ar作保護(hù)氣體；焊接厚大件時(shí)，采用〔Ar+He〕混合氣體，也可采用純He保護(hù)。焊前一般不預(yù)熱，板厚較大時(shí)，也只需預(yù)熱起弧部位。表5-2

純鋁、鋁鎂合金和硬鋁自動(dòng)MIG焊的工藝參數(shù)注：1.正面層焊完后必須鏟除焊根，然后進(jìn)行反面層的焊接。2.焊炬向前傾斜10～15°。4.攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊是在高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭上裝一特殊形狀的凸柱〔指針〕刺入工件面內(nèi)，摩擦加熱被焊金屬成塑性狀態(tài)，同時(shí)攪拌金屬形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)空洞，旋轉(zhuǎn)空洞隨摩擦頭而前移，其后被擠出的塑性金屬經(jīng)攪拌頭肩部填入空洞形成再結(jié)晶區(qū)，并對(duì)膨脹塑性區(qū)加壓塑性流動(dòng)，形成熱機(jī)械影響區(qū)，即不完全再結(jié)晶區(qū)，冷卻后即成致密焊縫攪拌摩擦焊是一種無(wú)需外加焊接材料的焊接方法。其結(jié)構(gòu)如圖5-1.

圖5-1優(yōu)點(diǎn)〔1〕效率高，節(jié)省焊接材料〔2〕沒(méi)有熔化焊接凝固時(shí)的一次結(jié)晶過(guò)程，克服了焊接高強(qiáng)鋁合金時(shí)的結(jié)晶裂紋、氣孔和夾雜傾向，不會(huì)產(chǎn)生焊縫塌陷問(wèn)題，也不會(huì)形成焊縫鑄造組織和低強(qiáng)區(qū)?！?〕焊接溫度較低,焊后結(jié)構(gòu)的變形量和剩余應(yīng)力比熔化焊小得多〔4〕拌摩擦焊不存在熔焊過(guò)程中接頭部位大范圍的熱塑性變形過(guò)程,因此,焊后接頭的內(nèi)應(yīng)力小,變形小。

5.激光焊

激光焊接是一種高能密度的焊接工藝。激光焊是利用以聚焦的激光束作為能源轟擊工件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法。利用激光器受激產(chǎn)生激光束，通過(guò)聚焦系統(tǒng)將其聚集成半徑微小的光斑，當(dāng)調(diào)焦到被焊工件的焊縫時(shí)，光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而使