鋁合金鑄件與型材焊接工藝及性能

鋁合金鑄件與型材焊接工藝及性能摘要：隨著國家碳中和、碳達(dá)峰要求的提出，在汽車制造工業(yè)中，很多大型結(jié)構(gòu)件由傳統(tǒng)的黑色金屬整體鑄造被鋁合金、分體式焊接構(gòu)件所代替。這是因為焊接零件可以快速地將零散件加工成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，可以顯著降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造成本；其次，盡管在焊縫處會出現(xiàn)強(qiáng)度軟化、存在缺陷等現(xiàn)象,但經(jīng)過大量的靜態(tài)疲勞試驗及理論驗證，焊接件的力學(xué)性能優(yōu)良，完全可以代替復(fù)雜整體成形結(jié)構(gòu)件。關(guān)鍵詞：鋁合金鑄件；型材焊接；工藝；性能1鋁合金MIG焊接工藝1.1MIG焊接特點熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MeltInert-gasWelding,MIG焊接)的優(yōu)點是焊接品質(zhì)好，因為有保護(hù)氣體的作用，焊縫品質(zhì)穩(wěn)定，焊接件的變形??；MIG焊接還可以采用大的焊接電流，使得焊絲熔化速度快，得到較好的母材熔深，提高焊接速度。其缺點是沒有脫氧去氫，焊縫內(nèi)部會存在氣孔。因此，MIG焊接對母材及焊絲的潔凈度及生產(chǎn)環(huán)境要求比較嚴(yán)格。1.2鋁合金MIG焊接工藝采用TPS-4000型焊機(jī)，焊絲直徑為1.2mm,A356和6082鋁合金板材厚度分別為5mm和3mm,坡口為V型，MIG焊接電流為140～160A,焊接速度為0.1～0.15m/s,推進(jìn)角為15°。焊接電流是鋁合金MIG焊接中最重要的參數(shù)。MIG焊接時，焊接電流一般根據(jù)焊件厚度、焊縫位置以及焊絲直徑來選擇。當(dāng)焊絲直徑確定后，焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)還有焊接電流、焊接速度及脈沖強(qiáng)度。2試驗2.1A356及6082鋁合金A356鋁合金，其Si元素含量較高，鑄造性能良好，具有較好的強(qiáng)度與機(jī)械加工性能，被廣泛應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域;6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，主要適用于板材高溫沖壓領(lǐng)域。試驗中，焊接母材A356鋁合金、6082鋁合金及ER5356焊絲的化學(xué)成分。2.2試驗方案設(shè)計為了驗證焊接工藝的可靠性，應(yīng)通過一系列試驗方法進(jìn)行驗證。首先，應(yīng)先進(jìn)行焊縫熔透試驗、拉伸試驗和靜態(tài)疲勞試驗；然后，通過動態(tài)疲勞試驗，獲得準(zhǔn)確的焊接件疲勞壽命曲線，并建立A356鑄件和6082型材焊接件疲勞壽命曲線的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測焊接件的疲勞壽命。2.2.1試樣取樣原則A356鑄件與6082型焊接部位多為變形過渡區(qū)；因此，很難從實際零件中獲得拉伸和疲勞試樣。因此，除了滲透試驗的取樣是在實際焊接后直接從焊件中取樣外，其余的試樣是由A356鑄件和6082型板制成，通過焊接試驗工藝焊接成型，并確保焊縫位置在試樣的中間；移除焊縫補強(qiáng)的目的是減少焊縫補強(qiáng)處集中應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋，從而增加試驗失效零件。2.2.2試驗焊接工藝參數(shù)的選擇tps4000型焊機(jī)，焊絲Д1.2mm，A356和6082板為3mm厚的V形坡口。根據(jù)實際工程經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)，焊接電流是鋁合金MIG焊中最重要的焊接參數(shù)。MIG焊接時，焊接電流一般根據(jù)焊件厚度、焊縫位置和焊絲直徑來選擇。在確定焊絲直徑時，關(guān)鍵焊接工藝參數(shù)包括焊接電流、焊接速度和脈沖修正。2.3滲透試驗應(yīng)對A356鑄件和6082型材進(jìn)行焊縫熔透試驗。通過檢測焊縫熔深，確保焊接工藝參數(shù)可以完全焊接到兩種不同的母材上；試驗方法是用V8蔡司立體金相顯微鏡觀察焊接接頭的焊縫熔深。根據(jù)三個工藝參數(shù)，分別取5個熔透試樣，在取樣過程中避開焊縫起弧和停弧位置。試板焊接后，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗焊縫宏觀和微觀檢驗》。2.4拉伸試驗針對表2中的3種工藝參數(shù)，每種工藝參數(shù)各加工10個試樣。在選擇試樣時，所有試樣均經(jīng)過加工去除余高，消除焊縫的應(yīng)力集中影響。拉伸試樣尺寸為30mm×3mm×8mm,焊縫處進(jìn)行打磨。依據(jù)GB/T228.1-2010,使用Z100型材料試驗機(jī)在室溫下進(jìn)行拉伸試驗，具體試驗方法見GB/T228B8。2.5三點彎曲試驗將焊接件加工成尺寸為60mm×30mm×3mm的試樣，保證焊縫在試樣中間。使用Z020型材料試驗機(jī)，參照VDA238-100標(biāo)準(zhǔn),完成三點彎曲試驗，并記錄試樣的α角,并根據(jù)α角的大小，對焊接工藝進(jìn)行評判。2.6動態(tài)疲勞試驗動態(tài)疲勞試驗的目的是建立A356鑄件與6082型材之間焊縫的疲勞壽命數(shù)學(xué)模型，便于預(yù)測焊接件的疲勞壽命；此外，它還為焊接件的設(shè)計提供了準(zhǔn)確的動態(tài)疲勞壽命數(shù)據(jù)。試驗由MTS810試驗機(jī)完成。它是一個由電液伺服閉環(huán)模式控制的靜態(tài)和動態(tài)多用途通用測試系統(tǒng)。MTS810試驗機(jī)可測試材料的靜態(tài)拉伸、壓縮和彎曲性能；高周和低周疲勞性能試驗。MTS810試驗機(jī)用于完成動態(tài)疲勞試驗。將應(yīng)變片粘貼在每個試樣的兩個軸向表面上進(jìn)行應(yīng)變采集，將應(yīng)變片粘貼在焊縫中間；施加應(yīng)力載荷的波形。應(yīng)變采集儀采用日常lr8450數(shù)據(jù)采集儀，可直接與應(yīng)變儀連接進(jìn)行應(yīng)力檢測。最小采樣頻率可設(shè)置為1ms，非常適合測量運動部件上的應(yīng)力、應(yīng)變和載荷，并可自由添加多個測量單元。3鋁合金焊件焊接質(zhì)量檢驗3.1表面探傷試驗鋁合金屬于共晶合金，在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋。當(dāng)遇到焊接熱時，在合金元素的作用下會產(chǎn)生三元共晶組織。其熔點低于二元共晶組織，結(jié)晶范圍廣，會形成大量的晶體裂紋。因此，對于三種不同的焊接電流過程，通過表面探傷驗證了焊接電流對表面裂紋的影響。在表面探傷試驗中，通常使用滲透劑、清洗劑和顯影劑來完成焊縫的探傷。3.2內(nèi)部X射線探傷內(nèi)部X射線探傷的目的是檢測焊縫內(nèi)部的缺陷，如氣孔、未焊透和夾雜物。與母材相比，鋁合金焊縫的晶體結(jié)構(gòu)具有粗化和縮松的特點，存在明顯的柱狀晶組織和枝晶偏析。焊縫的鑄造特征明顯，具有大晶粒組織和不均勻晶粒組織的特點。因此，焊縫中存在許多結(jié)構(gòu)缺陷，焊縫內(nèi)部缺陷需要通過X射線觀察。根據(jù)GB/T3323.1-2019，焊縫內(nèi)部缺陷采用X射線檢測。4結(jié)果4.1拉伸試驗斷裂分析通過對焊縫拉伸斷口的金相觀察，斷口處有大量亮點，形態(tài)呈圓形。經(jīng)鑒定，工藝1拉伸斷口上存在大量孔隙，分布在整個斷口表面。大多數(shù)孔隙位于樣品內(nèi)壁邊緣，無沉淀。裂縫中心有少量孔隙，少量孔隙集中在內(nèi)壁，裂縫中心有少量孔隙。焊接過程中，由于高溫的作用，焊接區(qū)域空氣中的水會溶解到液態(tài)鋁合金中。在電弧和高溫的影響下，水會分解成氫氣并侵入鋁液；隨著焊接的快速冷卻，大量氫在鋁液凝固過程中無法析出，形成氣孔。通過拉伸斷口對比可以看出，當(dāng)焊接電流較小時，氣孔較多；隨著焊接電流的增加，氣孔數(shù)量減少，這是因為大電流將更多的焊接熱輸入焊縫，延長了鋁液的冷卻時間，并為氫沉淀創(chuàng)造了有利條件。4.2試驗結(jié)果和彎曲分析適當(dāng)?shù)目焖俸附铀俣群洼^大的脈沖強(qiáng)度可以顯著提高焊縫的彎曲強(qiáng)度。脈沖強(qiáng)度的增加使液滴以射流的形式過渡；同時，較大的脈沖強(qiáng)度和較快的焊接速度可以準(zhǔn)確控制焊接熱輸入，延遲焊縫冷卻時間，從而獲得更好的焊縫質(zhì)量，減少焊縫裂紋現(xiàn)象。結(jié)論A356鋁合金鑄件與6082鋁合金型材MIG焊接時，較大的焊接電流下焊縫的表面品質(zhì)好，沒有出現(xiàn)裂紋，而且內(nèi)部組織較好，缺陷少；同時，隨著焊接電流增加，熔深也會增加。參考文獻(xiàn)：[1]趙雨.汽車輕量化材料及制造工藝分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021(16):44-45.[2]李懷珠.大型鋁合金構(gòu)件的焊接工藝設(shè)計[J].電子工藝技術(shù)，2015,36(6):364-366.[3]胡云瑞，李鳴申，王留芳，等.快速冷卻對6005A鋁合金多道次MIG焊接殘余應(yīng)力的影響[J].熱加工工