铝合金铸件与型材焊接工艺及性能

铝合金铸件与型材焊接工艺及性能摘要：随着国家碳中和、碳达峰要求的提出，在汽车制造工业中，很多大型结构件由传统的黑色金属整体铸造被铝合金、分体式焊接构件所代替。这是因为焊接零件可以快速地将零散件加工成复杂的结构件，可以显著降低复杂结构件的制造成本；其次，尽管在焊缝处会出现强度软化、存在缺陷等现象,但经过大量的静态疲劳试验及理论验证，焊接件的力学性能优良，完全可以代替复杂整体成形结构件。关键词：铝合金铸件；型材焊接；工艺；性能1铝合金MIG焊接工艺1.1MIG焊接特点熔化极惰性气体保护焊(MeltInert-gasWelding,MIG焊接)的优点是焊接品质好，因为有保护气体的作用，焊缝品质稳定，焊接件的变形小；MIG焊接还可以采用大的焊接电流，使得焊丝熔化速度快，得到较好的母材熔深，提高焊接速度。其缺点是没有脱氧去氢，焊缝内部会存在气孔。因此，MIG焊接对母材及焊丝的洁净度及生产环境要求比较严格。1.2铝合金MIG焊接工艺采用TPS-4000型焊机，焊丝直径为1.2mm,A356和6082铝合金板材厚度分别为5mm和3mm,坡口为V型，MIG焊接电流为140～160A,焊接速度为0.1～0.15m/s,推进角为15°。焊接电流是铝合金MIG焊接中最重要的参数。MIG焊接时，焊接电流一般根据焊件厚度、焊缝位置以及焊丝直径来选择。当焊丝直径确定后，焊接关键工艺参数还有焊接电流、焊接速度及脉冲强度。2试验2.1A356及6082铝合金A356铝合金，其Si元素含量较高，铸造性能良好，具有较好的强度与机械加工性能，被广泛应用于铸造领域;6082铝合金属于Al-Mg-Si系合金，主要适用于板材高温冲压领域。试验中，焊接母材A356铝合金、6082铝合金及ER5356焊丝的化学成分。2.2试验方案设计为了验证焊接工艺的可靠性，应通过一系列试验方法进行验证。首先，应先进行焊缝熔透试验、拉伸试验和静态疲劳试验；然后，通过动态疲劳试验，获得准确的焊接件疲劳寿命曲线，并建立A356铸件和6082型材焊接件疲劳寿命曲线的数学模型，预测焊接件的疲劳寿命。2.2.1试样取样原则A356铸件与6082型焊接部位多为变形过渡区；因此，很难从实际零件中获得拉伸和疲劳试样。因此，除了渗透试验的取样是在实际焊接后直接从焊件中取样外，其余的试样是由A356铸件和6082型板制成，通过焊接试验工艺焊接成型，并确保焊缝位置在试样的中间；移除焊缝补强的目的是减少焊缝补强处集中应力导致的裂纹，从而增加试验失效零件。2.2.2试验焊接工艺参数的选择tps4000型焊机，焊丝Д1.2mm，A356和6082板为3mm厚的V形坡口。根据实际工程经验和相关文献，焊接电流是铝合金MIG焊中最重要的焊接参数。MIG焊接时，焊接电流一般根据焊件厚度、焊缝位置和焊丝直径来选择。在确定焊丝直径时，关键焊接工艺参数包括焊接电流、焊接速度和脉冲修正。2.3渗透试验应对A356铸件和6082型材进行焊缝熔透试验。通过检测焊缝熔深，确保焊接工艺参数可以完全焊接到两种不同的母材上；试验方法是用V8蔡司立体金相显微镜观察焊接接头的焊缝熔深。根据三个工艺参数，分别取5个熔透试样，在取样过程中避开焊缝起弧和停弧位置。试板焊接后，参照标准GB/T26955—2011《金属材料焊缝破坏性试验焊缝宏观和微观检验》。2.4拉伸试验针对表2中的3种工艺参数，每种工艺参数各加工10个试样。在选择试样时，所有试样均经过加工去除余高，消除焊缝的应力集中影响。拉伸试样尺寸为30mm×3mm×8mm,焊缝处进行打磨。依据GB/T228.1-2010,使用Z100型材料试验机在室温下进行拉伸试验，具体试验方法见GB/T228B8。2.5三点弯曲试验将焊接件加工成尺寸为60mm×30mm×3mm的试样，保证焊缝在试样中间。使用Z020型材料试验机，参照VDA238-100标准,完成三点弯曲试验，并记录试样的α角,并根据α角的大小，对焊接工艺进行评判。2.6动态疲劳试验动态疲劳试验的目的是建立A356铸件与6082型材之间焊缝的疲劳寿命数学模型，便于预测焊接件的疲劳寿命；此外，它还为焊接件的设计提供了准确的动态疲劳寿命数据。试验由MTS810试验机完成。它是一个由电液伺服闭环模式控制的静态和动态多用途通用测试系统。MTS810试验机可测试材料的静态拉伸、压缩和弯曲性能；高周和低周疲劳性能试验。MTS810试验机用于完成动态疲劳试验。将应变片粘贴在每个试样的两个轴向表面上进行应变采集，将应变片粘贴在焊缝中间；施加应力载荷的波形。应变采集仪采用日常lr8450数据采集仪，可直接与应变仪连接进行应力检测。最小采样频率可设置为1ms，非常适合测量运动部件上的应力、应变和载荷，并可自由添加多个测量单元。3铝合金焊件焊接质量检验3.1表面探伤试验铝合金属于共晶合金，在焊接过程中容易产生热裂纹。当遇到焊接热时，在合金元素的作用下会产生三元共晶组织。其熔点低于二元共晶组织，结晶范围广，会形成大量的晶体裂纹。因此，对于三种不同的焊接电流过程，通过表面探伤验证了焊接电流对表面裂纹的影响。在表面探伤试验中，通常使用渗透剂、清洗剂和显影剂来完成焊缝的探伤。3.2内部X射线探伤内部X射线探伤的目的是检测焊缝内部的缺陷，如气孔、未焊透和夹杂物。与母材相比，铝合金焊缝的晶体结构具有粗化和缩松的特点，存在明显的柱状晶组织和枝晶偏析。焊缝的铸造特征明显，具有大晶粒组织和不均匀晶粒组织的特点。因此，焊缝中存在许多结构缺陷，焊缝内部缺陷需要通过X射线观察。根据GB/T3323.1-2019，焊缝内部缺陷采用X射线检测。4结果4.1拉伸试验断裂分析通过对焊缝拉伸断口的金相观察，断口处有大量亮点，形态呈圆形。经鉴定，工艺1拉伸断口上存在大量孔隙，分布在整个断口表面。大多数孔隙位于样品内壁边缘，无沉淀。裂缝中心有少量孔隙，少量孔隙集中在内壁，裂缝中心有少量孔隙。焊接过程中，由于高温的作用，焊接区域空气中的水会溶解到液态铝合金中。在电弧和高温的影响下，水会分解成氢气并侵入铝液；随着焊接的快速冷却，大量氢在铝液凝固过程中无法析出，形成气孔。通过拉伸断口对比可以看出，当焊接电流较小时，气孔较多；随着焊接电流的增加，气孔数量减少，这是因为大电流将更多的焊接热输入焊缝，延长了铝液的冷却时间，并为氢沉淀创造了有利条件。4.2试验结果和弯曲分析适当的快速焊接速度和较大的脉冲强度可以显著提高焊缝的弯曲强度。脉冲强度的增加使液滴以射流的形式过渡；同时，较大的脉冲强度和较快的焊接速度可以准确控制焊接热输入，延迟焊缝冷却时间，从而获得更好的焊缝质量，减少焊缝裂纹现象。结论A356铝合金铸件与6082铝合金型材MIG焊接时，较大的焊接电流下焊缝的表面品质好，没有出现裂纹，而且内部组织较好，缺陷少；同时，随着焊接电流增加，熔深也会增加。参考文献：[1]赵雨.汽车轻量化材料及制造工艺分析[J].内燃机与配件，2021(16):44-45.[2]李怀珠.大型铝合金构件的焊接工艺设计[J].电子工艺技术，2015,36(6):364-366.[3]胡云瑞，李鸣申，王留芳，等.快速冷却对6005A铝合金多道次MIG焊接残余应力的影响[J].热加工工