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铝合金车体焊接技术的革新

发动机技术2018-11-24 07:46:26

铝合金车体焊接技术的革新


铝合金车架目前已经在汽车中广泛地应用。铝合金材质相比以前造车常用的钢铁,性质上有着很大的差异。这就使得生产商在对铝合金进行焊接的过程中遇到了不少的难点。因而工程师们针对铝合金焊接上的难点,积极革新传统的焊接技术,为铝合金车架未来更广泛地应用到汽车中铺桥搭路。



铝合金在焊接中的难点:


1.铝合金与氧的亲和力很强。在空气中极易与氧结合生成致密而结实的氧化铝薄膜,厚度约为0.1μm,熔点高达2050℃,远远超过铝及铝合金的熔点,而且密度很大,约为铝的1.4倍。在焊接过程中,氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合,并易造成夹渣。氧化膜还会吸附水分,焊接时会促使焊缝形成气孔。


这些缺陷,都会降低焊接接头的性能。为了保证焊接质量,焊前必须严格清理焊件表面的氧化物,并防止在焊接过程中再次氧化,对熔化金属和处于高温下的金属进行有效地防护,这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。具体的保护措施是:焊前使用机械打磨或化学方法D40清除工件坡口及周围部分的氧化物;焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护(例如99.99%Ar)。


2.铝合金的导热率和比热大。铝及铝合金的导热系数、比热容都很大,在焊接过程中大量的热能被迅速传导到集体金属内部,为了获得高质量的焊接接头,必须采用能量集中、功率大的热源,8mm及以上厚板需采用预热等工艺措施,才能够实现熔焊过程。


3.铝合金车体的线膨胀系数大。铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍,凝固时体积收缩率达6.5%~6.6%,因此易产生焊接变形。防止变形的有效措施是除了选择合理的工艺参数和焊接顺序外,采用适宜的焊接工装也是非常重要的,焊接薄板时尤其如此。


另外,某些铝及铝合金焊接时,在焊缝金属中形成结晶裂纹的倾向性和在热影响区形成液化裂纹的倾向性均较大,往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹,这是铝合金,尤其是高强度铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。在实际焊接现场中防止这类裂纹的措施主要是改进接头设计,选择合理的焊接工艺参数和焊接顺序,采用适应母材特点的焊接填充材料等。


4.铝合金部件焊接时容易形成气孔。焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷,尤其是纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及铝合金焊接时产生气孔的主要原因,这已经为实践所证明。


氢的来源,主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分,其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分,对焊缝气孔的产生,常常占有突出的地位。铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气孔,在高温下溶入的大量气体,在由液态凝固时,溶解度急剧下降,在焊后冷却凝固过程中气体来不及析出,而聚集在焊缝中形成气孔。


为了防止气孔的产生,以获得良好的焊接接头,对于氢气的来源要加以严格控制,焊前必须严格限制所使用的焊接材料(包括焊丝、焊条、熔剂、保护气体)的含水量,使用前要严格进行干燥处理,清理后的母材及焊丝最好在2~3小时内焊接完毕,最多不超过24小时。TIG焊时,选用大的焊接电流配合较高的焊接速度。MIG焊时,选用大的焊接电流慢的焊接速度,以提高熔池的存在时间。


5.铝合金在高温时的强度和塑性低铝在370℃时强度仅为10MPa,焊接时会因为不能支撑住液体金属而使焊缝成形不良,甚至形成塌陷或烧穿。为了解决这个问题,焊接铝及铝合金时常常要采用垫板。


而近年来在欧美车厂开始广泛应用的激光焊接技术,针对铝合金这位“新成员”,也针对性地进行了一系列的改进。


激光焊接技术


随着合金元素的添加,八组可锻合金出现了,将铝的整体应用扩展到了一个广泛的制造业应用。但是,不管是合金还是整体应用,还是存在可焊性问题。幸运的是,大多数合金可以成功地进行熔焊,这取决于合金填充材料。


使用激光器能够解决困扰传统技术如金属惰性气体电弧焊等的难题。和金属惰性气体电弧焊相比,激光加工的焊接速度更快,热量输入更少,热影响区域更小,扭曲变形更少,在很多情况下可以自焊接。


但是,铝和铝合金仍具有一些棘手的属性,如果不适当处理就会对焊接造成影响。合金蒸发和凝固温度的广泛范围会导致锁孔不稳定、多孔性、气泡、丧失机械性能以及在焊接冶金中出现各种缺陷,例如热裂纹。熔融铝的高氢解度会导致大量焊缝气孔和气泡。低粘度和高度流动性的熔融铝会造成焊道底的沉降和松垂。


最后,铝的高反射性加上高导热性会引起光能量耦合到材料上。虽然上述这些听起来让人很沮丧,但其实激光焊接铝的历史和成功案例恰恰相反。这些棘手的特性以及相关的焊接问题都有明确和证实过的解决方案。下面让我们简要了解一下最常见的五个问题,机制以及控制措施。


热裂纹或者焊接凝固裂纹是凝固压力作用于微观结构的结果,铝的高热扩散性和导热性会加剧这些裂纹。通常利用合适的填充焊丝或镶嵌填充箔材料来改变焊接性能和避免裂纹敏感峰值就能够避免热裂纹敏感性。


例如,要获得良好可焊性,添加硅和镁的典型值分别为大于2-3%和大于3-4%。在2000系和6000系铝合金中这些合金的典型范围为0.4-1.6%,意味着在大多数情况下这些合金需要填料从而实现无裂纹焊接。


过去铝的高反射性对于激光焊接来说是一个问题。但是,随着高功率、高光束质量的二氧化碳激光器的逐步发展,以及高功率、高亮度固体光纤激光器的出现,将能量耦合至铝上不再成其为问题。这里有一个需要注意的错误观念:现在很多人认为由于固体激光器(如碟片激光器和光纤激光器)的波长较短,被铝吸收得更多,因此就是所有应用的最佳选择。


事实并非这样,对于厚度约4或5mm的材料来说,波长最好是1μm。但是如果材料厚度是在6mm以上,二氧化碳激光器(10.6μm波长)更好。虽然确切的物理效果仍存在争议,但是简单的解释是吸收率更高意味着材料的上层部分吸收了更多来自1μm 波长的能量。而使用二氧化碳激光器, 10.6μm的波长能够反射到锁孔,从而更深地穿透材料。


激光焊接的应用


激光焊接已应用于汽车业,用以连接如车架、车顶、车门、后备箱、驾驶杆、轮毂和燃油过滤器等多种铝质零部件。一种值得注意的应用是使用激光端接(对接)焊技术焊接宝马7系豪华轿车的铝质车门。


铝成为宝马设计师们选中的材料,不仅因为其质量轻,而且因为能为将来在更大排量汽车上应用激光焊接铝材获得重要经验。尽管被选中的合金(铝5083)是一种可以自动可焊接的材料,但是制造工程师选择使用端接接头设计和激光焊接,并使用填充焊丝来保持凸缘宽度接近绝对最小值。这让工程师们能够将横截面最大化,从而使用最少的材料来增加断面系数和惯性力矩。


激光焊接车门的断面系数是电阻点焊车门的1.7倍,惯性力矩是2.3倍,在强度和硬度方面都有了很大的提升。每辆桥车的四扇铝质车门含有长度超过15米的激光焊接缝,比钢质车门要轻约30%。紧密而更连贯的激光焊接缝还有一个优点在于不需要粘合剂,从而进一步减轻了重量,降低了成本。


制造商们将铝视作其生产应用的理想金属,主要原因在于铝的质量强度比和耐腐蚀性。大多数铝合金是可以熔融焊接的(不管有无填料),存在的一些常见的焊接问题也已通过在生产中获得有效的方法得到克服。


从二十世纪九十年代开始,多个行业已经在生产中利用激光焊接大量铝和铝合金零部件。宝马7系豪华轿车就是一个很好的例子,而未来的愿景是,激光加工、强度、轻质以及成本等因素都汇合起来,创造一个优雅的解决方案。随着燃油经济性在汽车业的强制执行,汽车的轻量化趋向是无法避免的。铝必定会成为轻量化的重要组成部分,而且由于自身具备的优势和性能,激光焊接也会享有同样的地位。