鋁合金車體焊接技術(shù)的革新
鋁合金車架目前已經(jīng)在汽車中廣泛地應(yīng)用。鋁合金材質(zhì)相比以前造車常用的鋼鐵，性質(zhì)上有著很大的差異。這就使得生產(chǎn)商在對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接的過程中遇到了不少的難點(diǎn)。因而工程師們針對(duì)鋁合金焊接上的難點(diǎn)，積極革新傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，為鋁合金車架未來更廣泛地應(yīng)用到汽車中鋪橋搭路。
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鋁合金在焊接中主要存在以下難點(diǎn)：
1.鋁合金與氧的親和力很強(qiáng)。在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密而結(jié)實(shí)的氧化鋁薄膜，厚度約為0.1μm，熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁及鋁合金的熔點(diǎn)，而且密度很大，約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合，并易造成夾渣。氧化膜還會(huì)吸附水分，焊接時(shí)會(huì)促使焊縫形成氣孔。這些缺陷，都會(huì)降低焊接接頭的性能。為了保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再次氧化，對(duì)熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效地防護(hù)，這是鋁及鋁合金焊接的一個(gè)重要特點(diǎn)。具體的保護(hù)措施是：焊前使用機(jī)械打磨或化學(xué)方法D40清除工件坡口及周圍部分的氧化物;焊接過程中要采用合格的保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)(例如99.99%Ar)。
2.鋁合金的導(dǎo)熱率和比熱大。鋁及鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容都很大，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到集體金屬內(nèi)部，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，8mm及以上厚板需采用預(yù)熱等工藝措施，才能夠?qū)崿F(xiàn)熔焊過程。
3.鋁合金車體的線膨脹系數(shù)大。鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6.5%～6.6%，因此易產(chǎn)生焊接變形。防止變形的有效措施是除了選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序外，采用適宜的焊接工裝也是非常重要的，焊接薄板時(shí)尤其如此。另外，某些鋁及鋁合金焊接時(shí)，在焊縫金屬中形成結(jié)晶裂紋的傾向性和在熱影響區(qū)形成液化裂紋的傾向性均較大，往往由于過大的內(nèi)應(yīng)力而在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋，這是鋁合金，尤其是高強(qiáng)度鋁合金焊接時(shí)最常見的嚴(yán)重缺陷之一。在實(shí)際焊接現(xiàn)場中防止這類裂紋的措施主要是改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，采用適應(yīng)母材特點(diǎn)的焊接填充材料等。
4.鋁合金部件焊接時(shí)容易形成氣孔。焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時(shí)極易產(chǎn)生的缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁的焊接。氫是鋁及鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因，這已經(jīng)為實(shí)踐所證明。氫的來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對(duì)焊縫氣孔的產(chǎn)生，常常占有突出的地位。鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣孔，在高溫下溶入的大量氣體，在由液態(tài)凝固時(shí)，溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中氣體來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。為了防止氣孔的產(chǎn)生，以獲得良好的焊接接頭，對(duì)于氫氣的來源要加以嚴(yán)格控制，焊前必須嚴(yán)格限制所使用的焊接材料(包括焊絲、焊條、熔劑、保護(hù)氣體)的含水量，使用前要嚴(yán)格進(jìn)行干燥處理，清理后的母材及焊絲最好在2～3小時(shí)內(nèi)焊接完畢，最多不超過24小時(shí)。TIG焊時(shí)，選用大的焊接電流配合較高的焊接速度。MIG焊時(shí)，選用大的焊接電流慢的焊接速度，以提高熔池的存在時(shí)間。
5.鋁合金在高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性低鋁在370℃時(shí)強(qiáng)度僅為10MPa，焊接時(shí)會(huì)因?yàn)椴荒苤巫∫后w金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷或燒穿。為了解決這個(gè)問題，焊接鋁及鋁合金時(shí)常常要采用墊板。
而近年來在歐美車廠開始廣泛應(yīng)用的激光焊接技術(shù)，針對(duì)鋁合金這位“新成員”，也針對(duì)性地進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。
隨著合金元素的添加，八組可鍛合金出現(xiàn)了，將鋁的整體應(yīng)用擴(kuò)展到了一個(gè)廣泛的制造業(yè)應(yīng)用。但是，不管是合金還是整體應(yīng)用，還是存在可焊性問題。幸運(yùn)的是，大多數(shù)合金可以成功地進(jìn)行熔焊，這取決于合金填充材料。使用激光器能夠解決困擾傳統(tǒng)技術(shù)如金屬惰性氣體電弧焊等的難題。和金屬惰性氣體電弧焊相比，激光加工的焊接速度更快，熱量輸入更少，熱影響區(qū)域更小，扭曲變形更少，在很多情況下可以自焊接。
但是，鋁和鋁合金仍具有一些棘手的屬性，如果不適當(dāng)處理就會(huì)對(duì)焊接造成影響。合金蒸發(fā)和凝固溫度的廣泛范圍會(huì)導(dǎo)致鎖孔不穩(wěn)定、多孔性、氣泡、喪失機(jī)械性能以及在焊接冶金中出現(xiàn)各種缺陷，例如熱裂紋。熔融鋁的高氫解度會(huì)導(dǎo)致大量焊縫氣孔和氣泡。低粘度和高度流動(dòng)性的熔融鋁會(huì)造成焊道底的沉降和松垂。最后，鋁的高反射性加上高導(dǎo)熱性會(huì)引起光能量耦合到材料上。雖然上述這些聽起來讓人很沮喪，但其實(shí)激光焊接鋁的歷史和成功案例恰恰相反。這些棘手的特性以及相關(guān)的焊接問題都有明確和證實(shí)過的解決方案。下面讓我們簡要了解一下最常見的五個(gè)問題，機(jī)制以及控制措施。
熱裂紋或者焊接凝固裂紋是凝固壓力作用于微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果，鋁的高熱擴(kuò)散性和導(dǎo)熱性會(huì)加劇這些裂紋。通常利用合適的填充焊絲或鑲嵌填充箔材料來改變焊接性能和避免裂紋敏感峰值就能夠避免熱裂紋敏感性。例如，要獲得良好可焊性，添加硅和鎂的典型值分別為大于2-3%和大于3-4%。在2000系和6000系鋁合金中這些合金的典型范圍為0.4-1.6%，意味著在大多數(shù)情況下這些合金需要填料從而實(shí)現(xiàn)無裂紋焊接。
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過去鋁的高反射性對(duì)于激光焊接來說是一個(gè)問題。但是，隨著高功率、高光束質(zhì)量的二氧化碳激光器的逐步發(fā)展，以及高功率、高亮度固體光纖激光器的出現(xiàn)，將能量耦合至鋁上不再成其為問題。這里有一個(gè)需要注意的錯(cuò)誤觀念：現(xiàn)在很多人認(rèn)為由于固體激光器(如碟片激光器和光纖激光器)的波長較短，被鋁吸收得更多，因此就是所有應(yīng)用的最佳選擇。事實(shí)并非這樣，對(duì)于厚度約4或5mm的材料來說，波長最好是1μm。但是如果材料厚度是在6mm以上，二氧化碳激光器(10.6μm波長)更好。雖然確切的物理效果仍存在爭議，但是簡單的解釋是吸收率更高意味著材料的上層部分吸收了更多來自1μm 波長的能量。而使用二氧化碳激光器， 10.6μm的波長能夠反射到鎖孔，從而更深地穿透材料。
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激光焊接已應(yīng)用于汽車業(yè)，用以連接如車架、車頂、車門、后備箱、駕駛桿、輪轂和燃油過濾器等多種鋁質(zhì)零部件。一種值得注意的應(yīng)用是使用激光端接(對(duì)接)焊技術(shù)焊接寶馬7系豪華轎車的鋁質(zhì)車門。
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鋁成為寶馬設(shè)計(jì)師們選中的材料，不僅因?yàn)槠滟|(zhì)量輕，而且因?yàn)槟転閷碓诟笈帕科嚿蠎?yīng)用激光焊接鋁材獲得重要經(jīng)驗(yàn)。盡管被選中的合金(鋁5083)是一種可以自動(dòng)可焊接的材料，但是制造工程師選擇使用端接接頭設(shè)計(jì)和激光焊接，并使用填充焊絲來保持凸緣寬度接近絕對(duì)最小值。這讓工程師們能夠?qū)M截面最大化，從而使用最少的材料來增加斷面系數(shù)和慣性力矩。
激光焊接車門的斷面系數(shù)是電阻點(diǎn)焊車門的1.7倍，慣性力矩是2.3倍，在強(qiáng)度和硬度方面都有了很大的提升。每輛橋車的四扇鋁質(zhì)車門含有長度超過15米的激光焊接縫，比鋼質(zhì)車門要輕約30%。緊密而更連貫的激光焊接縫還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于不需要粘合劑，從而進(jìn)一步減輕了重量，降低了成本。
制造商們將鋁視作其生產(chǎn)應(yīng)用的理想金屬，主要原因在于鋁的質(zhì)量強(qiáng)度比和耐腐蝕性。大多數(shù)鋁合金是可以熔融焊接的(不管有無填料)，存在的一些常見的焊接問題也已通過在生產(chǎn)中獲得有效的方法得到克服。從二十世紀(jì)九十年代開始，多個(gè)行業(yè)已經(jīng)在生產(chǎn)中利用激光焊接大量鋁和鋁合金零部件。寶馬7系豪華轎車就是一個(gè)很好的例子，而未來的愿景是，激光加工、強(qiáng)度、輕質(zhì)以及成本等因素都匯合起來，創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)雅的解決方案。隨著燃油經(jīng)濟(jì)性在汽車業(yè)的強(qiáng)制執(zhí)行，汽車的輕量化趨向是無法避免的。鋁必定會(huì)成為輕量化的重要組成部分，而且由于自身具備的優(yōu)勢和性能，激光焊接也會(huì)享有同樣的地位。
