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铝及铝合金零件的焊接工艺方法

【摘要】铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来,由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当,焊接时的常出现缺陷,本文介绍了此类金属零件焊接时的工艺步骤及其焊接参数的选取。

【关键词】铝合金焊接加工工艺

铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来,由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当,造成铝合金零件焊接后因应力过于集中产生严重变形,或因为焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺陷,导致焊缝金属裂纹或材质疏松,严重影响了产品质量及性能。

1铝合金材料特点

铝是银白色的轻金属,具有良好的塑性、较高的导电性和导热性,同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝极易氧化产生三氧化二铝薄膜,在焊缝中容易产生夹杂物,从而破坏金属的连续性和均匀性,降低其机械性能和耐腐蚀性能。

2铝合金材料的焊接难点

(1)极易氧化。在空气中,铝容易同氧化合,生成致密的三氧化二铝薄膜(厚度约0.1-0.2μm),熔点高(约2050℃),远远超过铝及铝合金的熔点(约600℃左右)。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3,约为铝的1.4倍,氧化铝薄膜的表面易吸附水分,焊接时,它阻碍基本金属的熔合,极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷,引起焊缝性能下降。

(2)易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢,由于液态铝可溶解大量的氢,而固态铝几乎不溶解氢,因此当熔池温度快速冷却与凝固时,氢来不及逸出,容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免,氢的来源很多,有电弧焊气氛中的氢,铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明,即使氩气按GB/T4842标准要求,纯度达到99.99%以上,但当水分含量达到20ppm时,也会出现大量的致密气孔,当空气相对湿度超过80%时,焊缝就会明显出现气孔。

3铝合金材料焊接的工艺方法

(1)焊前准备

采用化学或机械方法,严格清理焊缝坡口两侧的表面氧化膜。

化学清洗是使用碱或酸清洗工件表面,该法既可去除氧化膜,还可除油污,具体工艺过程如下:体积分数为6%～10%的氢氧化钠溶液,在70℃左右浸泡0.5min→水洗→体积分数为15%的硝酸在常温下浸泡1min进行中和处理→水洗→温水洗→干燥。洗好后的铝合金表面为无光泽的银白色。

机械清理可采用风动或电动铣刀,还可采用刮刀、锉刀等工具,对于较薄的氧化膜也可用0.25mm的铜丝刷打磨清除氧化膜。

清理好后立即施焊,如果放置时间超过4h,应重新清理。

(2)确定装配间隙及定位焊间距

施焊过程中,铝板受热膨胀,致使焊缝坡口间隙减少,焊前装配间隙如果留得太小,焊接过程中就会引起两板的坡口重叠,增加焊后板面不平度和变形量;相反,装配间隙过大,则施焊困难,并有烧穿的可能。合适的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙,因此,选择合适的装配间隙及定位焊间距,是减少变形的一项有效措施。根据经验,不同板厚对接缝较合理的装配工艺参数。

(3)选择焊接设备

目前市场上焊接产品种类较多,一般情况下宜采用交流钨极氩弧焊(即TIG焊)。它是在氩气的保护下,利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。该焊机工作时,由于交流电流的极性是在周期性的变换,在每个周期里半波为直流正接,半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热,有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。

(4)选择焊丝

一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。

(5)选取焊接方法和参数

一般以左焊法进行,焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上时,以右焊法进行,焊炬和工件成90°角。

焊接壁厚在3mm以上时,开V形坡口,夹角为60°～70°,间隙不得大于1mm,以多层焊完成。壁厚在1.5mm以下时,不开坡口,不留间隙,不加填充丝。焊固定管子对接接头时,当管径为200mm,壁厚为6mm时,应采用直径为3～4mm的钨极,以220～240A的焊接电流,直径为4mm的填充焊丝,以1～2层焊完。

根据经验,在铝及铝合金焊接时,应选择其适用的焊接参数。

底盘，是汽车的关键部件。过去大家很喜欢攀比底盘用料，即便是不太了解汽车的人都知道，使用大量铝合金件、底盘呈现一片银色的车，比那些使用铁件、底盘一片黑的车，要高级很多。但是要具体问，铝合金到底高级在了哪，可能就讲不出来了。

这个问题的答案，在今天又显得格外重要。因为有越来越多车企，尤其是一些原本以“底盘好”而闻名的外国车企，把当初用铝合金件的车，又改成铁件，被大家一顿口诛笔伐，说它们无耻减配，没有灵魂了。

可是，用料真是的底盘表现的关键吗？

铝合金质底盘件，相比铁件最大的优势在于重量。铝的密度要比铁小多了，铁的密度为7.9×10³kg/m³，铝的密度为2.7×10³kg/m³，也就是说，达到同样的承受力矩的铝的零部件其质量更轻。汽车在行驶时，车轮、球头、下摆臂这些零部件越轻，其活动的惯性越小，当车轮因为路面遭受冲击的时候，总质量比较轻的悬挂，就能更快地抑制住跳动。这样一来，在起伏不平的道路上，汽车的动态响应就越好，在舒适性和操控性上都表现更佳。尤其是对于汽车的高速行驶的稳定性，如果悬挂部件太沉重，在坑洼颠簸的路况时，由于悬挂自身惯性大，弹跳起来后很难及时下沉，这样会导致车轮短暂离地，抓地力下降，使用铝合金就能很好地改善。

此外铝合金还有两个优点。其一，铝制件的隔音系数比铁制品更好，声音传导相对更慢一些，特别是对于高频的声音吸收会更好一些。这样传递到车内的噪音会相对更加低沉，以增加汽车隔音降噪的表现。其二，铝合金比铁更耐腐蚀，铝跟空气接触后，很容易生成致密的三氧化二铝保护膜，阻止了氧化腐蚀的进行，使零部件拥有更长的寿命。

但是咱们客观地说，用料，重要性没有大家想象得那么高。底盘设计制造中的各个要素，重要性排名大致是这样的，结构＞调教＞用料

所谓结构，你可以理解为悬挂形式。当悬挂的连杆越多，连接点就越多，车轮移动时可以改变的方向也越多，这样轮胎能不断转换角度紧贴住地面，始终保持抓地力，无论是极限操控性，还是加速和制动期间的乘坐舒适性，都会得到大幅提升，如双叉臂、五连杆，都是比较优秀的悬挂形式。反过来说，一些连接点太少的悬挂形式，比如说扭力梁式半独立悬挂，就存在车轮可动方向不够，左右互相干扰的问题。

我们举个典型例子，车迷圈里津津乐道的保时捷911也用连接点比较少的麦弗逊悬挂，其实仅限于911的几个街车版本，往上的偏向赛道的版本比如911GT3、911GT3 RS，则改用了双叉臂悬挂来提升操控表现。 

结构决定了底盘表现的上限，而调校决定了下限。“调校”听起来是个很玄学的词汇，但它实际上有规律可循，主要是依靠设定弹簧刚度系数、避震筒压缩回弹阻尼、以及各个衬套的硬度、四轮定位参数等等来实现。比如说大家津津乐道的“德国车底盘质感比日系车好”，业内人士就指出，德系品牌更热衷于使用液压衬套，衬套内部空腔加入油液，衬套在受外力挤压时，实现不同刚度，使得底盘在受力时有更高的强度，质感更好。在悬挂基础结构相同的前提下，日系品牌更加愿意用橡胶衬套，虽然很容易让底盘产生廉价的松散感，但实心橡胶衬套的寿命更长，性能不容易衰减。

又比如说四轮参数，一些由普通家用车进化而来的性能车，无法改变先天的低端悬挂结构，往往就会调整四轮参数来优化赛道表现，在国外很火的高尔夫GTI clubsport，相比普通高尔夫，同样是前麦弗逊后多连杆结构，但大众集团通过换装重新设计的羊角，把clubsport的前轮负倾角变成了2°，呈现外八字，在弯道中就可以制造更大的轮胎接地面积，从而提高抓地力。

既然结构和调校更重要，用料排在后面，那车企想要缩减底盘上花费的成本时，也是第一个就想到了砍用料，铸铁件以及冲压件的成本，远远低于铝合金，能够省下不少钱。这部分的成本，可以转移到内饰用料、大屏幕这些更容易被消费者感知到的地方，从而提高表面的竞争力。

至于铝换铁带来的性能降低，一方面可以依靠悬挂结构和调校去弥补，另一方面，底盘感受本身就是难以量化的性能，很难像动力或者油耗那样，通过简单直白的数字来展现，消费者也不会天天下赛道，不把铝换铁的事情说出来，可能绝大多数人在车上，都分辨不出是否减配。

其实大家也应该明白，现在的潮流就是如此，汽车已经开始朝着大彩电、大沙发的方向发展，萎缩的市场需求，又让车企不得不压缩成本，底盘用料被牺牲，几乎是必然结果。在吐槽铝换铁的同时，大家也应该看看其它部分的实际表现，也许你玩过车里那些花里胡哨的功能之后，没准就会忘了底盘这码事。

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