鋁鎂合金貯氣筒的焊接技術(shù)

黃 丹，蒲 磊

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

純鋁比重為2.7 g/cm3，純鎂比重為1.4 g/cm3，而鋁鎂合金比重介于兩者之間，僅為碳鋼比重的1/3。汽車自身質(zhì)量的大小是影響燃油經(jīng)濟(jì)性的最重要因素之一，汽車質(zhì)量減輕10%，油耗可降低8%~9%。在能源日趨緊張的今天汽車降重成了各汽車廠商的技術(shù)發(fā)展方向。為此采用鋁鎂合金替代碳鋼來(lái)生產(chǎn)貯氣筒，從而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。本文深入分析了鋁鎂合金貯氣筒的焊接性，制定了鋁鎂合金貯氣筒的焊接工藝，詳細(xì)介紹了焊接所采用的焊接方法、焊接電源、焊接工藝參數(shù)、焊前焊后處理及操作要點(diǎn)等。

1 鋁鎂合金的焊接性分析

鋁鎂合金熔點(diǎn)（約為455~602℃）較低，但鋁鎂合金在高溫下，由于和氧的親和力強(qiáng)，在空氣中很容易與氧化合成高熔點(diǎn)的氧化膜（約為2 050℃）覆蓋熔池，嚴(yán)重的妨礙母材和填充金屬的熔合，從而在焊縫中易產(chǎn)生氧化物夾雜、未熔合、氣孔等缺陷。同時(shí)薄壁的鋁鎂合金輕量化貯氣筒焊接時(shí)由于高熔點(diǎn)氧化物覆蓋熔池，溫度不易控制，焊縫易產(chǎn)生燒穿和下塌現(xiàn)象，影響焊縫品質(zhì)和產(chǎn)品的外觀及性能。

鋁鎂合金的比重介于純鋁和純鎂之間，但氧化鎂的比重為3.2 g/cm3，在焊接過程中形成的氧化鎂混在在比重較輕的熔融合金熔液中不易被排出，易使焊縫存在夾渣，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度無(wú)法滿足產(chǎn)品性能的需求。

鋁鎂合金熔點(diǎn)低，易熔化，但其比熱和熔化潛熱大，導(dǎo)熱率大，局部加熱較困難，焊接時(shí)必須采用能量適中，功率較大的焊接設(shè)備，使其有較大的熱源。

鋁鎂合金在高溫下的強(qiáng)度和塑性低，易產(chǎn)生塌陷現(xiàn)象，又因鋁鎂合金從固態(tài)到液態(tài)時(shí)顏色無(wú)明顯變化，因此對(duì)于焊接操作人員的技術(shù)要求高。且鋁鎂合金膨脹系數(shù)大，約為鋼的三倍，在焊接過程中易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

2 鋁鎂合金輕量化貯氣筒的焊接技術(shù)

2.1 鋁鎂合金貯氣筒的工序流程

鋁鎂合金貯氣筒呈圓筒形，一般由兩個(gè)端蓋和本體焊接而成。端蓋一般為半球形，上面焊接有管接頭座；本體為圓筒形，上面焊接有數(shù)個(gè)管接頭座。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

由圖1的工藝流程圖可知，在鋁鎂合金貯氣筒的工藝難點(diǎn)和重點(diǎn)為焊接工序，尤其是筒體的直縫焊和端蓋外環(huán)焊。

2.2 焊接材料的選用

（1）焊絲

在焊接時(shí)，焊絲是影響焊縫金屬成分、組織、液相線溫度、固相線溫度、焊縫金屬及近縫區(qū)母材的抗熱烈性 耐腐蝕性及常溫或高低溫下力學(xué)性能的重要因素。鋁鎂合金的焊接性較差，熔焊時(shí)出現(xiàn)裂紋、焊縫及焊接接頭力學(xué)性能欠佳或焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂，因此選用合適的焊絲對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)非常重要。

在選用焊絲時(shí)，對(duì)于焊絲性能的要求是多方面的，即

一是，在焊接時(shí)生成焊接裂紋的傾向低；

二是，在焊接時(shí)生成焊縫氣孔的傾向低；

三是，焊縫及焊接接頭的力學(xué)性能（強(qiáng)度、延性）好；

四是，焊縫及焊接接頭在使用環(huán)境條件下的耐蝕性能好；

五是，焊縫金屬表面顏色與母材表面顏色能相互匹配[1]。

針對(duì)焊絲的性能表現(xiàn)及其適用性和預(yù)定用途聯(lián)系起來(lái)，選用的焊絲是高M(jìn)g含量的ER5356焊絲。

（2）保護(hù)氣體

在氣體保護(hù)下焊接鋁鎂合金時(shí)，只能采用惰性氣體，選用的氬氣純度（體積分?jǐn)?shù)）不低于99.99%。不僅氬氣的純度至關(guān)重要，而且氬氣的流量也對(duì)焊接品質(zhì)產(chǎn)生影響。如果氬氣的流量過大,會(huì)產(chǎn)生一種紊流現(xiàn)象，易將空氣卷入，從而降低氬氣的純度,增加氣孔的機(jī)會(huì)。同時(shí)由于流速過大，還會(huì)加速熔池的冷卻速度，不利于氫的逸出，還會(huì)出現(xiàn)電弧不穩(wěn)，使熔池?zé)o法保持足夠的溫度，造成組織凍結(jié)，產(chǎn)生氣孔和未熔合等。反之，如果氬氣流量過小，會(huì)使保護(hù)氣體力度不夠，使周圍空氣大量涌入，從而產(chǎn)生大量氣孔，使焊縫變黃、產(chǎn)生裂紋等[2]。

2.3 焊接工藝及控制措施

（1）焊接電源

焊接電源采用的是Fromius TPS4000，其一種具有完美焊接特性的全數(shù)字化焊機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)飛濺起弧，當(dāng)開始焊接時(shí)，焊絲緩慢向工件輸送，接觸的一瞬間停止，然后小電流引弧，焊絲回抽，當(dāng)達(dá)到了設(shè)定的弧長(zhǎng)時(shí)，按已設(shè)定的送絲速度進(jìn)行送絲，一旦焊接參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化設(shè)置好，則焊接過程就可100%的重復(fù)實(shí)現(xiàn)。

（2）焊接工藝參數(shù)

降低電弧電壓，增大焊接電流，降低焊接速度，有利于減小焊接熔池溶解的含氫量，延長(zhǎng)液態(tài)熔池存在時(shí)間，減緩熔池冷卻速度，便于氫氣泡的逸出，減少焊縫氣孔。經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)選，找出的最佳焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 工藝參數(shù)表

（3）焊前處理

鋁鎂合金在焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔，因此鋁鎂合金焊接時(shí)對(duì)于母材的表面清潔度高，為此需對(duì)鋁鎂合金焊前進(jìn)行處理。應(yīng)采用清洗液進(jìn)行清洗，去除母材表面油污，保證焊縫的質(zhì)量滿足要求。

（4）焊接過程

引?。河捎阡X鎂合金和氧的親和力強(qiáng)，在空氣中很容易與氧化合成高熔點(diǎn)的氧化膜（約為2 050℃），覆蓋熔池，嚴(yán)重的妨礙母材和填充金屬的熔合，因此在引弧時(shí)要提前20~30 s送保護(hù)氣體以排除焊接區(qū)域的空氣。由于鋁鎂合金的熔點(diǎn)低，為了保證焊縫質(zhì)量均勻，需要在引弧位置使用引弧板，起到對(duì)母材焊接有預(yù)熱的作用。

焊接：薄壁的鋁鎂合金輕量化貯氣筒焊接時(shí)由于高熔點(diǎn)氧化物覆蓋熔池，溫度不易控制，焊縫易產(chǎn)生燒穿和下塌，同時(shí)又因鋁鎂合金從固態(tài)到液態(tài)時(shí)顏色無(wú)明顯變化，因此對(duì)于焊接過程中的操作要求高。筒體直縫焊時(shí)采用的是平板對(duì)接的形式，焊接的方法采用左向焊法，焊槍均勻平穩(wěn)的向前直線移動(dòng)，焊接操作過程中要保持焊槍與母材的角度為70°~80°。端蓋外環(huán)焊時(shí)工件的接頭為搭接，采用的是工件旋轉(zhuǎn)焊槍位置保持不變，焊接操作過程中要保持焊槍與母材的角度為70°~80°。

收?。汉附又袛嗷蚪Y(jié)束時(shí)，為了防止產(chǎn)生弧坑或縮孔，收弧處要多填充一些金屬，然后再使焊接電流逐漸衰減，斷弧后，氬氣要持續(xù)5~8 s，以防止高溫時(shí)熔敷金屬被氧化，影響焊縫質(zhì)量及外觀。

（5）焊后處理

鋁鎂合金輕量化貯氣筒表面有一層致密的氧化物薄膜，具有防銹和美觀的作用，因此成品無(wú)須進(jìn)行涂裝。在對(duì)鋁鎂合金焊后需進(jìn)行處理，采用擦拭液進(jìn)行擦拭，清理焊縫兩側(cè)的黑色物質(zhì)，保證產(chǎn)品外觀品質(zhì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過分析鋁鎂合金貯氣筒的焊接特性，對(duì)鋁鎂合金焊接材料的焊絲的選用（牌號(hào)、直徑），焊接規(guī)范的工藝參數(shù)（焊接電流、焊接電壓、氣體流量、焊槍角度和保護(hù)氣體Ar氣的純度）、焊接方法進(jìn)行辛勤探索研究，制定出一整套鋁鎂合金貯氣筒特有的焊接規(guī)范，保證了焊接品質(zhì)要求。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)：第2卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.