時(shí)間：2023-08-17 17:35:10
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1鋁合金與氧的親和力很強(qiáng)鋁與氧的親和力比較強(qiáng)，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℃，且密度很大，約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜嚴(yán)重阻礙金屬之間的結(jié)合，形成夾渣。同時(shí)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，同時(shí)防止在焊接過程中再次氧化。焊接時(shí)，一般采用直流反接氣體保護(hù)焊，利用陰極清理來有效清理表面氧化膜，同時(shí)保護(hù)氣體并對(duì)其實(shí)施保護(hù)。
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、功率大的熱源在較短時(shí)間內(nèi)以精確實(shí)施焊接。特別是對(duì)于8mm及以上厚板，焊接前需采用預(yù)熱等工藝措施。
3鋁合金部件焊接時(shí)容易形成氣孔鋁及鋁合金焊接時(shí)極易產(chǎn)生氣孔，尤其是純鋁和防銹鋁的焊接。焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔主要是氫氣孔，而氫氣的來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分。焊接時(shí)，液體熔池在高溫下溶入大量氣體，在凝固時(shí)，氣體溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。
二鋁合金焊接方法的選擇
1焊接方法選擇需要考慮的因素
1）根據(jù)焊接車間和焊接場(chǎng)地的可能性和焊接足夠移動(dòng)距離來選擇焊接設(shè)備及方法；
2）焊接后零件的性能是否滿足使用要求來選擇焊接方法：如焊縫強(qiáng)度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能等；
3）焊接加熱是否允許對(duì)焊縫附近的基體材料產(chǎn)生軟化；
4）焊接方法是否滿足焊縫的成形性要求；
5）焊接件的用途和工作環(huán)境以及焊接接頭設(shè)計(jì)等。
2大截面鋁合金焊接常用的焊接方法惰性氣體保護(hù)焊(TIG與MIG)是應(yīng)用最廣泛的鋁及鋁合金熔焊方法。
1)裝夾固定在大型截面鋁型材焊接時(shí)，由于鋁合金的熱導(dǎo)率比較大，必須采用較大的熱輸入，焊接時(shí)很容易發(fā)生變形，這是鋁合金焊接時(shí)要非常注意的問題。這里主要采用反變形法來控制變形。具體實(shí)施過程為：在選用合理的焊接順序的同時(shí)，預(yù)先將具有插接口的工件拼接完好，并給工件施加反變形的力，裝夾固定。從而達(dá)到焊后表光滑并能夠恰好消除變形的措施。
2)焊前清理焊接前應(yīng)對(duì)母材接頭處的表面氧化物及其它油污等附著物進(jìn)行打磨清理，并進(jìn)行點(diǎn)焊固定。清理的方法一般采用有機(jī)溶劑進(jìn)行表面去污，同時(shí)采用電動(dòng)鋼絲刷去除表面氧化物。選取有代表性的點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊固定，同時(shí)為了焊縫美觀，要及時(shí)打磨焊點(diǎn)。
3)焊接工藝規(guī)范焊條或焊絲一般在母材種類、板厚以及性能等要求的基礎(chǔ)上，選用能夠保證良好焊接質(zhì)量的焊接材料。焊接電流和焊接速度根據(jù)焊接成型要求設(shè)定。焊縫坡口一般為對(duì)接接頭。為了消除水汽并達(dá)到理想的熔深，選取合適的焊前預(yù)熱溫度。
三結(jié)語
1．1鋁合金輪轂的特點(diǎn)
隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車越來越多地使用鋁合金輪轂。鋁合金輪轂相比鋼制車輪有如下4大特點(diǎn)：（1）節(jié)能。鋁合金密度低，輪轂質(zhì)量輕，加工精度高，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力小、變形小，可提高汽車的行駛性能，減少油耗。（2）安全。鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的3倍，散熱效果非常好，可增強(qiáng)制動(dòng)性能，提高使用壽命，保障汽車行駛安全。（3）舒適。一般與鋁合金輪轂配用的是扁平輪胎，其緩沖和吸震性能均優(yōu)于普通輪胎，使汽車坎坷道路上或快速行駛時(shí)，舒適性提高。（4）美觀。鋁合金輪轂外觀設(shè)計(jì)精美，造型多樣化，可做到對(duì)比突出、車轂合一，提高整車的視覺效果。
1．2輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
輪轂由輪輞、輪輻、輪芯及輪轂蓋、附件等組成，如圖1所示。輪轂一方面通過輪輞與輪胎配合，另一方面通過輪輻與車橋相連，發(fā)揮其承載、行駛、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等作用［2］。其中，輪輞的設(shè)計(jì)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用與整車要求相配的輪輞規(guī)格，尤其是寬度和直徑尺寸應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，以確認(rèn)輪輞能否滿足與輪胎的配合要求。輪芯的設(shè)計(jì)則根據(jù)輪轂與車橋車軸上的安裝盤等安裝定位要求進(jìn)行?？梢娸嗇炘煨椭凶铌P(guān)鍵的是輪輻，其造型可隨意變化，無標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)律可循。輪輻作為輪輞與輪芯的中間連接件，主要起到支承和傳遞載荷的作用，在保證具有足夠的承載、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度性能前提下，其造型應(yīng)具有美觀、動(dòng)感和時(shí)尚性。而附件、輪轂蓋對(duì)輪轂造型美觀起襯托、輔助的作用，可根據(jù)情況適當(dāng)添加。
1．3輪轂造型設(shè)計(jì)目標(biāo)
輪轂造型設(shè)計(jì)應(yīng)以輪轂的材質(zhì)、輪轂造型數(shù)量、輪轂的尺寸、輪轂外觀工藝的設(shè)定和輸入為指導(dǎo)［2］。結(jié)合輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、配套車型、目標(biāo)客戶群的審美特點(diǎn)和汽車品牌的文化特征，確定輪轂造型設(shè)計(jì)的目標(biāo)：（1）滿足結(jié)構(gòu)性能要求；（2）按車型選定車輪結(jié)構(gòu)尺寸；（3）結(jié)合品牌文化的美觀造型；（4）彰顯用戶心理特征；（5）可制造加工性。
2造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)
2．1性能要求
根據(jù)輪轂裝配于整車后的功能，針對(duì)鑄鋁合金輪轂各國(guó)均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，考慮輪轂使用中的功能需求，SAE，JASO及ISO等標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)輪轂的強(qiáng)度及疲勞性能提出了具體要求［3］，輪轂制造企業(yè)必須要對(duì)每一批制造出的產(chǎn)品進(jìn)行如表1所示的性能試驗(yàn)。
2．2尺寸設(shè)計(jì)
汽車輪轂的主要參數(shù)有胎環(huán)直徑、胎環(huán)寬度、螺栓孔節(jié)圓直徑、偏距、中心孔等，一般常根據(jù)胎環(huán)直徑和胎環(huán)寬度來劃分不同尺寸型號(hào)。直徑和寬度通常是在整車設(shè)計(jì)方案中確定的，綜合考慮了汽車動(dòng)力、自身質(zhì)量及阻力等方面因素，選擇使車輛性能最優(yōu)的輪轂尺寸，轎車原車輪轂主要的直徑尺寸為381mm（15inch），406．4mm（16inch）和431．8mm（17inch），也有越野型轎車的輪轂直徑達(dá)到508mm（20inch），533．4mm（21inch）和558．8mm（22inch）。直徑和寬度確定后，輪轂的輪輞部分便可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。螺栓孔節(jié)圓直徑、偏距及中心孔的尺寸亦由整車設(shè)計(jì)中輪轂的安裝要求確定，從而決定了輪轂的輪芯部分的造型要求。因此，輪轂的造型以輪輻部分的設(shè)計(jì)為主。
2．3造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元法已成為求解科學(xué)技術(shù)和工程問題的有力工具［4］。將有限元分析方法應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，用仿真引領(lǐng)設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)仿照設(shè)計(jì)的方法，可增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。在輪轂的造型設(shè)計(jì)中，由于輪輻是造型的關(guān)鍵，也是承受載荷的關(guān)鍵部位，因此，非常適合將有限元分析的方法引入輪轂的造型設(shè)計(jì)中來，進(jìn)行造型與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的輪轂造型設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行二維造型草圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中融入品牌文化及車型特征，經(jīng)過反復(fù)在整車模型側(cè)面上的貼圖評(píng)審確定下來；其次進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，根據(jù)車輪尺寸設(shè)計(jì)要求構(gòu)建輪輞的三維模型，根據(jù)車輪的安裝配合尺寸設(shè)計(jì)輪芯的三維造型，主要是根據(jù)評(píng)審確定下來的二維造型草圖進(jìn)行輪輻部分的三維模型設(shè)計(jì)，此階段更多考慮的是外觀造型；再次根據(jù)三維數(shù)據(jù)制作油泥模型，反復(fù)調(diào)整模型，更新三維數(shù)據(jù)，甚至在實(shí)車上評(píng)審造型；最后是制作硬質(zhì)輪轂樣件，通常用ABS工程塑料，進(jìn)一步檢驗(yàn)輪轂設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，完成造型設(shè)計(jì)。之后整車廠會(huì)將以上完成的造型設(shè)計(jì)提供給輪轂供應(yīng)商制作小批真實(shí)樣件，通常這時(shí)輪轂制造廠在試制生產(chǎn)前會(huì)對(duì)客戶提供的模型進(jìn)行有限元分析以保證樣件的試驗(yàn)通過率，避免直接開模、試制、試驗(yàn)不通過造成的報(bào)廢、修模、重新試制等過程的浪費(fèi)，主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)性能的分析?？梢姡瑐鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是分開進(jìn)行的，有限元分析并未發(fā)揮其最大的作用，沒能用于指導(dǎo)造型設(shè)計(jì)，因此可能會(huì)導(dǎo)致后期有限元分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性時(shí)對(duì)前期造型設(shè)計(jì)方案的，或者獨(dú)立的造型設(shè)計(jì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全裕度過大，造成材料的浪費(fèi)，不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的輕量化設(shè)計(jì)。因此，將有限元分析提前到造型設(shè)計(jì)的過程中，一旦二維造型方案確定，構(gòu)造出三維模型就對(duì)其進(jìn)行有限元分析，將避免一些不必要的嘗試，并帶來更加創(chuàng)新優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法的流程如圖2所示。
3案例
以福特2015年新款Focus車型431．8mm×177．8mm（17inch×7．0inch）的輪轂設(shè)計(jì)為例，展示由于有限元分析方法的引入而形成的造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。輪轂造型效果如圖3所示。采用福特產(chǎn)品設(shè)計(jì)通用的I－DEAS有限元分析軟件在輪轂造型設(shè)計(jì)的各階段對(duì)其進(jìn)行有限元分析，分析中采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料屬性取鋁合金材料的機(jī)械性能參數(shù)，彈性模量6．9×1010Pa，泊松比0．33。對(duì)13°沖擊試驗(yàn)，根據(jù)前述試驗(yàn)條件，在輪轂安裝盤面及5個(gè)PCD孔錐面上施加6個(gè)自由度的全約束，使車輪相對(duì)于水平o-xy平面旋轉(zhuǎn)翹起13°，在最高輪輞邊緣向輪芯偏移19mm的位置以外的輪輞上施加載荷，沖擊試驗(yàn)的載荷是使質(zhì)量為547kg的沖擊錘自230mm高度落下。彎曲疲勞試驗(yàn)則根據(jù)前述試驗(yàn)條件，在無輪輻支撐側(cè)的輪輞邊緣施加固定約束，在輪芯的安裝面及PCD孔上通過建模添加加載臂結(jié)構(gòu)，加載臂長(zhǎng)度為660mm，根據(jù)試驗(yàn)要求的載荷3587N•m計(jì)算出加載臂末端應(yīng)施加的力為5435N，根據(jù)不同的輪型結(jié)構(gòu)通常根據(jù)旋轉(zhuǎn)一周的情況選定幾個(gè)方向進(jìn)行加載計(jì)算，取分析所得最危險(xiǎn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。徑向載荷疲勞試驗(yàn)按前述試驗(yàn)條件，分析中對(duì)輪芯的安裝盤面和PCD孔錐面分別進(jìn)行全約束，在60°夾角范圍內(nèi)的輪輞兩側(cè)胎圈座上分別施加呈半正弦函數(shù)分布的徑向載荷q1和q2，根據(jù)試驗(yàn)要求徑向載荷15007N和輪轂尺寸參數(shù)由以下公式計(jì)算得到，并在整個(gè)外輪輞上施加充氣壓力300kPa，同彎曲疲勞試驗(yàn)，根據(jù)輪型結(jié)構(gòu)選取幾個(gè)位置分別加載分析，取最危險(xiǎn)的分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。該型輪轂最終造型設(shè)計(jì)在三性能試驗(yàn)條件下的有限元分析結(jié)果分別如圖4a，4b，4c所示。其中，圖4a為在以上沖擊試驗(yàn)約束和載荷條件下的vonMises應(yīng)力分析結(jié)果，其最大值為56．8MPa，發(fā)生在沖擊部位正對(duì)的輻條根部；圖4b為以上彎曲試驗(yàn)約束和載荷條件下的vonMises應(yīng)力分析結(jié)果，其最大值為105MPa，發(fā)生在輻條背面根部位置；圖4c為以上徑向載荷試驗(yàn)約束和載荷條件下的vonMises應(yīng)力分析結(jié)果，其最大值為40．7MPa，發(fā)生在無輻條支撐側(cè)的輪輞外緣處。鋁合金材料的屈服強(qiáng)度為178MPa，根據(jù)文獻(xiàn)［3］中通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證建立的分析模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以上3個(gè)性能試驗(yàn)有限元分析的vonMises應(yīng)力最大值分別小于70MPa，110MPa（30萬轉(zhuǎn)）和70MPa（100萬轉(zhuǎn)）為合格。從有限元分析的結(jié)果可以看出該設(shè)計(jì)可全部通過標(biāo)準(zhǔn)要求的輪轂性能試驗(yàn)，在達(dá)到造型設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。在結(jié)合車型特點(diǎn)等因素確定初步的設(shè)計(jì)方向和設(shè)計(jì)尺寸后，首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的輪輞形狀、尺寸進(jìn)行輪輞造型設(shè)計(jì)，其次進(jìn)行輪輻的造型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中通過以上有限元分析結(jié)果，逐步實(shí)現(xiàn)了輪轂的最終造型設(shè)計(jì)。
4結(jié)論
關(guān)鍵詞：鋁合金;預(yù)處理;化學(xué)鍍鎳;附著力
1引言
化學(xué)鍍Ni-P具有厚度均勻、硬度高、抗蝕性優(yōu)異等特點(diǎn)，因此鍍層廣泛被應(yīng)用于需耐磨的工件。但是，鋁合金表面即使在空氣中停留時(shí)間極短也會(huì)迅速地形成一層氧化膜，以致影響鍍層質(zhì)量，降低鍍層與基體的結(jié)合力。
本項(xiàng)研究得出了比較好的預(yù)處理方案，從而得到結(jié)合力良好，表面比較光亮的Ni-P鍍層。
2實(shí)驗(yàn)方法
2.1實(shí)驗(yàn)工藝流程
試樣制備配制除油溶液化學(xué)除油水洗侵蝕水洗超聲波水洗去離子水洗一次鋟鋅水洗退鋅水洗超聲波水洗去離子水洗二次鋟鋅水洗去離子水洗堿性鍍水洗酸性鍍?nèi)ルx子水洗吹干冷卻
2.2除油配方及工藝
除油：Na3PO4•12H2O(30g/L)NaCO3(30g/L)溫度（65℃）時(shí)間（3min）
2.3浸鋅配方及工藝
ZnSO4(40g/l)NaOH(90g/l)NaF(1g/l)Fecl3(1g/l)KNaC4O4H406(10g/L)
溫度（42℃）一次浸鋅時(shí)間（90S）二次浸鋅時(shí)間（18S）
2.4鍍液配方與工藝
堿性預(yù)鍍液NiSO4•6H2O（30g/l）NaH2PO2•H2O（25g/l）NH4C6H5O7•H2O（100g/l）溫度（65℃）PH值（8.2）施鍍時(shí)間（8min）
酸性鍍液NiSO4•6H2O（30g/l）NaH2PO2•H2O（25g/l）NH4C6H5O7•H2O（10g/l）
乳酸C3H6O3（40ml/l）NaC2H302（10g/L）溫度（85℃）PH值（4.8）施鍍時(shí)間（120min）3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1鍍層表面形貌及硬度
鍍層表面為致密的胞狀、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。小胞之間有明顯的界線，界線基本為直線，說明小胞在長(zhǎng)大的過程中相互受到擠壓而發(fā)生了變形，鍍層中存在應(yīng)力。鍍層的含磷量為13.1%，鍍層硬度可達(dá)686HV。
溫度是影響化學(xué)鍍沉積速率的最重要因?；瘜W(xué)鍍的催化反應(yīng)一般只能在加熱條件下發(fā)生，溫度升高，離子擴(kuò)散速度加快，反應(yīng)活性增強(qiáng)，當(dāng)溫度高于50℃時(shí)，基體表面才有少量氣泡生成，化學(xué)鍍鎳磷合金才能進(jìn)行，隨溫度升高基體表面可見明顯鍍層。反應(yīng)溫度低于80℃時(shí)，沉積速率較慢；溫度高于80℃，基體表面有大量氣泡生成，沉積速率變快；當(dāng)溫度高于95℃時(shí)，鍍液發(fā)生分解，鍍液迅速變黑，產(chǎn)生大量氣泡，在燒杯底部出現(xiàn)黑色沉淀。
3.2pH值對(duì)鍍速的影響?yīng)?/p>
在酸性化學(xué)鍍液中，pH是影響沉積速率的重要因素之一。在化學(xué)鍍過程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H+不斷的生成，鍍液的pH值不斷降低，使沉積速率受到影響，因此在施鍍過程中必須隨時(shí)補(bǔ)充堿液來調(diào)整pH值在正常的工藝范圍內(nèi)。pH值升高使Ni2+的還原速度加快，沉積速率變快。
4結(jié)語
(1)通過實(shí)驗(yàn)研究得到比較適宜的鋁合金基材化學(xué)鍍鎳的前處理工藝,并得出了一套完整的鋁合金基材表面化學(xué)鍍鎳工藝條件及配方。
(2)溫度和pH值是影響反應(yīng)速度重要的因素，溫度的最佳工藝范圍為85～95℃，超過95℃，鍍液自分解現(xiàn)象嚴(yán)重；pH值的最佳范圍是4.5～5.5，pH值超過5.5沉積速度開始下降。
(3)通過性能檢測(cè)表明此工藝獲得的鍍層,鍍層硬度可達(dá)686hHV,含磷量為11.17%且表面光亮、均勻、結(jié)合力好。
參考文獻(xiàn)
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在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)的不同，焊接接頭中可以出現(xiàn)各種裂紋，裂紋的形態(tài)和分布特征都很復(fù)雜，根據(jù)其產(chǎn)生的部位可分為以下兩種裂紋形式：
（1）焊縫金屬中的裂紋：縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發(fā)狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋（尤其在多層焊時(shí)）。
（2）熱影響區(qū)的裂紋：焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋。按裂紋產(chǎn)生的溫度區(qū)間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時(shí)高溫下產(chǎn)生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點(diǎn)物質(zhì)的存在所引起的。根據(jù)所焊金屬的材料不同，產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類。熱裂紋中主要產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，它是在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時(shí)填充，在凝固收縮應(yīng)力或外力的作用下發(fā)生沿晶開裂，這種裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁合金；液化裂紋是在熱影響區(qū)中被加熱到高溫的晶界凝固時(shí)的收縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。
在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充材料表面清理不夠充分時(shí)，焊接后焊縫中仍存在較多的夾雜和少量的氣孔。在三組號(hào)試驗(yàn)中，由于焊接填充材料為鑄造組織，其中夾雜為高熔點(diǎn)物質(zhì)，焊接后在焊縫中仍將存在；又，鑄造組織比較稀疏，孔洞較多，易于吸附含結(jié)晶水的成分和油質(zhì)，它們將成為焊接過程中產(chǎn)生氣孔的因素。當(dāng)焊縫在拉伸應(yīng)力作用下時(shí)，這些夾雜和氣孔往往成為誘發(fā)微裂紋的關(guān)鍵部位。通過顯微鏡進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，這些夾雜和氣孔誘發(fā)的微觀裂紋之間有明顯的相互交匯的趨勢(shì)。然而，對(duì)于夾雜物在此的有害作用究竟是主要表現(xiàn)為應(yīng)力集中源從而誘發(fā)裂紋，還是主要表現(xiàn)為脆性相從而誘發(fā)裂紋，尚難以判斷。此外，一般認(rèn)為，鋁鎂合金焊縫中的氣孔不會(huì)對(duì)焊縫金屬的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響，而本研究試驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)焊縫拉伸試樣中同時(shí)存在著由夾雜和氣孔誘發(fā)微裂紋的現(xiàn)象。氣孔誘發(fā)微裂紋的現(xiàn)象是否只是一種居次要地位的伴生現(xiàn)象，還是引起焊縫拉伸強(qiáng)度大幅度下降的主要因素之一，亦還有待進(jìn)一步的研究。
2熱裂紋產(chǎn)生的過程
目前關(guān)于焊接熱裂紋理論，國(guó)內(nèi)外認(rèn)為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認(rèn)為結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生與否主要取決于以下3方面：脆性溫度區(qū)間的大?。辉诖藴囟葏^(qū)間內(nèi)合金所具有的延性以及在脆性溫度區(qū)間金屬的變形率大小。
通常人們將脆性溫度區(qū)間的大小及在此溫度區(qū)間內(nèi)具有的延性值稱為產(chǎn)生焊接熱裂紋的冶金因素，而把脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的變形率大小稱為力學(xué)因素。焊接過程是一系列不平衡的工藝過程的綜合，這種特征從本質(zhì)上與焊接接頭金屬斷裂的冶金因素和力學(xué)因素發(fā)生重要的聯(lián)系，如焊接工藝過程與冶金過程的產(chǎn)物即物理的、化學(xué)的與組織上的不均勻性、熔渣與夾雜物、氣體元素與處于過飽和濃度的空位等。所有這些，都是與裂紋的萌生與發(fā)展有密切聯(lián)系的冶金因素。從力學(xué)因素方面看，焊接熱循環(huán)特定的溫度梯度與冷卻速度，在一定的拘束條件下，將使焊接接頭處于復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，從而為裂紋的萌生與發(fā)展提供必要的條件。
在焊接過程中，冶金因素和力學(xué)因素的綜合作用將歸結(jié)為兩個(gè)方面，即是強(qiáng)化金屬聯(lián)系還是弱化金屬聯(lián)系。如果在冷卻時(shí)，焊接接頭金屬中正在建立強(qiáng)度聯(lián)系，在一定剛性拘束條件下能夠順從地應(yīng)變，焊縫與近縫區(qū)金屬能夠承受外加拘束應(yīng)力與內(nèi)在殘余應(yīng)力的作用時(shí)，裂紋就不容易產(chǎn)生，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，反之，當(dāng)承受不住應(yīng)力作用時(shí)，金屬中強(qiáng)度聯(lián)系容易中斷，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。在這種情況下，焊接接頭金屬的裂紋敏感性較高。焊接接頭金屬從結(jié)晶凝固的溫度開始，以一定的速度冷卻到室溫，其裂紋敏感性決定于變形能力和外加應(yīng)變的對(duì)比以及變形抗力與外加應(yīng)力的對(duì)比。然而在冷卻過程中，在不同的溫度階段，由于晶間強(qiáng)度與晶粒強(qiáng)度增長(zhǎng)的情況不同、變形在晶粒間和晶粒內(nèi)部的情況分布不同、由應(yīng)變所誘導(dǎo)的擴(kuò)散行為不同、應(yīng)力集中的條件以及導(dǎo)致金屬脆化的因素不同，焊接接頭具體的薄弱環(huán)節(jié)以及它弱化的因素和程度也是不同的。
導(dǎo)致焊接接頭金屬產(chǎn)生裂紋的冶金因素和力學(xué)因素有著較為密切的聯(lián)系，力學(xué)因素中的應(yīng)力梯度和熱循環(huán)特征所確定的溫度梯度有關(guān)，而后者與金屬的導(dǎo)熱性密切相關(guān)，如金屬的熱塑性變化特征、熱膨脹性以及組織轉(zhuǎn)變等構(gòu)成的冶金因素，在很大程度上對(duì)焊接接頭金屬所處的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)起到重要作用，此外，隨著溫度的降低與冷卻速度的變化，冶金因素和力學(xué)因素也都是在變化著的，在不同的溫度區(qū)間對(duì)焊接接頭金屬的強(qiáng)度聯(lián)系作用各不相同，如結(jié)晶溫度區(qū)間大，固相線溫度低，在晶粒間殘存的低熔液態(tài)金屬處，更容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致固相金屬產(chǎn)生裂紋；同樣，隨著溫度降低，如果收縮量較大，特別是在快速冷卻條件下，當(dāng)收縮應(yīng)變速率高，應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)比較苛刻時(shí)也容易產(chǎn)生裂紋等等。
在鋁合金焊接時(shí)焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔共晶體被排擠在晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，此時(shí)由于在冷卻時(shí)收縮量較大而得不到自由收縮產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力，這時(shí)候液態(tài)薄膜就形成了較為薄弱的環(huán)節(jié)，在拉伸應(yīng)力的作用下就可能在薄弱地帶開裂而形成裂紋。
3熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理
為了研究鋁合金焊接時(shí)那個(gè)時(shí)候最容易產(chǎn)生熱裂紋，把鋁合金焊接時(shí)焊接熔池的結(jié)晶分為3個(gè)階段。
第一個(gè)階段是液固階段，焊接熔池從高溫冷卻開始結(jié)晶時(shí)，只有很少數(shù)量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，晶核逐漸長(zhǎng)大，并且出現(xiàn)新的晶核，但是在這個(gè)過程中液相始終占有較多的數(shù)量，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，對(duì)還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動(dòng)不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的縫隙能及時(shí)地被流動(dòng)著的鋁合金液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段產(chǎn)生裂紋的可能性很小。
第二階段是固液階段，在焊接熔池結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，熔池中固相不斷增多，同時(shí)先前結(jié)晶的晶核不斷長(zhǎng)大，當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時(shí)，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發(fā)生接觸，并且不斷傾軋?jiān)谝黄穑@時(shí)候液態(tài)鋁合金的流動(dòng)受到阻礙，也就是說熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)鋁合金金屬較少，晶體本身的變形可以強(qiáng)烈發(fā)展，晶體間殘存的液相則不容易流動(dòng)，在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應(yīng)力的存在就有產(chǎn)生裂紋的可能性。因此，這個(gè)階段叫做“脆性溫度區(qū)”。
第三階段是完全凝固階段，熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對(duì)來說較小。因此，當(dāng)溫度高于或者低于a-b之間的脆性溫度區(qū)時(shí)，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質(zhì)較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區(qū)間較窄，拉應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間作用的時(shí)間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小，因此焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質(zhì)比較多，則脆性溫度區(qū)間范圍比較寬，拉伸應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間的作用時(shí)間比較長(zhǎng)，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。
4鋁合金焊接裂紋的防止措施
根據(jù)鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的機(jī)理，可以從冶金因素和工藝因素兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。
在冶金因素方面，為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生晶間熱裂紋，主要通過調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)或向填加金屬中添加變質(zhì)劑。調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)的著眼點(diǎn)，從抗裂角度考慮，在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。由于鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的“最大”凝固溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)，少量易熔共晶的存在總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過裂紋傾向最大時(shí)的合金組元，以便能產(chǎn)生“愈合”作用。而作為變質(zhì)劑向填加金屬中加入Ti、Zr、V和B等微量元素，企圖通過細(xì)化晶粒來改善塑性、韌性，并達(dá)到防止焊接熱裂紋的目的嘗試，在很早以前就開始了，并且取得了效果。圖3給出剛性搭接角焊縫的條件下Al-4.5%Mg焊絲中加入變質(zhì)劑的抗裂試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中加入的Zr為0.15%，Ti+B為0.1%。可見，同時(shí)加入Ti和B可以顯著提高抗裂性能。Ti、Zr、V、B及Ta等元素的共同特點(diǎn)，是都能同鋁形成一系列包晶反應(yīng)生成難熔金屬化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta等）。這種細(xì)小的難熔質(zhì)點(diǎn)，可成為液體金屬凝固時(shí)的非自發(fā)凝固的晶核，從而可以產(chǎn)生細(xì)化晶粒作用。
在工藝因素上，主要是焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應(yīng)力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進(jìn)行焊接過程，可防止形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向?？梢?，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時(shí)不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度等措施。通過預(yù)熱，可以使得試件相對(duì)膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應(yīng)力相應(yīng)降低，減小了在脆性溫度區(qū)間的應(yīng)力；盡量采用開坡口和留小間隙的對(duì)接焊，并避免采用十字形接頭及不適當(dāng)?shù)亩ㄎ?、焊接順序；焊接結(jié)束或中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。對(duì)于5000系合金多層焊的焊接接頭，往往由于晶間局部熔化而產(chǎn)生顯微裂紋，因此必須控制后一層焊道焊接熱輸入量。
而根據(jù)本文試驗(yàn)所證明，對(duì)于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當(dāng)重要。材料的夾雜在焊縫中將成為裂紋產(chǎn)生的源頭，并成為引起焊縫性能下降的最主要原因。
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鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，表面易形成氧化膜，在焊接時(shí)容易形成未熔合及夾渣缺陷，使接頭的性能降低；氧化膜對(duì)水分有很高的吸附能力，易產(chǎn)生氣孔缺陷；另外，還出現(xiàn)裂紋、接頭軟化和耐蝕性降低等問題。
1.1氣孔
鋁合金焊接時(shí)主要產(chǎn)生的氣孔是氫氣孔，而氫的來源有三：空氣中的水分侵入熔池；保護(hù)氬氣中含水分大；坡口及焊絲清理不干凈。因此，解決氣孔的主要措施是：
a）適當(dāng)預(yù)熱，降低熔池的冷卻速度，有利于氣體逸出；
b）制定合理的焊接工藝，采用短弧焊接；
c）提高氬氣的純度；
d）清除焊絲和母材坡口及其兩側(cè)的氧化膜、水、油等污物。
1.2裂紋
鋁合金焊接中產(chǎn)生的裂紋主要是熱裂紋，其中大部分是產(chǎn)生在焊縫中的結(jié)晶裂紋，有時(shí)在熱影響區(qū)也出現(xiàn)液化裂紋。除了接頭中拘束力的影響之外，結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生主要是受鋁合金化學(xué)成分和高溫物理性能的影響。當(dāng)焊接線能量過大時(shí)，在鋁合金多層焊的焊縫中，或與熔合線毗連的熱影響區(qū)，常會(huì)產(chǎn)生顯微液化裂紋。防止裂紋的主要途徑是：
a）選配合適的焊絲和盡可能優(yōu)選母材成分；
b）正確選擇焊接方法和工藝參數(shù)，宜采用功率大、加熱集中的熱源；
c）應(yīng)避免不合理的工藝和裝配所引起的應(yīng)力增大，盡量將焊接應(yīng)力降低到最??；
d）避免接頭在高溫下受力，人為地造成裂紋。
1.3焊接接頭軟化
鋁合金管焊接后會(huì)產(chǎn)生明顯的軟化現(xiàn)象，其主要原因是由于焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能變化引起的。防止焊接接頭軟化的主要方法是：
a）采用加熱迅速、熱量集中的焊接方法，以減小接頭的強(qiáng)度損失；
b）選擇合適的焊絲。
1.4焊接接頭的耐蝕性
鋁合金接頭耐蝕性降低的原因，主要與接頭的組織不均勻、焊接缺陷、焊縫鑄造組織和焊接應(yīng)力等有關(guān)。采取的措施有：
a）選用高純度的焊絲；
b）調(diào)整焊接工藝可以減小熱影響區(qū)，并防止過熱，同時(shí)應(yīng)盡可能減少工藝性焊接缺陷；
c）碾壓或錘擊焊縫有利于提高焊接接頭的耐蝕性；
d）減少焊接應(yīng)力。
2焊接工藝
2.1焊接方法
通過以上分析和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定焊接方法采用交流鎢極氬弧焊。其優(yōu)點(diǎn)是：具有陰極破碎作用；設(shè)備結(jié)構(gòu)和線路簡(jiǎn)單，不易出現(xiàn)故障；TIG保護(hù)性好，電弧穩(wěn)定、熱量集中、焊縫成形美觀、強(qiáng)度和塑性高、管材變形??；現(xiàn)場(chǎng)地面施焊，管材可以轉(zhuǎn)動(dòng)，以平焊位為主，操作容易；可形成較大的熔池，有益于氣體逸出，故焊縫中氣孔極少。
2.2焊前準(zhǔn)備
2.2.1焊接設(shè)備與焊材的選用：采用交直鎢極氬弧焊機(jī)WSE-315，焊材選用HS5356，直徑5mm。
2.2.2清理鋁合金管母和襯管都有包裝，保護(hù)比較好，為了避免碰損和油污，在組裝焊接時(shí)才拆除包裝。現(xiàn)場(chǎng)使用坡口機(jī)開坡口，用丙酮擦拭坡口及其附近處，然后用銅絲刷清理管母坡口及其內(nèi)外壁30mm范圍、襯管和加強(qiáng)孔附近，之后再用丙酮擦拭，如圖1所示。焊絲用化學(xué)方法進(jìn)行清理。管母、襯管、焊絲的清理應(yīng)根據(jù)焊接進(jìn)度完成，不要一次清理過多，以免造成再次氧化和污染。
2.2.3組裝對(duì)口制作焊接支架如圖2所示，要求管母的軸心線重合，安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)膠輪可使管母免受損傷，且焊接位置一直處于水平位置便于焊工施焊，減小了操作難度，保證了焊接質(zhì)量。襯管的加工要求見圖3。制作對(duì)口卡具如圖4所示，便于定位焊和焊接過程中轉(zhuǎn)動(dòng)管子時(shí)，使高溫的焊縫不受外力而產(chǎn)生缺陷。
2.3焊接工藝參數(shù)
鋁合金管母焊接電流與加熱溫度的選擇尤為重要，如果焊接電流過大，熔池形成速度較快，容易造成燒穿、塌陷等缺陷；如果焊接電流過小，母材較難熔化，熔深淺，易產(chǎn)生氣孔、未焊透和熔合不良等缺陷?？赏ㄟ^適當(dāng)提高預(yù)熱溫度來補(bǔ)償焊接區(qū)熱源不足，使焊接順利進(jìn)行。具體焊接工藝參數(shù)見附表。焊接Φ110mm×4mm鋁合金管母線時(shí)，焊接電流可適當(dāng)減小，為160~170A，焊加強(qiáng)孔選擇電流200~210A。
3結(jié)束語
隨著我國(guó)汽車總量的不斷增加，我國(guó)已經(jīng)成為世界第三大汽車生產(chǎn)國(guó)，和世界第二大汽車消費(fèi)國(guó)。鋁合金汽車輪轂的年產(chǎn)量超過六千萬件，有很大的出口額。為了滿足市場(chǎng)的需求，鋁合金汽車輪轂在結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)上都有很多形式。外觀造型上有寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等設(shè)計(jì)，外觀式樣有拋光涂透明漆、亮面涂透明漆、電鍍等。涂抹的顏色也根據(jù)客戶的要求有多重形式，不同的色彩、不同的設(shè)計(jì)、不同的外觀是發(fā)展的趨勢(shì)。
2鋁合金汽車輪轂的優(yōu)點(diǎn)
首先，鋁合金汽車輪轂的重量比鋼輪轂的重量輕，這樣車整體的重量減少了，汽車的油耗也就相對(duì)的減少了。經(jīng)計(jì)算鋁輪轂的重要減輕在40%左右，90km/h到120km/h車速時(shí)，油耗可減少0.05L/100km,城市內(nèi)行駛，可減少的油耗量略少些，如果按每十萬公里節(jié)油計(jì)算，大約節(jié)約在40~50L。其次，鋁合金汽車輪轂?zāi)軌蚋纳破嚨男旭傂阅埽剐旭傔^程中的振動(dòng)減小，讓駕駛員駕車更加舒適。鋁合金汽車輪轂采用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工，平衡性能比鋼優(yōu)越。車輪如果是鋼車輪，平衡性比較差，高速性能不穩(wěn)定，和鋁輪轂相比較，還是鋁輪轂的性能好。再次，鋁合金汽車輪轂的散熱性好，車輪的熱源主要由剎車產(chǎn)生和車胎與路面的摩擦產(chǎn)生。在汽車高速行駛中，車輪如果溫度持續(xù)過高，就會(huì)有出現(xiàn)爆胎的可能性。因?yàn)殇X的導(dǎo)熱性能比鋼的導(dǎo)熱性能好，而且鋁合金汽車輪轂表面的設(shè)計(jì)也有利于散熱，所以使用鋁合金汽車輪轂可以減少爆胎的可能，更易于散熱。然后，鋁合金汽車輪轂的美觀度也很不錯(cuò)，對(duì)于汽車整體形象，輪轂的美觀度也是對(duì)其有很大影響的。現(xiàn)在汽車的輪轂設(shè)計(jì)中，一個(gè)不可缺少的設(shè)計(jì)就是汽車的輪轂的設(shè)計(jì)。汽車輪轂的造型直接關(guān)系到汽車的車身設(shè)計(jì)的檔次，也可以突顯出汽車的品味。制造廠商和設(shè)計(jì)者在車轂的風(fēng)格設(shè)計(jì)上下了不少功夫，不單在顏色上進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，還給車轂加了花紋結(jié)構(gòu)，不同的花紋有著不同的顏色，再經(jīng)過電鍍，添加了很多個(gè)性化的設(shè)計(jì)，也很大限度地滿足各類人群的審美要求。
3鋁合金汽車輪轂的設(shè)計(jì)開發(fā)
隨著現(xiàn)在人民的生活水平的提高，同時(shí)汽車品種的增多，和汽車價(jià)格的下調(diào)。汽車已經(jīng)成為大眾消費(fèi)的熱點(diǎn)產(chǎn)品。從大眾對(duì)汽車的認(rèn)知和實(shí)用性，到對(duì)汽車的審美和汽車的功能過度。大眾不僅要求汽車的優(yōu)良的性能，方便的駕駛，還會(huì)要求汽車符合自己身份地位，以及符合自己的審美品位。車轂對(duì)于汽車整體的形象有著重要的影響，如果想在市場(chǎng)上長(zhǎng)期立足，就需要輪轂的設(shè)計(jì)開發(fā)，汽車部件的設(shè)計(jì)開發(fā)也是企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。
4鋁合金汽車輪轂的生產(chǎn)工藝流程
4.1生產(chǎn)廠家對(duì)汽車輪轂的生產(chǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。中層共同參與，通過了解大眾在汽車輪轂使用中遇到的問題及未能得到滿足的需求，挖掘大眾在汽車輪轂方面潛在的需求，提出問題解決問題。
4.2市場(chǎng)調(diào)研。考察同類汽車的輪轂在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)情況，根據(jù)目標(biāo)汽車輪轂的市場(chǎng)分析潛在的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，同時(shí)也要了解當(dāng)前政府政策，和其他環(huán)境因素。
4.3管理定位。由管理層對(duì)汽車輪轂的價(jià)格、設(shè)計(jì)、風(fēng)格、功能、性能、主導(dǎo)方向進(jìn)行定位。各項(xiàng)指標(biāo)均以數(shù)字化形式體現(xiàn)。
4.4根據(jù)產(chǎn)品需求進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。綜合汽車輪轂的技術(shù)質(zhì)量要求更進(jìn)一步構(gòu)思，在風(fēng)格、設(shè)計(jì)定位的基礎(chǔ)上繪制出不同款式的輪轂圖，對(duì)所設(shè)計(jì)出來的輪轂圖進(jìn)行比較，篩選出最完美的設(shè)計(jì)稿，然后對(duì)設(shè)計(jì)稿進(jìn)行優(yōu)化，形成機(jī)構(gòu)圖紙，再用建模技術(shù)進(jìn)行建模，利用分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)出的鋁合金汽車輪轂進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)分析出來的結(jié)果進(jìn)行完善和修改，再重新設(shè)計(jì)模型，并了解客戶需求，選出最理想方案。
1.1焊接變形原因
焊接的熱過程是導(dǎo)致殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變的根源。在焊接過程中,焊接熱過程對(duì)焊接質(zhì)量和焊接效率的影響,主要來自以下幾個(gè)方面的深層次原因:(1)在焊接件上,熔池的形狀和尺寸直接影響焊接質(zhì)量,而熔池大小與尺寸作用到焊接件上的熱量分布和大小息息相關(guān);(2)焊接的熱過程包含加熱和冷卻兩個(gè)過程,這兩個(gè)過程中的加熱和冷卻參數(shù)會(huì)直接影響熔池的相變過程,對(duì)金屬的凝固產(chǎn)生重要的影響,對(duì)熱影響區(qū)的金屬組織產(chǎn)生一定的破壞;(3)焊接中的熱過程直接決定熱量的輸入過程和熱量的傳遞效率,這直接導(dǎo)致焊接的母材的熔化速度;(4)焊接的熱過程如果不均勻,會(huì)對(duì)金屬構(gòu)件各部分產(chǎn)生不同的熱響應(yīng),導(dǎo)致出現(xiàn)不同的應(yīng)力,產(chǎn)生應(yīng)力形變。從以上理論探討,我們可知在金屬構(gòu)件焊接過程中出現(xiàn)變形,主要是由于焊接熱源是處于局部加熱,使得鋁合金構(gòu)件上的熱量分布存在差異,在構(gòu)件與母材之間的焊縫區(qū)域附近熱量吸收的較多,引起周圍鋁合金材料和母材都出現(xiàn)一定程度的受熱膨脹,而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的鋁合金材料和母材材料由于吸收到的熱量相對(duì)較少,發(fā)生的體積膨脹相對(duì)較小甚至不發(fā)生體積膨脹,使得焊縫區(qū)域的體積膨脹過程受到一定的抑制,導(dǎo)致焊接過程中,焊接構(gòu)件和母材之間出現(xiàn)瞬間的熱變形,但是當(dāng)鋁合金構(gòu)件在焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了自身材料的彈性極限后,會(huì)出現(xiàn)一定的塑性應(yīng)變,當(dāng)焊接過程結(jié)束之后,焊接件又逐步冷卻而產(chǎn)生殘余變形。
1.2焊接變形分類
從機(jī)械領(lǐng)域考慮整個(gè)焊接過程,可以將焊接過程中出現(xiàn)的變形分為瞬間變形和殘余變形。其中,焊接過程瞬間熱變形分為三種,依次是面內(nèi)位移、面外位移和相變組織形變。焊后殘余變形分為面內(nèi)變形和面外變形兩大類,面內(nèi)變形又分為焊縫縱向收縮、焊縫橫向收縮、回轉(zhuǎn)變形;面外變形又分為角變形、彎曲變形、扭曲變形。
1.3鋁合金的焊接性能分析
熟悉化學(xué)原理的人都清楚,各種鋁合金的化學(xué)成分并不一致,導(dǎo)致不同鋁合金的物理性能和化學(xué)性能存在一定的差異,但是,由相關(guān)研究試驗(yàn)并結(jié)合以上的焊接熱理論和焊接應(yīng)力應(yīng)變理論分析可知,鋁合金的焊接性能主要與鋁合金中的含鋁量和含鎂量有關(guān)。隨著含鎂量的增高,鋁合金強(qiáng)度增高,焊接性能改善;但是,當(dāng)含鎂量超過7%的極限值之后,鋁合金容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,降低焊接性能。但是,鋁合金與其他金屬相比,由于在空氣中或者是進(jìn)行焊接時(shí),比較容易與氧反應(yīng)被氧化,生產(chǎn)的氧化鋁薄膜由于熔點(diǎn)高,在焊接時(shí)會(huì)阻礙焊接過程;焊接過程中,在接頭內(nèi)容以出現(xiàn)一些焊接缺陷,因此,在焊接前需要進(jìn)行表面處理后盡快進(jìn)行焊接。此外,由于鋁合金的其他物理化學(xué)性能如熱導(dǎo)率、比熱等比鋼大,在焊接時(shí)容易造成較多的焊接熱量的流失,因此,在焊接時(shí)需要采用高度集中的熱源進(jìn)行焊接,才能有效提升焊接質(zhì)量,降低應(yīng)力形變的出現(xiàn)。
1.4鋁合金構(gòu)件焊接變形控制措施
從上述對(duì)鋁合金構(gòu)件焊接性能和焊接熱過程的分析,對(duì)于鋁合金構(gòu)件在焊接過程中出現(xiàn)的瞬間變形和焊接結(jié)束后出現(xiàn)的殘余變形,需要采取一定的控制措施,減少變形甚至是消除變形,促進(jìn)鋁合金構(gòu)件在裝備整體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮應(yīng)用的作用。在鋁合金構(gòu)件設(shè)計(jì)階段結(jié)合整體裝備,做好其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采取優(yōu)質(zhì)的焊接技術(shù),能夠顯著減小焊接變形量。為此,我們可以從兩個(gè)階段進(jìn)行鋁合金焊接變形量的控制。一個(gè)階段是設(shè)計(jì)階段,另一個(gè)是制造階段。在設(shè)計(jì)階段,主要遵循如下幾個(gè)原則即可實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程做好對(duì)鋁合金焊接變形的有效控制:首先是要對(duì)焊接的工藝進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)與選擇,一般在這個(gè)過程中,遵循的原則就是盡量選擇那些實(shí)踐反饋效果好應(yīng)用成熟的焊接工藝;其次,對(duì)于焊接過程中,鋁合金構(gòu)件和主體裝備結(jié)構(gòu)之間焊接縫隙的尺寸、形狀、布局以及位置都應(yīng)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì),盡量通過好的焊縫設(shè)計(jì)鋁合金構(gòu)件在主體結(jié)構(gòu)上的位置,控制好焊縫的布局和位置,然后減少焊縫的數(shù)量,選擇最優(yōu)的焊縫尺寸,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接結(jié)束之后可能出現(xiàn)的殘余形變;最后,在設(shè)計(jì)過程中,需要做好一系列的仿真實(shí)驗(yàn)和小比例模型的模擬實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,確定最終的設(shè)計(jì)方案,以便正確指導(dǎo)鋁合金的焊接,減小甚至防止鋁合金構(gòu)件的焊接變形。在制造階段對(duì)鋁合金構(gòu)件焊接變形的控制,主要是指焊接準(zhǔn)備過程、焊接過程和焊接結(jié)束之后的過程中進(jìn)行控制。首先,在焊接準(zhǔn)備過程中,需要對(duì)焊接工藝設(shè)計(jì)到的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的熟記,并對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)做到熟記于心。另外,在焊接準(zhǔn)備過程中,需要預(yù)先對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行一定的拉伸然后再采取剛性固定措施進(jìn)行組裝拼接,做好這些準(zhǔn)備工作是控制變形的前提;其次,在焊接過程中,除了要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的焊接工藝進(jìn)行焊接之外,還應(yīng)按照優(yōu)秀的焊接工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)變形的控制,例如,采取那些能量密度高的熱源,對(duì)焊接過程中的焊接受熱面積進(jìn)行技術(shù)控制;最后,在焊接結(jié)束之后,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋁合金構(gòu)件焊接水平的檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)存在著殘余變形,及時(shí)采取加熱矯正或者是利用機(jī)械外力作用進(jìn)行矯正,達(dá)到對(duì)變形量的減小。
2鋁合金構(gòu)件焊接工藝優(yōu)化
對(duì)于鋁合金構(gòu)件在焊接過程中出現(xiàn)的焊接變形,可采取多種手段進(jìn)行。如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,可通過相關(guān)的應(yīng)力形變實(shí)驗(yàn),分析應(yīng)力出現(xiàn)的大小,結(jié)合設(shè)計(jì)的允許值,調(diào)節(jié)焊縫的尺寸,盡量降低焊縫的數(shù)量,對(duì)焊接后出現(xiàn)的殘余變形進(jìn)行控制;在焊接過程中,采取一定的反變形或者是剛性固定組裝的方法在焊前進(jìn)行預(yù)防;焊接結(jié)束之后,為了減小已經(jīng)出現(xiàn)的殘余變形,可以采取加熱矯正或者是利用機(jī)械外力進(jìn)行矯正的方法。當(dāng)然,最為有效的方法還是在相關(guān)變形研究理論的基礎(chǔ)之上,結(jié)合焊接試驗(yàn),對(duì)焊接工藝進(jìn)行一定的優(yōu)化,結(jié)合實(shí)際的鋁合金構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定,科學(xué)控制鋁合金構(gòu)件的焊接應(yīng)力變形,最終生產(chǎn)出符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品。對(duì)于鋁合金構(gòu)件的焊接,在焊接過程中,焊絲直徑、成分和表面質(zhì)量關(guān)系到焊縫金屬及熱影響區(qū)的力學(xué)性能,尤其是焊接變形。因此,選取合理的焊絲直徑,選擇表面質(zhì)量上等和化學(xué)成分達(dá)標(biāo)的焊絲就是優(yōu)化焊接工藝的主要步驟之一。在通常的情況下,為了保證焊接的質(zhì)量,主要選擇焊絲直徑大的焊絲。不過,由于焊絲直徑選擇太大,對(duì)于薄板鋁合金構(gòu)件的焊接并不利。因此,在現(xiàn)有實(shí)踐的基礎(chǔ)之上,對(duì)于焊絲直徑的選擇一般是隨著鋁合金構(gòu)件厚度的增加而逐步增加。此外,在進(jìn)行平焊時(shí),焊絲直徑應(yīng)相對(duì)選大一點(diǎn);立焊或橫仰焊時(shí),則選擇較小直徑的焊絲。焊接電源作為焊接過程中的主要能量來源,為了使焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo),在選擇電源種類與極性時(shí),需要選取那些既能夠滿足焊接工藝需求,又能夠符合用戶物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等條件的電源。
一般,由于直流電源的電弧具有較好的穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量?jī)?yōu)和飛濺少等特點(diǎn),在鋁合金構(gòu)件的焊接時(shí)是作為首選的。選擇直流反接電源進(jìn)行焊接,能夠借助焊件金屬為負(fù)極的電弧產(chǎn)生的陰極霧化效果,對(duì)鋁合金構(gòu)件表面致密的氧化鋁薄膜產(chǎn)生快速熔化,而且在焊接過程中,能夠避免產(chǎn)生大量的焊渣和污染性氣體,不僅方便了焊工對(duì)反應(yīng)熔池的觀察,及時(shí)調(diào)整焊接的速度和角度,而且還能對(duì)焊工的職業(yè)健康危害程度有所下降。例如,在焊接6毫米的鋁合金薄板構(gòu)件時(shí),一般主要采用直流反接電源進(jìn)行焊接。對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化,目的就是為了使鋁合金構(gòu)件焊接的質(zhì)量和焊接形變?cè)谠试S的范圍之內(nèi)。由以上對(duì)鋁合金焊接熱過程和變形理論的分析和探討之后,我們發(fā)現(xiàn)選擇適宜的焊接電流,是優(yōu)化焊接的重要考慮方向。在焊接過程中,焊接電流是指流經(jīng)焊接回路的電流,這個(gè)電流的大小對(duì)焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量有著直接的影響。一般為了提高焊接生產(chǎn)效率,在質(zhì)量保證前提下,選擇盡可能大的焊接電流,以達(dá)到提高焊接效率的目的。不過,由于電流過大,引起熱量輸入過大和較大的電弧力存在而導(dǎo)致的焊縫熔深和余高增大,而且還會(huì)使熱影響區(qū)的晶粒變得粗大,出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),使接頭的強(qiáng)度和承載能力下降。同時(shí),由于電流鍋小,電弧燃燒不充分不穩(wěn)定,容易形成氣孔和夾渣等焊接缺陷,使得焊接接頭的沖擊韌性降低,不利于焊接質(zhì)量的提升,因此,在焊接電流選擇上,還是需要通過實(shí)踐選取適宜的電流。由于電弧長(zhǎng)短對(duì)焊接質(zhì)量也有顯著影響,而電弧電壓決定電弧長(zhǎng)短,因此,在焊接時(shí),依據(jù)焊接試驗(yàn),需要控制好電弧電壓,產(chǎn)生適宜長(zhǎng)度的電弧長(zhǎng)度進(jìn)行焊接。例如,對(duì)于6mm厚度的鋁合金板材進(jìn)行焊接時(shí),焊接電流定義為170A,焊接電弧電壓為25V,通過實(shí)驗(yàn)論證,焊接接頭強(qiáng)度可以達(dá)到良好的效果。由焊接熱過程分析得到,在鋁合金構(gòu)件焊接過程中,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形量的控制與減小,一般應(yīng)采用能量密度高的焊接熱源,同時(shí),對(duì)焊接速度進(jìn)行優(yōu)化,保證焊接速度既不會(huì)過快也不會(huì)過慢。例如,從相關(guān)實(shí)踐表明,對(duì)于6mm厚度的鋁合金板材進(jìn)行焊接時(shí),焊接電流定義為170A,焊接電弧電壓為25V,通過此實(shí)驗(yàn)論證,焊接接頭強(qiáng)度可以達(dá)到良好的效果。
3總結(jié)
