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铝合金焊接与铆接工艺介绍及对比

2019年11月24日 专业知识 暂无评论 阅读 206 人 次
一、铝及铝合金的焊接特点

1、铝在空气中及焊接时极易氧化,生成的氧化铝(Al2O3)熔点高、非常稳定,不易去除。阻碍母材的熔化和熔合,氧化膜的比重大,不易浮出表面,易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分,易使焊缝产生气孔。

焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理,清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护,防止其氧化。钨极氩弧焊时,选用交流电源,通过“阴极清理”作用,去除氧化膜。气焊时,采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时,可加大焊接热量,例如,氦弧热量大,利用氦气或氩氦混合气体保护,或者采用大规范的熔化极气体保护焊,在直流正接情况下,可不需要“阴极清理”。

2、铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中,大量的热量能被迅速传导到基体金属内部,因而焊接铝及铝合金时,能量除消耗于熔化金属熔池外,还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位,这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著,为了获得高质量的焊接接头,应当尽量采用能量集中、功率大的能源,有时也可采用预热等工艺措施。

3、铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大,焊件的变形和应力较大,因此,需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下,可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大,随着硅含量增加,合金结晶温度范围变小,流动性显著提高,收缩率下降,热裂倾向也相应减小。根据生产经验,当含硅5%~6%时可不产生热裂,因而采用SAlSi條(硅含量4.5%~6%)焊丝会有更好的抗裂性。

4、铝对光、热的反射能力较强,固、液转态时,没有明显的色泽变化,焊接操作时判断难。高温铝强度很低,支撑熔池困难,容易焊穿。

5、铝及铝合金在液态能溶解大量的氢,固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中,氢来不及溢出,极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分,都是焊缝中氢气的重要来源。因此,对氢的来源要严格控制,以防止气孔的形成。

6、合金元素易蒸发、烧损,使焊缝性能下降。

7、母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时,焊接热会使热影响区的强度下降;铝为面心立方晶格,没有同素异构体,加热与冷却过程中没有相变,焊缝晶粒易粗大,不能通过相变来细化晶粒。

二、焊接方法

几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金,但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同,各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法,设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊(TIG或MIG)方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛。

1)气焊

气焊的热功率比电弧焊低,热量分散,因而焊件变形大,生产效率低。且焊缝金属晶粒粗大,组织疏松,容器产生夹渣。实际上被氩弧焊所取代。

 2)焊条电弧焊

焊条电弧焊的接头质量较差,工业中应用较少,主要用于焊补。

3)手工钨极氩弧焊

优点:热量比较集中,电弧燃烧稳定,焊缝金属致密,焊接接头的强度和塑性较高,接头质量较优,可焊接的板厚度为1mm~20mm,是焊接铝和铝合金最普通的方法。

缺点:此方法不宜在露天操作。

4)熔化极氩弧焊

优点:以焊丝为电极,电流比较大,电弧功率大,热量集中,焊接速度快,生产效率高。可焊接厚度为小于50mm。

缺点:焊丝直径受送丝系统的限制,且焊缝的气孔敏感性较大。

5)熔化极脉冲钨极氩弧焊

焊接电流小,参数调节范围广,焊件变形小,适用于薄板焊和全位置焊。常用于2~12mm。

6)其它不常用的焊接方法:等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊、电阻焊等。

按照本公司产品的特点及需求宜采用双脉冲熔化极气体保护焊,焊接质量好、生产效率高,但焊机成本较高,国产双脉冲熔化极气体保护焊机一套(含送丝机、送丝软管、焊枪等)约4~5万元;也采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊,此焊接方法焊缝成型美观,焊机成本较低,约1~2万元,但此种焊接方法生产效率较低,不宜在露天操作。

1、焊丝的选用主要按照下列原则:

(1)纯铝焊丝的纯度一般不低于母材;

(2)铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近;

(3)铝合金焊丝中的耐腐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材;

(4)异种铝材焊接时应按耐腐蚀较高、强度高的母材选择焊丝;

(5)不要去耐腐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝,如抗裂性好的铝硅合金焊丝SAlSi-1等(注意强度可能低于母材)。

本公司选用焊丝需待产品铝合金材质确认后再选取,铝焊丝价格大概在30~40元/Kg。

2、焊丝、焊件的清洗:

在焊前必须将铝焊丝(钨极氩弧焊焊丝需进行表面清理,溶化极气体保护焊盘丝不需进行表面处理,因为盘丝有保护措施防止氧化、污染)、铝板表面上的油污、氧化膜等污物清洗掉。清洗方法如下:

a) 去油污  

在清除氧化膜之前,先将铝丝表面、铝板坡口及其两侧(各30mm内)的油污、脏物清洗干净。在生产上一般采用汽油或丙酮、醋酸乙酯、松香水、四氯化碳等溶剂。也可配制一种化学混合液进行脱脂处理,其步骤如下:

①在温度为(60~70)℃的混合溶液(工业磷酸三钠(40~50)g,碳酸钠(40~50)g,水玻璃(20~30)g,水1L)中加热(5~8)min;

②在50℃左右的热水中冲洗2min;

③冷水中冲洗2min。

清除氧化膜  氧化膜的清理有机械清理及化学清理两种方法:

①机械清理  在去除油污后,可用不锈钢丝轮、铜丝轮或刮刀,将焊件坡口两侧表面刮净。这种方法较简便,但清理的质量较差,主要用于焊缝质量要求不高、焊件尺寸较大、不易用化学方法清理或化学清理后又被局部污染的焊件。这种方法难于清除焊丝表面的氧化膜。

②化学清理  铝及铝合金板材、管子及铝丝化学清理时,先把铝板、铝管及铝丝放入温度为40~60℃、浓度8~10%的氢氧化钠溶液中侵蚀,保持10~15min(对于铝合金只需5min)后取出,用冷水冲洗2min;再置于30%的硝酸溶液中进行光化处理,以中和余碱,避免碱液继续腐蚀铝板、铝管、铝丝;再用流动的冷水冲洗2~3min。

按本公司产品特点可采用直径为0.15mm~0.2mm的铜丝刷或不锈钢刷的机械清理方法,不能使用砂轮打磨,因为使用砂轮打磨只会使氧化膜熔合在焊材表面,而不会真正去除。而且如果使用硬质砂轮,其中的杂质会进入焊缝,导致热裂纹。此外,由于Al2O3 膜在极短的时间内又会重新生成和堆积,为了使氧化膜尽可能少地影响焊缝,清理完毕后应立即施焊。

清理工作完成后,铝丝应置于150~200℃的烘箱内,随用随取。清理过的焊件、焊丝必妥善保管,不准随意乱放。铝板坡口清理后宜立即进行装配、焊接,一般不得超过24h。

3、保护气体:

保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频TIG焊时,采用大于99.9%纯氩气,直流正极性焊接宜用氦气。MIG焊时,板厚<25mm时宜用氩气;板厚25~50mm时氩气中宜添加10%~35%的氦气;板厚50mm~75mm时氩气中宜添加10%~35%或50%的氦气;当板厚>75mm时推荐采用添加50%~75%氦气的氩气。氩气应符合GB/T4842-1995《纯氩》的要求。氩气瓶压低于0.5MPa后压力不足,不能使用。

按照本公司产品的特点保护气体采用大于99.9%纯氩气。

4、钨极

氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨的熔点和沸点高,不易溶化挥发,电极烧损及尖端的污染较少,但电子发射能力较差。在纯钨中加入1%~2%氧化钍的电极为钍钨极,电子发射能力强,允许的电流密度高,电弧燃烧较稳定,但钍元素具有一定的放射性,使用时应采取适当的防护措施。在纯钨中加入1.8%~2.2%的氧化铈(杂质≤0.1%)的电极为铈钨极。铈钨极电子逸出功低,化学稳定性高,允许电流密度大,钨放射性,时目前普遍采用的电极。锆钨极可防止电极污染基体金属,尖端易保持半球形,适用于交流焊接。

三、总结

综上所述,结合公司产品发展方向及铝合金焊接的主流发展趋势,建议采用双脉冲熔化极气体保护焊(应配套铝合金焊接专用的送丝机及送丝软管),焊接质量好、生产效率高;保护气体采用大于99.9%纯氩气;再按产品材质选取合适的铝合金盘丝(焊丝),焊前焊丝、工件坡口及坡口两侧各50mm范围应用丙酮去除油污,用Φ0.2mm左右的不锈钢丝刷(轮)清理表面氧化膜,经清理的焊丝和焊件焊前严禁沾污,如超过4h未焊,应重新清理。

四、铆接特点

汽车轻量化已然成为汽车工业发展的必然趋势。而大量使用铝合金和高强度钢等先进轻量化材料是解决汽车轻量化的重要手段之一。传统的连接工艺在连接这些先进轻量化材料时面临着巨大的困难;研究表明,自冲铆接方法是一种能够有效连接上述材料的新型工艺手段。

为了能够在世界汽车市场中占据一席之地,中国的汽车工业必然会大量应用铝合金及先进高强钢等轻量化材料。然而这些材料的引入必将对车身连接技术提出巨大挑战。

目前,汽车工业中使用最广泛的装配工艺是电阻点焊,这种连接工艺在大批量生产中已被证明是可靠的;但是电阻点焊工艺主要是用于连接车用薄钢板,而对于铝板与铝板以及铝板与钢板的连接则显得力不从心。

首先,对于铝板的连接,由于铝合金具有导热性好、电导率高且易与铜电极发生合金化反应等特点,在运用传统电阻点焊工艺连接铝合金结构件时将出现能耗大、点焊质量不稳定、焊接后铜电极末端易受污染,缩短了焊头使用寿命等缺点;而将其用于铝板与钢板的连接时则由于铝和钢的熔点与热膨胀系数的巨大差异以及熔焊时易形成硬而脆的金属间化合物而使得采用传统的电阻电焊方法难以实现铝板和钢板之间的连接。

由于用电阻点焊工艺连接铝板以及铝板与钢板的混合板件时存在上述种种困难,研究人员开始考虑使用胶粘、摩擦搅拌焊以及铆接等连接技术来代替电阻点焊方法用于连接铝板以及铝板与钢板的混合板件。胶粘接头虽然具有良好的疲劳性能,但是在高温固化时容易产生变形。摩擦搅拌焊虽然可以不存在焊接变形,但是搅拌结束后残留的工艺孔会削弱接头的静态和动态力学性能,而且摩擦搅拌焊工艺时间较长不利于大批量生产。而传统的铆接工艺需要对铆接材料进行预冲孔,然后用铆钉进行连接;这样的铆接工艺过程复杂、外观质量较差、效率低且不易实现自动化,这大大限制了铆接工艺的自动化发展,因而有很大的局限性。

自冲铆接工艺过程克服了传统铆接的弊端,实现冲、铆一次完成,使得加工工序简单,尤其适合汽车车身制造这种大规模自动化生产的需求;同时,自冲铆接工艺作为用于连接两层或多层板件的冷成形工艺,相较电阻点焊工艺具有生产过程中不产生烟雾和飞溅且噪音小等优点,这样就极大的提高了工艺的安全性和工作环境的清洁性,降低了对工作人员身体的伤害,符合未来绿色工业的发展趋势,因而在汽车工业中具有广阔的应用前景。

自冲铆接工艺发展至今,最常用的有两种类型,分别为:无铆钉压铆连接工艺以及半空心铆钉自冲铆接工艺。

(1) 无铆钉压铆连接工艺

无铆钉压铆连接工艺顾名思义是一种无需铆钉,仅通过具有特定形状的上下模具对板件施加压力迫使连接板件产生塑性变形,最终在板与板之间形成牢固互锁结构的板件连接工艺。无铆钉压铆连接工艺过程如图1-2 所示。

 

图 1-2 无铆钉压铆连接工艺

1.     压边圈2. 凸模3. 待铆板件4. 卸料板 5. 凹模

无铆钉压铆连接工艺可以用于连接不同材料板件、多层板件、复合板件、不等厚板件及中间有夹层板件,而且压铆连接经济、环保、可靠而且易实现自动化。但是该连接方式的接头强度不高,尤其是疲劳强度较弱,不适用于连接长期受较大载荷的部件。

(2) 半空心铆钉自冲铆接工艺

半空心铆钉自冲铆接工艺是一个在铆钉与板料之间形成牢固互锁的冷成型工艺,这种通过机械互锁连接板件的方法不同于点焊熔核的连接方法,它可以用于连接各种混合异种板材,如带镀锌层、有机层或预涂装的钢板以及铝钢混合板件或塑料与金属的混合板件。同时,半空心铆钉自冲铆接既可以用来连接总厚度高达6mm 的钢板,也可以用来连接总厚度为10mm 的轻质合金。半空心铆钉一般采用高强钢制造并设计成特定的形状和尺寸以满足铆接要求,凹模一般采用模具钢制造,其形貌与尺寸也要满足产品所预期的接头外形。

半空心铆钉自冲铆接工艺流程如图1-3 所示:

图 1-3 半空心铆钉自冲铆接工艺

其中,图(a)为半空心铆钉自冲铆接工艺整体结构示意图。通常可将该铆接过程分为四个阶段,分别如图(b)-(e)所示:

第一阶段(b):夹紧阶段

压边圈向下压紧待铆接板料,与此同时,铆钉也在冲锤的驱动下垂直向下对板料进行预压紧。

第二阶段(c):冲裁阶段

该阶段,动力源加力下压铆钉迫使其刺穿上层板料,与此同时铆钉也驱使下层板料向凹模内发生塑性变形。

第三阶段(d):扩张阶段

随着铆接过程的进行,下层板料逐渐填充入凹模,在铆钉腿部形状以及凹模凸起的共同作用下,铆钉腿部向周围扩张从而形成了铆钉与板料间的机械互锁结构;(需要注意的是,在铆钉腿部扩张过程中,铆钉不应刺穿下层板料,否则铆接接头失效。)

第四阶段(e):冲铆完成

当冲锤将铆钉下压至铆钉头与上层板料的上表面紧密接触且平齐时可以认为铆接完成,此时压边圈释放压边力,冲锤将返回初始工位。

结合汽车的使用特点,同时考虑到半空心铆钉自冲铆接接头相比无铆钉压铆连接接头具有更高的静强度与疲劳强度,因此,大多数汽车生产企业选择将半空心铆钉自冲铆接工艺应用于轻量化汽车车身薄板的装配。

为了满足使用要求,这种自冲铆接工艺仍然需要注意以下基本原则:

A. 确定不对易碎的板材进行铆接,如玻璃板、脆质塑料板等;

B. 底层板材最好为金属,并具有12%以上的延伸率;

C. 当需将不同厚度、强度的板材铆接在一起时,虽然从技术上讲从任一方向均可实现铆接,但是一般推荐将较薄、强度较低的板材铆接到较厚、强度较高的板材上;

D. 为取得最佳铆接效果,底层板材的厚度应超过整个板材组厚度的三分之一;

E. 自冲铆接需要从工件的两面同时施压,需要在上下两面都有适宜的空间保证。

五、自冲铆接与焊接工艺对比

工序周期短是所有自冲铆接工艺过程的普遍特征,通常一个铆接工序周期仅为1 至4 秒。除此之外,自冲铆接工艺作为新型板件连接工艺相对于其它连接工艺(如电阻点焊工艺)仍有如下突出优点:

(1) 可以连接多种材质的板材:

A. 高强钢板

B. 铝合金板

C. 塑料板

D. 复合夹层板

材料属性不同的、有镀层的及很难用焊接方法连接的材料可以进行铆接。

(2) 可以铆接多层板材组;

(3) 无热效应——可以用于涂层或镀层板材的连接而不会破坏其涂镀层,也无其它任何损害;连接变形小,对连接环境要求低,有风有水有油等都可以施工,特别适合薄件连接。

(4) 铆接过程简单,无需在板材上预先开孔;

(5) 铆接能耗低,比焊接消耗能量少得多;

(6) 模具使用寿命长;

(7) 铆接点强度高,寿命长;用自冲铆接方法对铝及高强度钢材料进行铆接,铆接牢靠性要比点焊好;

(8) 铆接质量持续稳定,达到牢固一致的铆接效果,铆接点质量可以通过视觉观察;

(9) 环境友好型工艺,铆接过程清洁,无热量、烟、汽、火花、粉尘或碎屑等产生;

(10)可与胶粘工艺组合使用;

(11)低噪音(一般小于 80 分贝);

(12)铆接过程比较容易进行自动化。

缺点:连接钢板时,自冲铆接比点焊的抗拉强度小,密封性差,接头比较笨重;铆接时,尾部出现突出的“铆扣”,不够平齐,铆接经济性和紧密性都不如焊接;由于铆接过程需要较大压力,铆接设备比较笨重;在进行自冲铆接时,铆接处材料的两面都必须接触(一面是冲头,一面是模具),而不进行单面铆接。

焊接的优点:

1.焊接连接强度高,密封性好,由于实现的是冶金结合,强度比较理想。

2.焊接接头的重量小,由于焊接基本上可以采用对接接头形式,结构简单,不像铆接需要母材搭接还需要大量的铆钉固定。

3.一般情况下连接成本比较低,基本上可以达到省时省力的目的。

焊接的缺点:焊接变形比较大,在连接薄件方面没有什么优势。

 

来源:旺材汽车轻量化整理

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