铝合金焊接方法在汽车水箱中的应用

用广角　Ｉ｜（建ｐ　ｐ　ｌｉｅａ　ｔｌｏ珏鐾　铝合金焊接方法在汽车水箱中的应用　Ｍｅｔｈｏｄｓ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｔａｎｋ　ｉｎ　ｈｅ　ｔＷｅｌｄｉｎｇ　ｏｆＡｌｕｍｉｎｉｕｍ　Ａｌｌｏｙ　文／奇瑞鄂尔多斯分公司　郎瑞卿　赵宝才　周明星　李鹏飞　摘要：铝在空气中极易氧化，生成的氧化铝熔点高，很难去除，既妨碍焊接过程的进行，又可在　焊接接头内生成气孔、夹渣以及未焊透等缺陷。由此，在水箱焊接时采用交流钨极氩弧焊（Ｉ￣ＰＴＩＧ　焊）。采用脉冲交流方波ＴＩＧ焊焊接薄板铝合金时，耍获得良好的焊缝成形，需要影响焊接工艺的各　种因素的合理配合。主要包括：焊接方法、焊接参数的正确选取、焊接位置的合理选择、焊缝坡口　形状的优化设计、焊接过程中预防工件变形所采用的工装以及焊后为消除变形影响、保证产品结构　而采取的机械加工工艺措施等。　关键词：铝合金；焊接参数；焊接工艺性；检验　１　刖　罱　焊接时不需高频稳弧，可大范围改变熔深和清　扫宽度。设备能在电弧稳定度焊接效率、焊缝　铝合金焊接工艺的研究在国内起步较晚，　但自上世纪８Ｏ年代末以来，我国的铝合金焊接　工艺研究随着现代工业的需要也得到快速发展。　在２ＯＯ１年，上海金通电子设备有限公司研制了　ＬＨＭＥ一３　１５型ＩＧＢＴ双重逆变式ＶＰＰＡＷ机及配套装　成形、表面清扫和电桥喷嘴寿命问进行良好的　协调，满足最佳工艺要求。另外，该公司还研　制了ＬＨＭＥ一５００型ＩＧＢＴ双重逆变式ＶＰＰＡＷ焊机　及配套的ＧＣＳＯＯＡ等离子焊炬、１２ｋＷ大功率循　环冷却装置，这是目前国产最高参数等级的新　一置，这是国产第一代ＶＰＰＡＷ焊接设备。该设备　广泛应用于铝合金变极性粒子弧焊电源，为铝　合金焊接电源的选择开辟了新的方向。通过微　代ＶＰＰＡｗ设备。　近年来，随着航空航天工业和陆地轻型交　机控制，利用ＩＧＢＴ一次逆变电源的高效率、高　电弧镇定度，以及次级ＩＧＢＴ￣．次逆变的高效变　通运输的快速发展，各种新型结构工程材料都　得到飞速发展。但面对工业发展背后所承受的　流，可获得约８４％的电源总效率，１００％的满额　负载持续率，长电弧恒流外特性，具备独立控　制的副弧电源和高频引弧、脉冲稳弧，以及离　极大能源和环境负担，寻找一种高强度、轻型、　节能、环保的材料已成为交通运输、航空航天　降低对环境的污染，提高燃料利用率的最主要　途径　。铝合金由于比强度高而倍受这些行业的　子气随焊接电流缓升、缓降控制装置。在交流　作者简介：郎瑞卿，女，焊装工程师，目前从事焊接技术工作。　现代焊接２０１５年第６期总第１５０期Ｊ一３７　应用广角　ｔ｜ｉ性ｑ（　建社耻ｌｉ　ｔｌｔｉ《｝¨§　青睐。此外，铝合金还有良好的耐蚀性、导电　性、延展性，且外形美观等一系列性能优点。　随着材料科学、加工技术的发展，铝合金在工　业中的应用比重越来越大，应用范围也越来越　广泛。焊接作为铝合金工程构件最主要连接方　法，随着现代新型工业的发展，铝合金的焊接　技术随着工业需求飞速发展。早在１９９８年，由　肯塔基大学的机器人及制造系统中心和美国国　家科技基金资助而研制的双焊枪ＴＩＧ焊，采用　恒定的方波交流电流，两把焊枪正向对立分布，　分别指向工件正反两面，不仅双面成形而且一　部分电流从一把焊枪通过工件传到另一把焊枪，　再回到电源。　２　未来铝合金焊接发展趋势　２．１生产力不断提高，焊接质量增强。随着研　究的深入，铝合金焊接技术理论更加成熟，许　多焊接问题迎刃而解，其焊接工艺得到进一步　改善。　２．２进一步提高机械化。焊接机器人、数控技　术等应用在铝合金焊接中，并逐渐得到推广，　以减少人为操作失误而造成的焊接缺陷。　２．３继续寻找更有效率的焊接工艺和方法。通　过新设计、新方法来提高铝合金的可焊性。诸　如复合焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现。　２．４与其他技术相结合。在国内外焊接研究中，　清楚看到电子元件、计算机技术以及数字通讯　的发展影响着焊接及其设备的发展。　３铝合金水箱结构及其易出现的问题　铝及铝合金具有优异的物理特性和力学性　能，其密度低、比强度高，热、电导率高，耐　腐蚀能力强，因而被广泛应用于计算机箱体的　焊接结构上。常用的加固计算机箱体外形结构，　它一般由左右侧板，前后面板及底板共５块厚度　约为５ｍｍ的合金铝板焊接而成。长期以来，由于　焊接方法及焊接工艺参数的选取不当，造成机箱　焊接后因应力过于集中而严重变形，或因为焊缝　Ｊ一３８现代焊接２０１５年第６期总第１５０期　气孔、夹渣、未焊透等缺陷，导致焊缝金属裂　纹和材质疏松，不但影响了机箱的力学性能，　而且也降低了其在使用环境中的抗腐蚀性。　４水箱的焊接质量要求　根据箱体图纸技术要求，水箱整体焊接成　形后，要求：①焊接牢固，焊后不得有夹渣和　裂纹，强度应满足水箱要求；②各面垂直度和　平面度均小于０．０３ｒａｍ；③焊缝要有连续性，以　保持电磁兼容的要求。通常在影响水箱焊接质　量的因素中，除了零件的清洁度、焊前热处理　操作及焊后为减少焊接应力而采取的相应措施　外，主要还有焊接方法、焊接参数的正确选取、　焊接位置的合理选择、焊缝坡口形状的优化设　计、焊接过程中预防工件变形所采用的工装以　及焊后为消除变形影响、保证产品结构而采取　的机械加工工艺措施等。　５　焊接方法及设备的选择　铝在空气中极易氧化，生成的氧化铝熔点　高，很难去除，既妨碍焊接过程的进行，又可　在焊接接头内生成气孔、夹渣以及未焊透等缺　陷。由此，在水箱焊接时采用钨极氩弧焊（即　ＴＩＧ焊），见图１。它是在氩气的保护下，利用　钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充　焊丝的一种焊接方法。在焊接的同时，由于交　流电流的极性是在周期性的变换，在每个周期　焊接方向　６一熔池；７一填充焊丝；８一瓴气　图１钨级氩弧焊焊接示意图　里半波为直流正接，ＥＰ半波为直流反接。正接　的半波期间钨级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。　这样，同时兼顾了阴极清理作用和钨级烧　损少、电弧稳定性好的效果，特别适合铝合金　机箱类产品的焊接加工。在设备上选用的是进　口钨极交流氩弧焊机，其型号为Ｓｙｎ．ＣｒｏＷａｖｅ　２５０。此种焊机属于轻、小型化设备，通过面板　上的旋钮开关选择相应的焊接电流及氩气流量，　操作简便、直观。　６焊接参数的选取及其对焊接工件的　影响　通过对铝合金焊接工艺试验研究，脉冲电　流幅值、脉冲电流频率等参数对焊接工艺的影　响较大。　６．１　脉冲电流幅值对阴极雾化的影响　焊接铝合金时，其表面氧化膜的清理是一　个非常重要的问题，只有有效地清除铝合金表　面的氧化膜，才可能获得优质的焊接接头。如　果表面的氧化膜太厚，焊前必须采用化学清洗　或机械清理的方法去除氧化膜，当氧化膜较薄　时利用交流Ⅱ。焊的阴极雾化作用可清除氧化膜，　可以减少焊前的准备时间。试验中脉冲电流的　幅值对阴极雾化的作用影响较大，在脉冲电流　频率、热输入量相同的情况下，采用不同的脉　冲电流Ｉ　基值电流Ｉ　进行了焊接试验，两种焊　接规范参数分别为Ｉ￣＝１３０Ａ、Ｉ７－４０Ａ；￣＝１１０Ａ、　Ｉｊ￣＝６０Ａ。　可以看到脉冲电流幅值大时，阴极雾化区　的宽度较大，其平均宽度为２．２ｍｍ，清理氧化膜　的能力强、效果好。而减小脉冲电流的幅值、　提高基值电流时，阴极雾化区的宽度却减小了，　雾化区的平均宽度为１．６ｍｍ，且雾化区清理氧化　膜的效果不如脉冲电流大的效果好。因此，在　脉冲电流频率和热输人量相同的情况下，增大　应用广角　ｆｌｉ牲缮（建　社ＩＤ，ａｔｌｏＨ§　脉冲电流的幅值，相应减小基值电流，可以提　高清除氧化膜的能力。　６．２　脉冲频率对焊缝成形的影响　脉冲频率也是保证焊接质量的一个重要参　数，不同的焊接条件应选择适当的脉冲频率，　在脉冲频率不同而其他焊接规范参数相同的情　况下，对铝合金进行了焊接试验。焊接电流为　Ｉ￣＝１３０Ａ，￣－－４０Ａ，Ｅ畔波时间均为４ｍｓ，焊接速　度为Ｖ＝４８．６ｅｍ／ｍｉｎ，氩气流量为７Ｕｍｉｎ，脉冲电　流频率分别是低频４Ｈｚ、高频２５Ｈｚ。　在电流频率不同，而其它焊接规范参数相　同的情况下，电弧的热输出量不同。当电流频　率变化时，脉冲周期也发生了变化，即形成熔　池的间歇时间不同了，熔池是在脉冲电流的作　用下产生的，而基值电流只是维持电弧的燃烧。　当电流频率与焊接速度匹配合理时，在基值电　流维护期间，前一个脉冲电流产生的熔池已经　凝固，后一个脉冲电流将产生新的熔池，如此　反复就获得了由多个焊点互相搭接而成的连续　焊缝，外观呈均匀的鱼鳞波纹。因此，当脉冲　电流频率较低时焊缝成形较好。当焊接电流频　率过高时，前一个熔池还未凝固，后一个脉冲　电流接着又产生一个新的熔池，在电弧吹力的　作用下，未凝固的熔池发生流动，使焊缝外观　像指纹一样，由于电弧的热输入量大，造成了　焊缝下榻，焊缝背面的成形也差。当电流频率　太低时，由于前后脉冲电流的时间间隔长，相　邻两个焊点的搭接很小或搭接不上，严重时焊　缝会不连续。因此，在焊接时应采用较低的脉　冲电流频率，如果要提高脉冲电流频率，则要　相应地提高焊接速度，但对于ｒＩ１Ｇ焊来说提高焊　接速度也是有限的。　６．３选取适当参数进行焊接　采用脉冲交流方波Ⅱ（挥焊接薄板铝合金时，　要获得良好的焊缝成形，需要影响焊接工艺的　各种因素的合理配合。根据对影响焊缝成形主　要因素的研究，在开环控制的条件下，采用一　组焊接规范参数对铝合金对接单面焊双面成形　现代焊接２０１５年第６期总第１５０期Ｊ一３９　｜　麦｜　进行了焊接试验，焊接参数为ｌｍ＝１３０Ａ、￣－－４０Ａ，　ｆ＝５Ｈｚ，焊接速度为ｖ＝４８．６ｃｍ／ｍｉｎ，氩气流量为　７Ｌ／ｍｉｎ，对接间隙为０，焊缝的正、反面成形。　焊缝的正面成形均匀、光亮、美观，焊缝背面　完全熔透。　６．４不同焊接位置的分析比较　在焊接垂直方向的焊缝时，如果固定相应　面板进行焊接，由于氩气比空气重（氩气密度　是空气密度的１．４倍），氩气保护层是柔性的，　氩气保护层往往自然偏向于熔池下部，形成了　下部熔池得到氩气保护层有效的保护，而熔池　上部边缘保护层有时会偏离，使熔池上部边缘　易被周围空气侵蚀，导致焊缝上沿及熔合线附　近常常因为氢的侵入出现断续气孔。所以在焊　接垂直方向的焊缝时，工艺上要求避开这种固　定方式的焊接，而通过改变装夹方式进行焊接，　以减少氢的来源及焊接气孔的产生，并能有效　地遏制焊缝裂纹或延时焊缝，从而提高机箱的　图２传统的焊缝坡口　Ｊ一４Ｏ现代焊接２０１５年第６期总第１５０期　力学性能及各强度指标。当然，在实际焊接工　艺中，氢的来源很多，有电弧气氛中的氢，铝　板、焊丝表面吸附空气中的水分等。目前还难　以完全避免产生气孔，只能将气孑Ｌ抑制到一定　程度。　６．５焊缝坡口的优化设计　在传统的工艺中，焊缝坡口采用的是图２所　示的“Ｖ”形坡口，使用该坡口时，因为受尺寸　的制约，在“Ｖ”形坡口的尖角处，在焊接工艺　参数一定的情况下，使喷嘴与工件的距离变　大，气体保护效果较差，熔液滴入熔池不均匀，　增加了氢溶入熔池的机会，从而导致里层焊缝　形成气孔、夹渣、未熔透等焊接缺陷。同时，　由于受板厚的影响，在焊接过程中也会出现因　板料被烧穿导致熔液直接从图２所示的接缝处渗　透到箱体内壁，从而在内壁转角处形成不同程　度的焊瘤。而为了满足机箱对内腔的使用要求，　在增加去除焊瘤工步的同时也意味着增加了工　人的劳动强度，降低了劳动生产率。　为此，改为图３所示的“Ｕ”形坡口。“Ｕ”　形坡口由于其底部为弧形连接，焊嘴直径不受　焊接距离的影响，熔液在熔池中流动平缓均匀，　增加了氢从熔池中逸出的机会，减少了焊接气　孔的产生。同时在左右侧板的相应位置设计了　定位台阶，在箱体焊接定位时，当内腔尺寸满　足要求后，外腔尺寸则因有台阶的限制而自动　满足了结构要求。传统的焊接定位是先固定内　腔尺寸，外腔尺寸则是靠钳工的反复测量与不　断调整来实现的。实践证明，该焊缝坡口在避　免上述焊接缺陷的同时，大大缩短了焊接时用　于装夹及定位的时间，提高了生产效率及产品　质量。　７　预防焊接变形的工装设计　水箱成形焊接时，用内腔成形定位法，焊　接完成后，水箱宽度Ｂ方向存在着一定的收缩量，　使机箱成为图４Ｎ示的马鞍形。为此，在宽度方　向采用线膨胀系数较合金铝小的钢制胎条作为　图４焊接变形示意图　定位支撑。胎条Ｂ方向值的大小直接影响内腔尺　寸及各形位公差。过小，则起不到撑杆作用；　过大，会造成机箱反向凸出变形。经过反复试　验，最后确定撑杆值为Ｂ＋８，８一般为０．３～０．５　（Ｂ为内腔宽度方向的尺寸，６为工艺余量）。　８保证外形尺寸的加工措施　经过焊接成形的箱体，在以内腔定位保证　内腔尺寸后，由于受焊接变形的影响（采用相　应的工艺措施后，无法完全消除焊接应力），　其外形达不到产品的形位公差要求，而采用焊　后机械矫正法，不但劳耗大、效率低，而且影　响产品的外观质量。在产品的后续喷塑工艺中，　喷塑对表面光洁度的要求较高，也是机械矫正　法所不能保证的。为此，工艺上采取了焊前加　工艺余量，即将箱体外形尺寸放大为（Ｂ＋６）　Ｘ（Ｌ＋８）Ｘ（Ｈ＋８），其中８为工艺余量，　焊接完成后，再通过整体机械加工去除余量，　这样既保证了箱体的各形位公差，又提高了箱　体的表面光洁度。　９水箱采用的检验方法　水箱一般采用非破坏性检验的方法。非破　坏性检验是指在不损坏被检查材料或成品的性　能、完整性的条件下进行检测缺陷的方法。它　包括外观检验、致密性检验和无损探伤检验。　１０　检验过程　１０．１　外观检验　焊接接头的外观检验是一种简便而又应用　赢ｔ　毒　＂　广泛的检验方法。一般用肉眼或用５～１０倍放大　镜检查。主要检查焊缝表面有无裂纹、气孑Ｌ、　咬边、焊瘤、烧穿和凹坑等缺陷，检查焊缝成　形是否良好、余高是否符合图样要求、焊缝向　母材过渡是否圆滑等。　１Ｏ．２致密性检验　这种检验方法主要用来检验不受压或受压　较低的容器、管道焊缝的穿透性缺陷。常用的　致密性检查方法有：水压试验、气压试验。水　箱采用水压实验。　水压试验：常被用来检查壳体强度及焊缝　致密性。　具体作法如下：①选择合格的压力表，精　度不低于１．５级；②将容器内灌满水，试验时应　彻底排尽容器内的空气，并堵塞好容器上的一　切孑Ｌ和眼，加压水泵，将容器内的压力提高到　工作压力的１．２５～１．５倍。③在升压过程中，应按　规定逐级上升，中间应作短暂停压，不得一次　升到试验压力，在该压力下维持一定时间。此　后再将压力缓慢降至工作压力，加压后对焊缝　仔细检查，当发现焊缝有水珠、细水流或有潮　湿现象时，表明该焊缝不致密，应把它标注出　来，待容器卸载后作返修处理，直至产品水压　试验合格为止。④水压试验也可以做破坏试验，　检查产品的承载能力。　１０．３无损探伤检验　无损探伤检查主要用于发现焊缝表面的细　微缺陷以及存在于焊缝内部的缺陷。例如夹渣、　气孔、裂纹、未熔合等。这类检验方法已在重　要的焊接结构中被广泛应用。常见的探伤方法　有：着色检验、超声波检验、射线检验。　１０．３．１　着色检验　它也是用来发现焊件表面缺陷的一种方法，　但对焊件表面光洁度要求较高，检验时，将焊　件用清洗剂擦洗干净，然后喷上着色剂；流动　性和渗透性良好的着色剂便渗入到焊缝表面的　细微裂纹中，随后将焊件表面用清洗剂擦净并　涂以显像剂，浸入裂纹的着色剂遇到显像剂，　现代焊接２０１５年第６期总第１５０期Ｊ一４１　应用广角　ｄｉｎ，ｌｒ（谴　ｌｌｅａｔｌｏ¨§　便会显现出缺陷的位置、形状和大小。　１　０．３．２　超声波检验　它是用来检测大厚度焊件焊缝内部缺陷的。　适用于检测厚度一般为８～１２０ｍｍ的任何部位的　气孔、夹杂、裂纹等缺陷，但它对缺陷的辨别　能力差，且没有直观性。检测时要求工件表面　平滑光洁，并涂上一层机油为媒介。检验时，　超声波由工件表面传入，并在工件内部传播，　当在其传播方向上遇到内部缺陷、工件表面、　工件底面时就会引起反射，由探头将超声波变　成电信号，由缺陷脉冲与始脉冲及底脉冲间的　距离，可知缺陷的深度，并由缺陷脉冲讯号的　高度可确定缺陷的大小。　１０．３．３　射线检验　它是用来检测焊缝内部缺陷的准确而又可　靠的方法之一。常用的射线有ｘ射线，射线适用　于２～６５ｍｍ厚度的焊件内部的气孔、夹杂物、未　焊透、未熔合、裂缝等缺陷。　）ｒ射线都能直观、准确地反映缺陷的位置、　形状、大小及分布情况。未焊透在胶片上是一　条断续或连续的黑直线，在照片上的位置多偏　离焊缝中心，呈断续的线状，宽度不一致，黑　度不均匀。气孔在胶片上的特征是分布不一致，　有稠密的、也有稀疏的圆形或椭圆形黑点，其　黑度一般是中心处较大而均匀地向边缘减小。　夹渣在胶片上多呈现为不同形状的点或条状。　点状夹渣呈单独的黑点，外观不规则，带有棱　角，黑度较均匀。条状夹渣呈宽而短的粗线条　状。长条状夹渣的线条较宽，但宽度不一致。　裂纹在胶片上一般呈略带曲折的黑色细条纹，　有时也呈现直线细纹；轮廓较为分明，两端较　为尖细，中部稍宽，有分枝的现象较少见，两　端黑度逐渐变浅，最后消失。射线探伤标准中，　把焊缝质量划分为４等级，其中Ｉ级焊缝的质量　最好，Ⅳ级最差。射线检验能从底片上直接判　断出缺陷种类，而超声波检验较难判断缺陷的　Ｊ一４２现代焊接２０１５年第６期总第１５Ｏ期　种类。　１１　焊接缺陷的修补　经焊接质量检验，发现有超过标准允许的　缺陷应该返修，一般技术熟练，真正实施严格　的焊接质量控制和焊接工艺保证条件的检验，　只可能在极个别的条件下才会出现焊接缺陷。　１１．１焊接缺陷的确定　焊接缺陷返修前，应尽可能准确地确定焊　接缺陷的种类、部位和尺寸，这对于保证一次　返修合格至关重要。对于内部缺陷，有些需要　用综合无损探伤的方法，如射线和超声波探伤　的综合使用，才能比较准确的确定焊接缺陷的　种类、部位和尺寸。　１　１．２　焊接缺陷返修方案的制定　水箱焊接缺陷返修前应该制定返修方案，　返修方案还应经过焊接工程师批准。返修方案　的实施应以焊接工艺评定为基础，评定合格方　可返修。返修方案应立足于保证一次返修合格　的基础上去制定。焊缝返修时同一部位的返修　次数不宜超过２次。　１２　结束语　实验证明用上述的焊接方法及其参数来焊　接加工铝合金水箱，其内、外箱体尺寸及所有　变形公差均能满足基本尺寸要求。在水箱的一　系列的实验检测中也没有发现水箱发生有焊接　焊缝处断裂的现象。这可以证明，在这次铝合　金水箱ＴＩＧ焊焊接加工中，使用的改进工艺方　案是正确的，是可以在生产中使用的方案，这　个方案同时也能提高劳动生产率，大大降低质　量成本。　参考文献　［１］中国机械工程学会．焊接方法及设备．北京：机械工程出版社　１９９２．１．　［２１丁建生．金属学与热处理．北京：机械工业出版社．２００４．１．