DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.001

运载工具的铝合金选材与焊接

王元良 周有龙 胡久富 屈金山

  西南交通大学焊接研究所  

  西南交通大学焊接研究所 成都610031  

摘 要：

阐述了运载工具的轻量化及采用铝合金焊接结构的效果 , 焊接结构常用铝合金的选择及其焊接接头性能试验结果 , 介绍了近期发展的铝合金焊接新方法、设备及工艺。

关键词：

运载工具;铝合金;焊接;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2001-07-16

Selection and welding of aluminum alloy in vehicle

Abstract：

The effects of light vehicle made by aluminum alloy was discussed. The selection of aluminum alloy for welding construction and mechanical properties of weld seam were surveyed. The new welding technique and equipment for aluminum alloys were introduced.

Keyword：

vehicle; aluminum alloy; welding;

Received： 2001-07-16

运载工具轻量化是国内外运载工具设计和使用者长期追求的目标, 因为由此可节能和提高运行速度, 增加运输质量, 减少能源消耗, 减少大气污染。 而铝合金化是首选方案, 如18 M铁路货车采用铝合金轻量化的效果见表1。 与钢车比较可节能10%, 增效10%, 修理费少, 废铝合金车回收价为钢车的4倍。 客车采用铝合金轻量化效果如表2。 汽车的轻量化采用铝合金效果也十分显著, 并得到很快发展, 在1980年轿车用铝合金量为4%时, 车重1 520 kg; 1990年用铝合金量为5.5%, 车重14 750 kg; 2000年用铝合金量为12.5%。 如轿车用铝材50 kg, 就可将车重降到1 200 kg。 如每车质量减少100 kg, 每100 km可省汽油0.5～0.8 L, CO₂排放量将相应减少。 本文作者着重对铝合金焊接问题的研究结果加以阐述。

1焊接结构常用铝合金的性能

焊接结构常用铝合金的性能如表3。 可看出Al-Mg合金系在退火状态使用有很高的延性, 但强度很低; 如采用冷加工硬化, 强度有所提高, 而延性则大大下降。 Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg合金属于热处理强化合金, 其性能与处理状态有关。 时效处理后有较好的综合力学性能, 但存在焊后接头处强度下降问题。

2 焊接材料及工艺匹配

2.1 焊缝强度及延性

一般铝合金焊接多采用MIG焊, 作者用MIG自动焊工艺对接铝合金板 (厚6 mm) , 间隙为1.5 mm, 干伸长为20 mm。 焊缝强度用板式试件进行测量, 焊接材料匹配和焊接规范及其焊缝拉伸性能见表4。

2.2 焊缝冲击韧性

焊缝冲击试验仍采用MIG焊接6 mm厚对接铝合金板, 间隙为1.5 mm; 干伸长为20 mm。 焊缝冲击试验用5 mm×10 mm的却贝试件, 各种材料匹配冲击试件的焊接工艺及其焊缝冲击试验结果如表5所示。

2.3 焊缝强度塑性及韧性的比较

焊接拉伸及冲击试验结果如图1所示。 由图可以看出, 6005合金用5183焊丝采用MIG焊, 综合力学性能最好, 无论是强度、 塑性和韧性均优于6005+5356匹配的焊缝。 919+5356匹配的焊缝强度要比919+5183的高, 而塑性和韧性要低, 两者的综合力学性能均比6005焊缝的高。 由此可见, 5356和5183焊丝均可适用于919合金的焊接, 但919+5356较好。 如用919合金和6005两种材料焊接, 以选用5183焊丝为好。

图1 焊缝性能的比较

Fig.1 Comparison for properties of weld seam

表1 铁路货车采用铝合金轻量化的效果

Table 1 Effect of light railway freight train made by aluminum alloy

Material	Mass of body/t	Ratio of mass	Ratio of Material fees	Ratio of Fabrication fees	Ratio of production costs
Steel	8	1	1	1	1
Al alloy	4.5	0.56	4.51	0.57	5.08

表2 客车采用铝合金轻量化的效果

Table 2 Effect of light passenger train made by aluminum alloy

Kind of train (Underground)	Mass of train/kg			Ratio of mass/%	Kind of railway train	Mass of train/kg		Ratio of mass/%
	Steel	Al alloy				Steel	Al alloy
M L	6?700	3?000		55	Passenger train	9?350	3?950	57
Germany	9?500	4?670		51	Higher-passenger train	11?800	6?200	48

表3 焊接结构常用铝合金的性能

Table 3 Properties of Al alloys for welding construction

Kind of Al alloys	Code	Treatment	Mechanical properties				Other properties
			σb/MPa	σy/MPa	δ/%		Form	Press	Weld	Anti-corrosion
Al-Mg	5053	Cold work Anneal	>180 110～150	>35 >35	>3 >21		Good	Good	Good	Good
	5083	Cold work Anneal	>280 280～360	>35 >35	>2 >16		Good	Bad	Good	Good
Al-Mg-Si	6061	Quenching+ manual aging	>300	>250	>10		Good	Good	Better	Good
	6065	Hotwork+ manual aging	>250	>210	>8		Better	Good	Good	Good
	6063	Anneal	>150	>110	>8		Good	Good	Good	Good
Al-Zn-Mg	7005	Hotwork+ manual aging	>280	>250	>10		Good	Good	Good	Good

表4 铝合金焊接条件和接头的焊缝机械性能

Table 4 Weld conditions and mechanical properties of weld seams for Al alloy

Base metal+ Weld metal	Weld conditions						Mechanical properties of weld seam
	Current/A	Voltage/V	Velocity/ (m·h-1)	Energy / (kJ·cm-1)	Quantity of gas / (L·min-1)		σb/MPa	δ/%
6005+5356	21	120～160	16.8	6	21		(145, 149) /147	(4.5, 2.5) /3.5
6005+5183	21	110～160	16.8	6	21		(169, 157, 187) /171	(13.0, 12.0, 6.8) /10.6
6061+5183	21	120～130	10.0	3	14		(241, 220, 211) /224
6061+4043	21	120～130	10.0	3	14		(237, 223, 223) /237
919+5356	21	130～170	17.0	6	21		(280, 240, 232) /251	(6.0, 6.0, 4.3) /5.6
919+5183	21	140～180	22.0	6	22		(225, 219, 259) /234	(9.2, 4.5, 8.5) /7.4

3 焊接接头的不均质性

3.1 焊接接头的不均质性

焊接接头的不均质性可用接头的硬度分布来评定, 因为强度与硬度基本上呈线性关系。 几种匹配配的焊接接头各区的硬度分布如图2所示。 对焊919来说, 两种焊丝焊接919的焊缝硬度均达到母材水平, 焊接6005的焊缝硬度还高于母材水平。 所有试验值均为经过一个月自然时效后测得。 由于6005合金自然时效能力弱, 热影响区有一软化区间; 而919合金自然时效能力强, 软化区性能已得到很大的恢复, 硬度已接近母材水平。

表5 铝合金焊接条件和焊缝冲击试验结果

Table 5 Weld conditions and toughness of weld seams for Al alloy

Base metal+ Weld metal	Current/A	Voltage/V	Velocity / (m·h-1)	Energy / (kJ·cm-1)	Quantity of gas / (L·min-1)	Toughness of weld seam / (J·cm-2)
6005+5356	21	120～160	16.8	1.5～2.0	21	(8.1, 14.7, 7.3) /10.0
6005+5183	21	150～190	30.6	1.0～1.3	22	(12.4, 14.1, 12.4) /13.0
919+5356	21	140～180	17.0	1.5～2.2	21	(6.7, 19.0, 21.0) /15.6
919+5183	21	150～190	30.6	1.0～1.3	22	(12.7, 19.7, 20.3) /17.6

图2 焊接接头各区的硬度分布

Fig.2 Distribution of hardness in every zone

3.2 焊接接头各区硬度平均值比较及分析

将焊接接头各区硬度平均值列于表6。 表6中W代表焊缝区硬度平均值, F代表熔合区硬度值, HG_max代表热影响区高区硬度最高值, HG代表热影响区高区硬度平均值, HD代表热影响区低区硬度平均值, HD_min代表热影响区低区硬度最低值, M代表母材区硬度平均值。 919铝合金无论用5356或5183焊丝焊接的平均硬度比较, W, F, HD及M均相近, 说明材料及工艺匹配均好, 母材的自然时效能力强。 而6005铝合金M很低, 除HD外, 各区值均高于母材, 说明母材的自然时效能力弱。

4 焊接接头其它工艺问题

4.1 焊接裂纹问题

高强铝合金一般焊接裂纹倾向大, 用4143 (Al-Si) 焊丝焊接可大大减少裂纹倾向, 但焊缝强度较低 (焊6061合金例外) 。 作者曾试用含微量Ti和Re的Al-Mg或Al-Zn-Mg焊丝焊接高强铝合金, 既提高了焊缝强度又大大减少了裂纹倾向。

表6 焊接接头各区硬度平均值

Table 6 Hardness in every zone of weld joints

Hv zone	Alloy
	6005+5356	919+6005	6005+5183	919+5183
W	76	114	74	117
F	74	110	71	113
HGmax	91	126	76	122
HG	81	120	74	118
HD	50	110	46	106
HDmin	47	105	44	104
M	55	115	50	115

4.2 焊接接头软化区问题

由前所述, 由于6005自然时效能力弱, 所以软化区硬度值很低, 因此最薄弱的环节在软化区; 而919合金由于自然时效能力相当强, 因此最薄弱环节在软化区恢复较多, 只比焊缝及母材略低, 不至于影响接头强度。 总的来说热处理强化合金焊后都会有软化区, 对于焊后不进行热处理的结构要考虑选用自然时效能力强的铝合金。 另外要选用热影响区窄的焊接方法和工艺, 只要软化区宽厚比小, 在各区共同受力情况下 (包括焊缝平行和垂直受力方向) 就可能不至于影响接头强度。

4.3 焊接气孔问题

焊接气孔问题是铝合金焊接中比较难以解决的问题, 主要途径是加强焊前的清理工作和保持工件及焊接料的干燥; 从工艺上延缓熔池结晶时间也是减少焊接气孔量的方法。

4.4 焊缝塌陷

如果是对接焊, 背面不加衬垫, 很容易形成焊缝塌陷, 所以在无法加衬垫的情况下就只有采取搭对接形式, 但这样就将减弱焊缝或浪费母材。

5解决铝合金工艺问题的新工艺——双丝焊

5.1 单弧填丝双丝焊

国外近期发展了填丝双丝焊 (如图3 (a) 所示) , 填丝与工件相接形成分路电流, 通过填丝电阻加热及电弧余热熔化填丝, 可比单一MIG焊提高效率1.5～2倍 (如图3 (b) 所示) 。

图3 填丝双丝焊及与常规MIG焊的比较

Fig.3 Comparison in two weld methods

如果焊同截面焊缝, 焊接速度可提高一倍或更多。 同时形成了窄长温度场, 并降低了熔池温度和减少高温停留时间, 这就有利于减少裂纹倾向、气孔倾向和避免塌陷; 还可使热量分散, 减小热影响区宽度, 改善焊缝及热影响区的性能; 还可大大减少变形和提高生产率。

5.2 双丝双弧焊

与前法类似, 同样送丝机和焊枪也可用双电源作双丝共熔池或不共熔池的双弧焊 (如图4所示) 。 另外前丝电弧可用小电流打底和预热, 后丝电弧可用大电流填充焊接, 使狭长温度场和双峰热循环可调范围更大。 如采用单焊枪送焊丝共熔池焊接, 则两个导电嘴间必需绝缘, 最好用有一定延迟的同步双电流焊接。 国外不少发达国家均有这种双丝焊设备, 德国已将双丝焊用于铝合金容器焊接; 另外还用于铝合金汽车轮缘高速焊接, 焊接速度达1.3 m/min。 澳大利亚发展了双弧双丝共熔池焊接, 采用两台450 A逆变电源和水冷双丝焊枪, 两电源间有同步单元保证在熔滴过渡时电弧脉冲的相互协调以防止干搅。 德国海尔工厂设计制造了一套由计算机控制的双头双丝全机械化的设备用于高速列车车体焊接, 该装置具有激光自动跟踪系统、摄像系统、 焊接烟雾抽吸装置、 水冷系统的焊枪和送丝系统; 由彩色屏幕可以看到摄像系统摄下的焊接过程和焊缝形状并记录于录像带, 焊接参数也由计算机记录储存, 这样既可以在焊接过程中加以修正和调整, 又可以在日后作检查、 评定及分析, 保证了铝合金高速列车车体焊接质量。

图4 双丝双弧焊

Fig.4 Two electrodes and two arc welding

5.3 搅拌摩擦焊

摩擦焊是靠工件自身的相对运动摩擦产生热量加热软化后加压来完成焊接, 以前此法只实用于杆件对接。 搅拌摩擦焊则是用一高温硬质合金旋转头与工件连接处的相对运动摩擦产生热量加热软化胀后, 由旋转头平台相继加压并沿连接处移动来完成焊接 (如图5所示) , 因此可焊各种板材的焊接接头。 此法属固相焊, 焊接温度低, 材料组织变化小, 因而焊接质量高、 焊接变形小、 节约能源、 无污染、 减少清理及准备工作量。 此法主要适用于铝合金焊接, 能很好地焊接熔焊困难的2 000和7 000系列超高强铝合金及铝锂合金, 特别适用于各种有色金属或异种金属的焊接。 在美国波音公司有搅拌摩擦焊专用车间生产大型焊接结构, 如发射导弹、 火箭、 飞船用的运载工具, 除此而外, 还用于船舶、 汽车、 压力容器和高速列车。

5.4 作者的工作

作者曾对多种双丝埋弧焊 (三弧双丝焊, 双弧双丝焊, 单弧填丝双丝焊, 并列双丝焊) 进行过研究, 证明这是一种高效、 优质、 节能的新工艺。 同时研制成功一台自动小型容器自动焊机, 该机可进行单丝或并列双丝埋弧焊和气体保护焊, 只需换焊枪或焊嘴即可。 送丝机可送实心焊丝或药芯焊丝。 焊机采用微机 (PLC) 控制, 上料、 夹紧、 焊接、 下料均自动进行。 可进行接触光电跟踪, 有焊接规范设置、 显示和储存功能。 可焊接直径200～400 mm容器的纵缝和环缝, 可焊接钢和铝合金容器。 焊接设备及控制部分改配相适应的夹具和导向机构完全可以焊接铝合金车体。

图5 搅拌摩擦焊

Fig.5 Friction stir welding

6 结论

1) 对运载工具, 用铝合金结构是减轻运载质量的有效途径。

2) 铝合金选材要考虑母材的焊接性能和焊接材料匹配, 综合比较, 以7005配5356焊丝为好。

3) 双丝焊铝合金有其突出的优点, 是解决工艺难题、 保证质量的重要方法。

4) 搅拌摩擦焊在焊接铝合金和有色金属及异种金属焊接有其独特的优点, 应研究推广。

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