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摘要：本文主要从铝合金的技术发展出发，分析铝合金分类和优势铝合金在焊接时候会出现的问题，从而以车用铝合金自动焊接技术给予这些问题解决措施。
关键词：汽车；自动化；铝合金；焊接
一、铝合金的发展
氧化铝在1808年在实验室利用电解还成为铝材，于1884年即被作为建筑材料使用在美国华盛顿纪念碑尖顶上至今；铝材加入各种金属元素合成的铝合金材料已被建筑工业广泛应用在各环节上。
随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
二、铝合金的分类
根据化学成分和制造工艺，铝及铝合金可分为工业钝铝、热处理强化铝合金、非热处理强化铝合金、铸造铝合金，铝及铝合金和一般钢材相比，铝的强度低、硬度低、塑性高、导热系数大、表面易形成致密的氧化保护膜（AL203），耐蚀性好、密度小（比重只有铁的三分之一左右）等特点。目前在铝合金焊接结构中应用最广的铝合金是防锈铝（非热处理强化铝金）：LF1~LF21，我们公司采用的5083板材等同于LF5。非热处理强化类铝合金的特点是强度中等、塑性及抗腐性好，焊接性也较好，是目前铝合金焊接结构中应用最广的铝合金。
铝及铝合金材料密度低，强度高，热电导率高，耐腐蚀能力强，具有良好的物理特性和力学性能，因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来，由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当，造成铝合金零件焊接后因应力过于集中产生严重变形，或因为焊缝气孔、夹渣、没有焊接完全等问题，导致焊缝金属裂纹或材质疏松，严重影响了产品质量及性能。
因为铝合金的导热系数比钢材大一倍多，而且比热容较大，焊接时必须采用能量集中、功率密度大的热源。铝的导热系数大（纯铝0．538卡/Cm．s．℃）。约为钢的4倍，因此，焊接铝和铝合金时，比焊钢要消耗更多的热量。
三、铝合金焊接的问题
铝是银白色的轻金属，具有良好的塑性、较高的导电性和导热性，同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝极易氧化产生氧化保护膜（AL203），在焊缝中容易产生夹杂物，从而破坏金属的连续性和均匀性，降低其机械性能和耐腐蚀性能。铝合金焊接的问题主要标下如下：
（1）极易氧化
在空气中，铝制品容易与氧化合，生成致密的氧化保护膜（AL203）（厚度约0．1－0．2μm），熔点高（约2050℃），远远超过铝及铝合金的熔点（约660℃左右）。氧化保护膜（AL203）的密度3．95－4．10g/cm3，约为铝的1．4倍，氧化铝薄膜的表面易吸附水分，焊接时，它阻碍基本金属的熔合，极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷，引起焊缝性能下降。
（2）易产生气孔
铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝近乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及逸出，容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气造成的孔洞目前难于完全避免，氢的来源很多，有焊接电弧气氛中的氢，铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明，即使氩气按GB/T4842标准要求，纯度达到99．99% 以上，但当水分含量达到20ppm时，也会出现大量的致密气孔，当空气相对湿度超过80%时，焊缝就会明显出现气孔。
（3）焊缝变形和形成裂纹倾向大
铝合金的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢材大两倍，易产生较大的焊接变形的内应力，对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有沸点比较低的元素（如镁、锌、锰等），在高温电弧作用下，极易蒸发烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。
（4）高温强度和塑性低
在高温情况下铝的强度和塑性很低，破坏了焊缝金属的成形，有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。
（5）无色彩变化
铝及铝合金从固态转为液态时，无明显的颜色变化，使操作者难以掌握加热温度。
四、车用铝合金焊接技术应用
铝合金在汽车上的应用比较多的有：发动机、车身、轮毂、车顶行李架。而在这些应用到的部位需要应用到铝合金的自动化焊接技术。
（1）自动化焊接
针对铝合金在焊接的时候出现杂质导致铝合金的强度降低等问题，笔者对焊接的技术以及焊接过程进行了相关研究，得出自动化焊接铝合金技术在焊接速率方便会影响其铝合金的焊接强度。
图1
如图1所示，在焊接铝合金时候，以80mm/s的焊接速率进行铝合金工作，是最佳的操作焊接操作方式。而人工焊接不仅不能长时间保持在这个80 mm/s左右的速率不说，人工成本很贵，出来的成品的品质优秀程度也不能够保证。故而自动化焊接技术运用焊接机器人进行符合该种铝合金以自动化匀速焊接速率进行工作，能够节省人工操作成本的同时，还能提供更多的工作效率和工作品质。
（2）添加镁粉
基于铝合金在焊接的时候造成的杂质问题，笔者考虑可能是焊接过程中铝合金的杂质在高温下被燃烧或者汽化而导致容易生出气孔或者焊接处强度变低，可以采用添加镁粉的形式，来解决焊接处的硬度问题。
对铝合金激光焊接过程中的镁元素的蒸发烧损，利用特殊设计的实验装置采集了孔内等离子体的光谱信号，并利用电子探针显微分析仪检测了焊缝中的镁元素含量，结果表明，小孔中不同位置处镁元素烧损主要由各位置吸收的激光能量决定，材料吸收的能量越高，镁元素的烧损越大。但是并没有研究激光焊接过程中填加镁元素对铝合金焊接接头性能的影响。在进行了大量的铝合金搭接激光焊接实验，对激光功率、焊接速率、离焦量、保护器类型、以及保护器流量进行了不断的优化。在条件允许的范围内确定工艺参量为：功率 P =3.0kW，焊接速率 v 分别为 60mm/s，70mm/s，80mm/s，90mm/s，100mm/s，离焦量 f =0，Ar 保护气总量为25L/min，分流为侧吹和背面保护气。每个参量焊接 3 个试样，制作试样拉伸得到拉伸强度取平均值。在速率不同时，随着焊接速率的提高，镁元素的烧损也减小，填加镁元素相对于不填镁元素对焊接接头的改善效果也变小。在镁元素烧损较多的焊件中，即焊接速率为 60mm/s 时，填加适量的镁元素，相对于没填镁，最高能将焊接接头的拉伸强度提高 36.06%（约为母材的 82.5%），而焊接速率为80mm/s，相对于不填镁，接头的拉伸强度最高仅仅提高 13.09%。因此，适量的填镁对焊接接头的拉伸性能有比较明显的改善作用，但是填加量过多会使焊接接头的拉伸强度明显降低，主要原因是镁元素过多，在焊接过程中的高温环境中形成了一些 Al-Mg 的脆性化合物，降低了接头的拉伸强度。因此在焊接过程中，对镁元素的填加量的控制是试验成功的关键。
总结
关于车用铝合金焊接技术在解决铝合金焊接问题上的措施，出了上文提到的两点，还有自动化焊接系统以及机器人、铝合金的配方等因素相关，本文限于篇幅只做简略带过。
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论文作者:吴锡妹1,高培圳2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/16
标签：铝合金论文; 气孔论文; 元素论文; 速率论文; 强度论文; 塑性论文; 焊接技术论文; 《基层建设》2017年第23期论文;