CN108971711A - 一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，包括待焊工件表面处理步骤、焊接步骤和焊缝缺陷检查步骤，采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接。本发明的汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，不仅可以大幅降低铝合金焊接接头气孔焊接热裂纹数量，而且焊缝成形良好、焊接变形量小、焊接接头强度高，从而有效提升铝合金横梁的MIG焊接品质，保证焊接质量稳定性。

Description

一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺。

背景技术

近些年，随着全球气候变暖，国家节能减排降耗的政策不断推出，为了响应国家的政策，国家和汽车厂都在大力开发纯电动汽车。对于电动汽车，为了在原有电量的基础上，如何增加电动汽车的续航里程，汽车轻量化已经是一种趋势。越来越多的中高端车上面开始大量采用铝合金结构件。车辆用铝合金的焊接成为新的研究热点，以往传统是铁板冲压焊接工艺进行生产焊接横梁，本发明介绍一种新型的铝合金材料的汽车仪表板横梁总成的焊接工艺。因为铝的密度是铁的三分之一，应用铝合金材料能大幅度减轻其质量。与此同时，客户对汽车性能的要求也越来越严格，仪表板横梁总成是仪表板系统的支撑骨架，仪表板系统相对复杂，需要提供驾驶操纵、安全及舒适性功能且便于操作，因此，其操作稳定性、结构耐久性、使用安全性直接影响消费者对汽车的整体质量评价。此新型全铝汽车仪表横梁总成的结构设计通过运用新材料新型结构大幅度减轻其质量，而且又能满足车辆模态分析等性能要求。对于仪表板横梁总成来说，在厚度等条件不变的情况下，横梁的的管径越大，强度越高，所以在设计过程中为了满足强度要求，需要保证横梁的管径大小。对于一般车来说，方向盘一侧的横梁由于需要安装方向盘等重件，需要横梁的管径设计很大，所以通常横梁的管径设计很大，这样的设计方式相对于仪表板横梁来说浪费了材料。仪表板横梁上面需要焊接有方向盘安装支架，在仪表板横梁上焊接方向盘安装支架，会存在夹具设计复杂、焊接效率低、焊接质量不好、坏件率高等问题。因此，提供一种能够根据整车的结构形式，设计成框架结构，然后将各部件之间焊接连接，减少焊接工序和后期加工工序，提高生产效率，降低汽车的整备重量的框架式铝合金横梁及其焊接工艺是本发明亟需解决的问题。

铝合金具有重量轻、比强度高、耐腐蚀等优点，在化工容器、航空航天、船舶车辆、电力电子等行业日益得到广泛应用。针对铝合金所进行的焊接方法和工艺研究，日益引起人们的重视。由于铝合金的比热容和导热系数都很大，焊接变形大，通常采用的都是能量集中的焊接方法，如钨极氩弧焊(tungsteninertgas，简称：TIG焊)、等离子弧焊、激光焊、电子束焊和熔化极惰性气体保护焊(metalinert-gaswelding，简称：MIG焊)等，MIG焊焊接铝合金与TIG焊相比，采用连续送丝，保证了电流密度较大，焊丝熔化速度较快，不需要频繁停机，从而提高了焊接生产效率，在铝合金焊接生产中获得较广泛应用，铝合金焊接品质是决定汽车关键部件长期安全运行的基础，对于提高汽车的运行寿命具有重要意义。作为汽车制造的关键工艺，铝合金的焊接有着非常重要的地位。如何提高铝合金的焊接品质成为铝合金车用横梁部件制造中的关键。

铝合金作为轻量化部件的关键材料，铝合金焊接结构具有重量轻、耐腐蚀、加工性能优异、易于连接而在诸多领域大量应用。由于铝合金的热膨胀系数大、弹性模量小，焊接变形问题相当突出，严重影响结构的制造精度和使用性能。铝合金汽车仪表板横梁自身拘束度小，再加上铝合金热膨胀系数较大，传统的热输入量较大的焊接方法容易出现熔池下塌或烧穿，容易产生难以矫正的波浪变形。现阶段，我国汽车部件生产厂家大量引进国外先进焊接设备，但对汽车仪表板横梁铝合金的MIG焊接的理论研究较少，缺乏指导生产的相关方面理论，导致焊接产品质量稳定性差。现有技术中关于铝合金的焊接特性表明其焊接难点在于：(1)极易氧化。在空气中，铝容易同氧化合，生成致密的三氧化二铝薄膜(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600℃左右)。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，而固态铝几乎不溶解氢，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。(3)焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，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。(4)合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素(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。实践表明，使用常规方法进行MIG焊接，其质量很难保证。主要表现在：一是易产生裂纹。裂纹形式有纵向裂纹、横向裂纹(往往扩展到基体金属)，还有根部裂纹、弧坑裂纹等等。裂纹将使结构强度降低，甚至引起整个结构的突然破坏，因此是完全不允许的。二是焊接气孔较多。按其种类，铝焊缝中的气孔主要有表面气孔、弥散气孔、局部密集气孔、单个大气孔、根部链状气孔、柱状气孔等。气孔不但会降低焊缝的致密性，减小接头的承载面积，而且使接头的强度、塑性降低，特别是冷弯角和冲击韧性降低更多，必须加以防止。三是易出现未熔合现象。未熔合即是熔焊时，焊道与母材间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分。由于这些缺陷的存在，影响了铝合金材料的汽车仪表板横梁的总体质量，对汽车横梁安全构成了隐患，必须全力予以克服。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，不仅可以大幅降低铝合金焊接接头气孔焊接热裂纹数量，而且焊缝成形良好、焊接变形量小、焊接接头强度高，从而有效提升铝合金横梁的MIG焊接品质，保证焊接质量稳定性。

实现上述目的的技术方案是：一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，包括以下步骤：

S1，待焊工件表面处理步骤：待焊工件不预热，直接采用有机溶剂除去待焊工件表面的油污和灰尘，接着清洗去除待焊工件表面氧化膜；

S2，焊接步骤：经过步骤S1处理的待焊工件在24小时内采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接，焊接过程中焊工戴白色的焊工手套，且MIG焊接(metal inert-gas welding，熔化极惰性气体保护焊)时将焊接线能量控制在4.0～5.0KJ/cm之间，环境湿度控制在≤70％；

S3，焊缝缺陷检查步骤：对焊接后的工件的气孔缺陷用钢丝刷或风铲去除。

上述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，所述步骤S1中，所述有机溶剂采用汽油、煤油、丙酮、三氯乙烯或四氯化碳。

上述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，所述步骤S1中，采用化学方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具体包括以下步骤：

S11,碱洗步骤：待焊工件采用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液碱洗3min～7min，然后用流动清水冲洗待焊工件；

S12,酸洗步骤：接着将待焊工件采用室温至60℃的30％的HNO₃溶液酸洗约1～3min后，用流动清水冲洗待焊工件；

S13,烘干步骤：再用手持式吹风机吹干待焊工件后，将待焊工件放入烘箱中于100℃的温度下烘干即可。

上述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，所述待焊工件由纯铝材料制成时，用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液碱洗待焊工件的时间延长但不超过20min。

上述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，所述步骤S1中，若待焊工件为大件，采用机械方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具体包括以下步骤：采用不锈钢丝或铜丝轮刷将待焊工件的待焊坡口及其两侧至少各20mm处的位置，将氧化膜清除，清除深度0.1-0.2mm。

上述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，所述步骤S2中，在气候潮湿的情况下，经过步骤S1处理的待焊工件在4小时内采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接。

上述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，所述步骤S2中，采用空调或除湿装置使MIG焊接时环境湿度≤70％。

本发明的汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，不仅可以大幅降低铝合金焊接接头气孔焊接热裂纹数量，而且焊缝成形良好、焊接变形量小、焊接接头强度高，从而有效提升铝合金横梁的MIG焊接品质，保证焊接质量稳定性。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面对其具体实施方式进行详细地说明：

本发明的最佳实施例，一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，包括以下步骤：

S1，待焊工件表面处理步骤：待焊工件不预热，直接采用有机溶剂除去待焊工件表面的油污和灰尘，有机溶剂采用汽油、煤油、丙酮、三氯乙烯或四氯化碳；接着清洗去除待焊工件表面氧化膜；采用化学方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具有效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。

采用化学方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具体包括以下步骤：

S11,碱洗步骤：待焊工件采用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液碱洗3min～7min，然后用流动清水冲洗待焊工件；

S12,酸洗步骤：接着将待焊工件采用室温至60℃的30％的HNO₃溶液酸洗约1～3min后，用流动清水冲洗待焊工件；待焊工件由纯铝材料制成时，用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液碱洗待焊工件的时间延长但不超过20min；

S13,烘干步骤：再用手持式吹风机吹干待焊工件后，将待焊工件放入烘箱中于100℃的温度下烘干即可。不能用空气压缩机吹干待焊工件，因为空气压缩机出来的空气中有水和油，会污染待焊工件。

若待焊工件为大件，可采用机械方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具体包括以下步骤：采用不锈钢丝或铜丝轮刷将待焊工件的待焊坡口及其两侧至少各20mm处的位置，将氧化膜清除，清除深度0.1-0.2mm。

S2，焊接步骤：经过步骤S1处理的待焊工件在24小时内采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接，焊接过程中焊工戴白色的焊工手套，且MIG焊接(metal inert-gas welding，熔化极惰性气体保护焊)时将焊接线能量控制在4.0～5.0KJ/cm之间，环境湿度控制在≤70％，具体可采用空调或除湿装置使MIG焊接时环境湿度≤70％；在气候潮湿的情况下，经过步骤S1处理的待焊工件在4小时内采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接。

S3，焊缝缺陷检查步骤：对焊接后的工件的气孔缺陷用钢丝刷或风铲去除。

本发明的汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，也可以采用化学方法清洗去除焊丝表面氧化膜，具体清洗步骤与采用化学方法清洗去除待焊工件表面氧化膜的步骤相同。

清理干净的待焊工件应保持清洁和干燥，不得用手触摸和吹干焊接部位，焊工一般戴白色的焊工手套，不要因为怕麻烦而戴脏手套。焊前严禁污染，否则应重新进行清理，局部污染可局部重新清理。一般机械清理后应立即焊接，待焊工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，待焊工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4h内施焊。

本发明的汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，由于采取单道焊MIG焊接，故而没有层间温度，不需要对层间温度进行控制，也不需要清除层间焊接气孔，故而不需要进行预热，从而减少了工序，提高了生产效率。

焊丝是影响焊缝金属成分、液相线温度、组织、固相线温度、焊缝金属及近缝区母材的抗热裂性、耐腐蚀性及常温或高温低温下力学性能的重要因素。当铝材焊接性不良，出现裂纹，焊接接头力学性能不良或者焊接结构出现脆性断裂时，改用适当的焊丝而不改变焊件设计和工艺条件常常是必要、可行和有效的技术措施。结合本发明的焊接工艺调整，本发明选用ER4043焊丝。考虑到气孔的产生是由于氢在熔池金属中的可溶性引起的，其溶解度与熔池的体积和冷却时间成正比。金属表面的氧化膜(如Al2O3)在焊接过程中会溶解到熔池中，导致气孔的产生和焊缝的脆化，焊前通过机械或化学方法除去这些氧化膜。

试验表明，在焊前试件不进行预热时，用小线能量(2.8-3.6KJ/cm)时的铝合金MIG焊接接头的X射线探伤结果为C级，而应用本发明的线能量(4.0-5.0KJ/cm)，并结合焊前工件表面清理和控制焊接环境湿度等措施使得铝合金MIG焊接接头的X射线探伤结果提升为B级，铝合金MIG焊接的焊接气孔是不可避免的，所以A级探伤结果是不可能的，可见应用本发明MIG焊接后的薄板铝合金焊接接头的X射线探伤等级可达到最高。经由大量的工艺试验可知，采用本发明进行焊接的MIG焊接头焊缝组织主要由α(Al)+β(Mg₂Al₃)构成，且焊缝区域晶粒粗大，排列混乱。接头抗拉强度大于母材的82.5％，焊缝硬度值在60～70HV之间，HAZ有软化区。焊接头弯曲试验正弯、背弯角度均达到180°，各项指标均明显优于常规MIG焊接方法。

综上所述，本发明将焊前清理和焊中的线能量控制及焊后缺陷检查制成一体，大幅降低铝合金焊接接头气孔焊接热裂纹数量，而且焊缝成形良好、焊接变形量小、焊接接头强度高，从而有效提升铝合金横梁的MIG焊接品质，保证焊接质量稳定性。

相对于现有技术，本发其独特创新之处在于：在焊前清理、除湿等准备工作达到要求后，通过对焊接线能量及环境湿度的控制可直接完成施焊。与其他焊接方法相比本发明省去了焊前对铝合金预热的工序；与焊条电弧焊相比，MIG焊接铝合金横梁时可以连续送丝，节省材料加工时，生产效率高；与无极氩弧焊相比，MIG焊接铝合金横梁时熔深较大，降低焊接缺陷，节省工时。

考虑到不同系列的铝合金存在着一定的差别，而不同的焊接工艺的搭配又各具特点，为了获得更好的铝合金MIG焊接质量，从焊接材料和保护气体出发，本发明选用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体，ER4043焊丝是铝硅合金焊丝，对不同系列铝合金(尤其是5系、6系和7系列铝合金)焊接适应性广，用途广泛，强度高，有良好的抗腐蚀性；99.99％的氩气保护气体可以更好的保护熔池不被活性气体侵入而氧化，而且使得焊接电弧稳定、焊接飞溅小。

从焊接线能量、预热温度和层间温度出发，选择1)焊前对工件不进行预热；2)MIG焊接时选择4.0-5.0KJ/cm的线能量；3)应用空调等除湿装置使焊接时湿度控制在≤70％。

从焊前清理和焊中除焊接气孔出发，选择：1)被焊材料的表面处理：用有机溶剂(汽油，丙酮，三氯乙烯或四氯化碳)去除油污、灰尘；采用化学清洗去除氧化膜，大件采用不锈钢丝或铜丝轮、刷将被焊材料的坡口及其两侧氧化膜清除；2)焊后按规定进行检查有无气孔等缺陷，如有立即用钢丝刷或风铲去除。

综上所述，本发明的汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，不仅可以大幅降低铝合金焊接接头气孔焊接热裂纹数量，而且焊缝成形良好、焊接变形量小、焊接接头强度高，从而有效提升铝合金横梁的MIG焊接品质，保证焊接质量稳定性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1，待焊工件表面处理步骤：待焊工件不预热，直接采用有机溶剂除去待焊工件表面的油污和灰尘，接着清洗去除待焊工件表面氧化膜；

S2，焊接步骤：经过步骤S1处理的待焊工件在24小时内采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接，焊接过程中焊工戴白色的焊工手套，且MIG焊接时将焊接线能量控制在4.0～5.0KJ/cm之间，环境湿度控制在≤70％；

S3，焊缝缺陷检查步骤：对焊接后的工件的气孔缺陷用钢丝刷或风铲去除。

2.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，所述步骤S1中，所述有机溶剂采用汽油、煤油、丙酮、三氯乙烯或四氯化碳。

3.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，所述步骤S1中，采用化学方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具体包括以下步骤：

S11,碱洗步骤：待焊工件采用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液碱洗3min～7min，然后用流动清水冲洗待焊工件；

S12,酸洗步骤：接着将待焊工件采用室温至60℃的30％的HNO₃溶液酸洗约1～3min后，用流动清水冲洗待焊工件；

S13,烘干步骤：再用手持式吹风机吹干待焊工件后，将待焊工件放入烘箱中于100℃的温度下烘干即可。

4.根据权利要求3所述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，所述待焊工件由纯铝材料制成时，用40～70℃的5％～10％的NaOH溶液碱洗待焊工件的时间延长但不超过20min。

5.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，所述步骤S1中，若待焊工件为大件，采用机械方法清洗去除待焊工件表面氧化膜，具体包括以下步骤：采用不锈钢丝或铜丝轮刷将待焊工件的待焊坡口及其两侧至少各20mm处的位置，将氧化膜清除，清除深度0.1-0.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，所述步骤S2中，在气候潮湿的情况下，经过步骤S1处理的待焊工件在4小时内采用ER4043焊丝和99.99％的氩气保护气体进行单道焊MIG焊接。

7.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金仪表板横梁的焊接工艺，其特征在于，所述步骤S2中，采用空调或除湿装置使MIG焊接时环境湿度≤70％。