铝合金保险杠的焊接工艺及其性能优化

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铝合金具有优异的物理化学特性、力学性能和良好的加工性能,是目前在生产生活中应用范围仅次于钢铁的材料,被广泛用于汽车白车身和各种汽车安全零部件中。目前在车身制造中广泛运用的铝合金可以使车辆减小20-30%的重量,约可以减少10%的燃油消耗。而汽车各部件间的连接离不开焊接,焊接的质量基本决定了汽车车身的整体刚度。因此如何进一步提高铝合金的焊接质量来实现铝合金的高效优质焊接是当下研究的难点和热点问题。本研究以铝合金保险杠为研究对象,利用新型的CMT TPS 500i焊机对6063和6082两种铝合金进行了不同CMT焊接工艺的焊接试验。研究了不同CMT焊接工艺对6063铝合金焊接接头组织及性能的影响;研究了外加交变磁场对6063铝合金焊接接头焊缝成形、组织、力学性能以及气孔的分布、长大逸出机理的影响,探索有效抑制氢气孔的方法。通过研究保险杠中最主要的焊接接头(T焊)的强度损失,并进行传统的保险杠碰撞模拟,研究并评价不考虑强度损失对保险杠碰撞的结果的影响。主要研究内容及结果如下:利用三种不同CMT焊接工艺(CMT、CMT MIX和CMT MIX+Synchropulse)对6063铝合金进行了拼板焊接试验并研究了不同CMT焊接工艺对焊接接头组织及性能的影响。研究表明,三种工艺下均能获得全熔透无明显飞溅的焊缝,而采用CMT MIX+Synchropulse工艺能够获得几乎完美的鱼鳞纹焊缝。CMT MIX+Synchropulse工艺下电弧穿透作用和搅拌作用更为明显,焊缝横截面的形貌由“V”型→“X”型。利用CMT MIX+Synchropulse工艺特性,解决了使用5系Al-Mg焊丝带来的热裂纹、熔池流动性不高的问题。ER5183焊丝的焊接接头焊缝主要为α-Al+Mg的共晶组织,而ER4047焊丝的焊接接头焊缝则为α-Al+Si的共晶组织。两种焊接接头焊缝中心组织均为大量的等轴晶,其中ER4047接头焊缝的平均晶粒尺寸为78.5μm小于ER5183焊缝的晶粒尺寸(103.2μm),晶粒得到明显细化。焊缝大量析出的平衡结晶相β-Mg2Si以及热影响区晶粒发生粗化和过时效软化导致焊缝和热影响区均出现明显软化现象。由于焊缝晶粒细化作用提高了焊缝强度,接头最终在更为薄弱的热影响区发生发生断裂,两种焊接接头的抗拉强度分别能达母材的68.2%和70.2%。为了有效降低焊缝气孔率,引入交变磁场对熔池进行搅拌作用。磁场的加入改变了电弧的形态和轨迹,随着励磁电流增加,熔滴绕焊丝中心做无规则的螺旋运动,导致焊缝横截面的形貌由“川”型→“X”型→“V”型。熔池在凝固过程中形成的枝晶在磁场的作用下发生破碎,破碎的枝晶分散在熔池中成为异质形核点增大形核率,焊缝中心组织为大量细小的等轴晶,晶粒得到明显细化。磁场增强了熔池的流动性对焊缝气孔率有着明显的降低作用,随着励磁电流增加焊缝气孔率先减小后增加,气孔率最小仅为0.32%。在T型焊中,熔池在Si含量高的6082铝合金的一侧熔覆量高,随着热输入的升高,T型焊缝由“月牙状”向凸起的“碗状”过渡。不考虑强度损失的保险杠碰撞模拟,最大应力(344.5MPa)出现在防撞梁与摆锤接触的部位。铝合金保险杠在碰撞过程结束时并未被完全压溃,保险杠整体的吸能防撞效果较佳。与焊接接头强度试验结果不同,碰撞结束后防撞梁中上部和吸能盒中部最终发生破损而不是两者结合处。考虑强度损失进行碰撞模拟,则防撞梁两端与吸能盒接触的部位优先发生破碎。
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