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【摘要】由于我国铸造水平所限，一些壁厚差较大的铝合金铸件在铸造后容易出现质量问题，实践中可采用铝合金焊接技术来改善铸件的质量，确保其正常使用。本文以铝合金俯仰轴铸件为例，介绍了壁厚差较大铸件受铸造工艺影响而出现的质量问题，提出为解决其质量问题的焊接工艺方案，并讨论了焊接的关键技术与控制要点，为改善壁厚差较大铝合金铸件的质量提供参考。
【关键词】铝合金；焊接；铸件；应用
前言
由于铸造工艺有限，使得铝合金铸件如果壁厚差较大就会容易出现质量问题，通常的做法是用焊接技术作为改善铸件质量的重要手段，而对于这类铝合金铸件来说焊接技术的运用是否得当直接影响焊接的质量，因此本文以光电行业常见的铝合金俯仰轴铸件为例探讨焊接技术在壁厚差较大铸件中的实际应用情况是十分必要的。
1、壁厚差较大铝合金铸件质量问题的提出
俯仰轴作为光电经纬仪中的重要部件其结构如图1所示，材质为ZL104铝合金，从图1中可以看出此铝合金铸件的结构较为复杂，俯仰球体是薄壁结构，而两端的电机轴和旋变轴壁厚较大，其壁厚已经达到30cm以上，薄壁结构与两侧轴体的结合部位壁厚差较大，具有这样较大壁厚差的铝合金铸件在铸造过程中受到工艺水平所限使得其质量常存在较大缺陷，如气孔、夹渣、砂眼、蜂窝等，这些质量缺陷大多存在于壁厚差较大的结合部位，成品合格率极低，为提高铸造质量，加工单位普遍采用特殊石墨辅助的方法进行铸造，虽然成品质量大为提高，然而大部分的产品精度还远远无法满足光电行业的精度要求，即便个别产品合格，但无法满足光电产品生产企业对数量的要求，为解决这一难题，减少由于质量问题导致的损失量并提高成品率，可将焊接技术引入到壁厚差较大铝合金铸件的制造中来。
2、壁厚差较大铝合金铸件焊接工艺方案
焊接技术在零件制造中由于设计自由度较大、精度较高的特点，同时对零部件的壁厚差适应性较强，因此在铸造工艺无法保证产品质量的前提下，将焊接技术引入到产品制造中来为壁厚差较大铝合金铸件的生产提供了新的思路，以俯仰轴为例，讨论焊接工艺的具体方案，如下：（1）由于俯仰轴结构包括俯仰球体、电机轴和旋变轴三个大部分，其中俯仰球体为薄壁空心结构，而电机轴和旋变轴壁厚较大，增加铸造的难度，因此可将这三部分从整体上拆分开来，将复杂的结构变为三个简单的零件，俯仰球体仍然采用铸造工艺，并按照图纸中电机轴和旋变轴的部位增加铸造用于焊接的定位结构。（2）电机轴和旋变轴三个零部件分别采用LY12-CZ硬铝棒材料先做预加工，并在欲与俯仰球体焊接的部位留出加工余量。（3）按照设计图纸的要求，将预制好的电机轴和旋变轴焊接在俯仰球体的指定部位，要求控制好焊接工艺参数，以确保焊接后整个零件的尺寸和精度符合设计要求。（4）焊接完毕后对焊点进行精细打磨，以使其光滑。
3、壁厚差较大铝合金铸件关键技术及控制要点
对于壁厚差较大的铝合金铸件焊接工艺，需要控制的技术要点包括如何确保焊接后的铝合金结构能够达到整体铸造强度的质量标准，以及如何控制和减轻在焊接过程中造成的零件变形情况，以便使焊接后的零件达到设计的使用要求。
3.1焊接强度的保证与质量控制要点。（1）由于电机轴与旋变轴采用的是LY12-CZ硬铝合金材料，在强度上比传统铸造工艺的ZL104铝合金要大。（2）要保证薄壁结构与电机轴、旋变轴的焊接处留有足够的定位孔，孔的外侧制备成坡口，以便使焊接处采用内外两侧分别施焊的方式，其中外侧从坡口处要采用堆焊的方式将坡口焊满，然后再从外侧采用角焊缝的方式加强，再加上内侧采用角焊缝的焊接方式，从而确保焊接处的焊接强度。（3）根据计算得出，采用焊接工艺的电机轴和旋变轴与球体之间的接触面积要比纯铸造工艺轴与球体的接触面积大3倍左右，可知在满焊的前提下壁厚差较大部位焊接工艺达到的强度要强于铸造工艺。（4）为保证焊接强度，优先选择钨极氩弧焊方法对零件施焊，具有焊接点致密、接头强度高、塑性强等特点。（5）经试验表明，用传统的HS311焊丝作为焊材进行焊接其焊接接头的强度无法达到要求，可采用与木材材质相同的焊丝作为焊材，保证焊后接头强度与木材相近，并控制好焊接条件，防止产生热裂纹等现象。（6）在焊接之前，要对焊接处进行清理，擦去表面的灰尘和油污，并去除表面氧化薄膜，以确保焊接后不会产生夹渣、气孔、蜂窝等质量缺陷。
3.2焊接变形的预防和减轻技术措施。（1）在采用钨极氩弧焊时，为防止壁厚较大处焊接电流过大造成形变，可在施焊前对零件预热至一定温度后再进行焊接作业，以减小起始焊接電流。（2）为使焊缝处不因应力作用而发生形变，应当在焊接时采用对称焊接的方式抵消应力，最大程度保证焊接后轴体不发生偏心现象。（3）由于俯仰球体属薄壁结构，因此其刚度不大，如果直接焊接可能会发生轻微形变，因此可采用在其内部支撑刚性较大的挡板等方式加强其整体刚度，减轻形变。（4）应根据零件在工作中的受力情况以及焊缝的收缩情况确定焊接顺序，应先焊接工作中受力较大的部位，以均匀分布内应力，同时对收缩量较大的焊缝应先焊，保证其自由收缩。（5）为消除焊缝的残余应力，保证焊接后不发生形变，应将焊接后的零件整体置于300℃高温下回火不少于30分钟，并在高温炉内自然冷却。（6）对壁厚差较大铸件的焊接工艺参数应当根据具体铸件的尺寸、壁厚差、形状等经过计算和实验后确定，对于本文俯仰轴来说，经实验确定，最佳的焊接参数为：焊接电流：190～280A；钨极直径：3mm；氩气流量：15～20L/min；喷嘴孔径：10-12mm。
结束语
通过采用焊接工艺，并控制好焊接的技术要点，对壁厚差较大的铝合金铸件——俯仰轴进行了加工，经检验，焊接后的铝合金铸件具有强度高、精度高、成品率高等特点，基本避免了在铸造过程中壁厚差较大处发生的质量缺陷，可见将焊接工艺与传统铸造工艺相结合，可有效解决壁厚差较大铸件的质量问题，并且工艺容易实现，适用于流水作业，对于壁厚差较大铝合金铸件的批量生产具有十分重要的意义。
参考文献
[1]张传臣，陈芙蓉.厚板高强铝合金焊接发展现状及展望.《电焊机》，2007.
[2]史匡，冯永祥.铝合金焊接技术在壁厚差较大铸件中的应用.《焊接技术》，2003.
[3]李静斌，张其林，丁洁民.铝合金焊接节点力学性能的试验研究.《土木工程学报》，2007.
【关键词】铝合金；焊接；铸件；应用
前言
由于铸造工艺有限，使得铝合金铸件如果壁厚差较大就会容易出现质量问题，通常的做法是用焊接技术作为改善铸件质量的重要手段，而对于这类铝合金铸件来说焊接技术的运用是否得当直接影响焊接的质量，因此本文以光电行业常见的铝合金俯仰轴铸件为例探讨焊接技术在壁厚差较大铸件中的实际应用情况是十分必要的。
1、壁厚差较大铝合金铸件质量问题的提出
俯仰轴作为光电经纬仪中的重要部件其结构如图1所示，材质为ZL104铝合金，从图1中可以看出此铝合金铸件的结构较为复杂，俯仰球体是薄壁结构，而两端的电机轴和旋变轴壁厚较大，其壁厚已经达到30cm以上，薄壁结构与两侧轴体的结合部位壁厚差较大，具有这样较大壁厚差的铝合金铸件在铸造过程中受到工艺水平所限使得其质量常存在较大缺陷，如气孔、夹渣、砂眼、蜂窝等，这些质量缺陷大多存在于壁厚差较大的结合部位，成品合格率极低，为提高铸造质量，加工单位普遍采用特殊石墨辅助的方法进行铸造，虽然成品质量大为提高，然而大部分的产品精度还远远无法满足光电行业的精度要求，即便个别产品合格，但无法满足光电产品生产企业对数量的要求，为解决这一难题，减少由于质量问题导致的损失量并提高成品率，可将焊接技术引入到壁厚差较大铝合金铸件的制造中来。
2、壁厚差较大铝合金铸件焊接工艺方案
焊接技术在零件制造中由于设计自由度较大、精度较高的特点，同时对零部件的壁厚差适应性较强，因此在铸造工艺无法保证产品质量的前提下，将焊接技术引入到产品制造中来为壁厚差较大铝合金铸件的生产提供了新的思路，以俯仰轴为例，讨论焊接工艺的具体方案，如下：（1）由于俯仰轴结构包括俯仰球体、电机轴和旋变轴三个大部分，其中俯仰球体为薄壁空心结构，而电机轴和旋变轴壁厚较大，增加铸造的难度，因此可将这三部分从整体上拆分开来，将复杂的结构变为三个简单的零件，俯仰球体仍然采用铸造工艺，并按照图纸中电机轴和旋变轴的部位增加铸造用于焊接的定位结构。（2）电机轴和旋变轴三个零部件分别采用LY12-CZ硬铝棒材料先做预加工，并在欲与俯仰球体焊接的部位留出加工余量。（3）按照设计图纸的要求，将预制好的电机轴和旋变轴焊接在俯仰球体的指定部位，要求控制好焊接工艺参数，以确保焊接后整个零件的尺寸和精度符合设计要求。（4）焊接完毕后对焊点进行精细打磨，以使其光滑。
3、壁厚差较大铝合金铸件关键技术及控制要点
对于壁厚差较大的铝合金铸件焊接工艺，需要控制的技术要点包括如何确保焊接后的铝合金结构能够达到整体铸造强度的质量标准，以及如何控制和减轻在焊接过程中造成的零件变形情况，以便使焊接后的零件达到设计的使用要求。
3.1焊接强度的保证与质量控制要点。（1）由于电机轴与旋变轴采用的是LY12-CZ硬铝合金材料，在强度上比传统铸造工艺的ZL104铝合金要大。（2）要保证薄壁结构与电机轴、旋变轴的焊接处留有足够的定位孔，孔的外侧制备成坡口，以便使焊接处采用内外两侧分别施焊的方式，其中外侧从坡口处要采用堆焊的方式将坡口焊满，然后再从外侧采用角焊缝的方式加强，再加上内侧采用角焊缝的焊接方式，从而确保焊接处的焊接强度。（3）根据计算得出，采用焊接工艺的电机轴和旋变轴与球体之间的接触面积要比纯铸造工艺轴与球体的接触面积大3倍左右，可知在满焊的前提下壁厚差较大部位焊接工艺达到的强度要强于铸造工艺。（4）为保证焊接强度，优先选择钨极氩弧焊方法对零件施焊，具有焊接点致密、接头强度高、塑性强等特点。（5）经试验表明，用传统的HS311焊丝作为焊材进行焊接其焊接接头的强度无法达到要求，可采用与木材材质相同的焊丝作为焊材，保证焊后接头强度与木材相近，并控制好焊接条件，防止产生热裂纹等现象。（6）在焊接之前，要对焊接处进行清理，擦去表面的灰尘和油污，并去除表面氧化薄膜，以确保焊接后不会产生夹渣、气孔、蜂窝等质量缺陷。
3.2焊接变形的预防和减轻技术措施。（1）在采用钨极氩弧焊时，为防止壁厚较大处焊接电流过大造成形变，可在施焊前对零件预热至一定温度后再进行焊接作业，以减小起始焊接電流。（2）为使焊缝处不因应力作用而发生形变，应当在焊接时采用对称焊接的方式抵消应力，最大程度保证焊接后轴体不发生偏心现象。（3）由于俯仰球体属薄壁结构，因此其刚度不大，如果直接焊接可能会发生轻微形变，因此可采用在其内部支撑刚性较大的挡板等方式加强其整体刚度，减轻形变。（4）应根据零件在工作中的受力情况以及焊缝的收缩情况确定焊接顺序，应先焊接工作中受力较大的部位，以均匀分布内应力，同时对收缩量较大的焊缝应先焊，保证其自由收缩。（5）为消除焊缝的残余应力，保证焊接后不发生形变，应将焊接后的零件整体置于300℃高温下回火不少于30分钟，并在高温炉内自然冷却。（6）对壁厚差较大铸件的焊接工艺参数应当根据具体铸件的尺寸、壁厚差、形状等经过计算和实验后确定，对于本文俯仰轴来说，经实验确定，最佳的焊接参数为：焊接电流：190～280A；钨极直径：3mm；氩气流量：15～20L/min；喷嘴孔径：10-12mm。
结束语
通过采用焊接工艺，并控制好焊接的技术要点，对壁厚差较大的铝合金铸件——俯仰轴进行了加工，经检验，焊接后的铝合金铸件具有强度高、精度高、成品率高等特点，基本避免了在铸造过程中壁厚差较大处发生的质量缺陷，可见将焊接工艺与传统铸造工艺相结合，可有效解决壁厚差较大铸件的质量问题，并且工艺容易实现，适用于流水作业，对于壁厚差较大铝合金铸件的批量生产具有十分重要的意义。
参考文献
[1]张传臣，陈芙蓉.厚板高强铝合金焊接发展现状及展望.《电焊机》，2007.
[2]史匡，冯永祥.铝合金焊接技术在壁厚差较大铸件中的应用.《焊接技术》，2003.
[3]李静斌，张其林，丁洁民.铝合金焊接节点力学性能的试验研究.《土木工程学报》，2007.