鋁鎂合金貯氣筒的焊接技術

黃 丹，蒲 磊

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007；2.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

純鋁比重為2.7 g/cm3，純鎂比重為1.4 g/cm3，而鋁鎂合金比重介于兩者之間，僅為碳鋼比重的1/3。汽車自身質量的大小是影響燃油經濟性的最重要因素之一，汽車質量減輕10%，油耗可降低8%~9%。在能源日趨緊張的今天汽車降重成了各汽車廠商的技術發展方向。為此采用鋁鎂合金替代碳鋼來生產貯氣筒，從而實現汽車的輕量化。本文深入分析了鋁鎂合金貯氣筒的焊接性，制定了鋁鎂合金貯氣筒的焊接工藝，詳細介紹了焊接所采用的焊接方法、焊接電源、焊接工藝參數、焊前焊后處理及操作要點等。

1 鋁鎂合金的焊接性分析

鋁鎂合金熔點（約為455~602℃）較低，但鋁鎂合金在高溫下，由于和氧的親和力強，在空氣中很容易與氧化合成高熔點的氧化膜（約為2 050℃）覆蓋熔池，嚴重的妨礙母材和填充金屬的熔合，從而在焊縫中易產生氧化物夾雜、未熔合、氣孔等缺陷。同時薄壁的鋁鎂合金輕量化貯氣筒焊接時由于高熔點氧化物覆蓋熔池，溫度不易控制，焊縫易產生燒穿和下塌現象，影響焊縫品質和產品的外觀及性能。

鋁鎂合金的比重介于純鋁和純鎂之間，但氧化鎂的比重為3.2 g/cm3，在焊接過程中形成的氧化鎂混在在比重較輕的熔融合金熔液中不易被排出，易使焊縫存在夾渣，導致焊縫的強度無法滿足產品性能的需求。

鋁鎂合金熔點低，易熔化，但其比熱和熔化潛熱大，導熱率大，局部加熱較困難，焊接時必須采用能量適中，功率較大的焊接設備，使其有較大的熱源。

鋁鎂合金在高溫下的強度和塑性低，易產生塌陷現象，又因鋁鎂合金從固態到液態時顏色無明顯變化，因此對于焊接操作人員的技術要求高。且鋁鎂合金膨脹系數大，約為鋼的三倍，在焊接過程中易產生較大的熱應力。

2 鋁鎂合金輕量化貯氣筒的焊接技術

2.1 鋁鎂合金貯氣筒的工序流程

鋁鎂合金貯氣筒呈圓筒形，一般由兩個端蓋和本體焊接而成。端蓋一般為半球形，上面焊接有管接頭座；本體為圓筒形，上面焊接有數個管接頭座。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

由圖1的工藝流程圖可知，在鋁鎂合金貯氣筒的工藝難點和重點為焊接工序，尤其是筒體的直縫焊和端蓋外環焊。

2.2 焊接材料的選用

（1）焊絲

在焊接時，焊絲是影響焊縫金屬成分、組織、液相線溫度、固相線溫度、焊縫金屬及近縫區母材的抗熱烈性 耐腐蝕性及常溫或高低溫下力學性能的重要因素。鋁鎂合金的焊接性較差，熔焊時出現裂紋、焊縫及焊接接頭力學性能欠佳或焊接結構出現脆性斷裂，因此選用合適的焊絲對于焊接結構非常重要。

在選用焊絲時，對于焊絲性能的要求是多方面的，即

一是，在焊接時生成焊接裂紋的傾向低；

二是，在焊接時生成焊縫氣孔的傾向低；

三是，焊縫及焊接接頭的力學性能（強度、延性）好；

四是，焊縫及焊接接頭在使用環境條件下的耐蝕性能好；

五是，焊縫金屬表面顏色與母材表面顏色能相互匹配[1]。

針對焊絲的性能表現及其適用性和預定用途聯系起來，選用的焊絲是高Mg含量的ER5356焊絲。

（2）保護氣體

在氣體保護下焊接鋁鎂合金時，只能采用惰性氣體，選用的氬氣純度（體積分數）不低于99.99%。不僅氬氣的純度至關重要，而且氬氣的流量也對焊接品質產生影響。如果氬氣的流量過大,會產生一種紊流現象，易將空氣卷入，從而降低氬氣的純度,增加氣孔的機會。同時由于流速過大，還會加速熔池的冷卻速度，不利于氫的逸出，還會出現電弧不穩，使熔池無法保持足夠的溫度，造成組織凍結，產生氣孔和未熔合等。反之，如果氬氣流量過小，會使保護氣體力度不夠，使周圍空氣大量涌入，從而產生大量氣孔，使焊縫變黃、產生裂紋等[2]。

2.3 焊接工藝及控制措施

（1）焊接電源

焊接電源采用的是Fromius TPS4000，其一種具有完美焊接特性的全數字化焊機，能夠實現無飛濺起弧，當開始焊接時，焊絲緩慢向工件輸送，接觸的一瞬間停止，然后小電流引弧，焊絲回抽，當達到了設定的弧長時，按已設定的送絲速度進行送絲，一旦焊接參數已經優化設置好，則焊接過程就可100%的重復實現。

（2）焊接工藝參數

降低電弧電壓，增大焊接電流，降低焊接速度，有利于減小焊接熔池溶解的含氫量，延長液態熔池存在時間，減緩熔池冷卻速度，便于氫氣泡的逸出，減少焊縫氣孔。經過試驗優選，找出的最佳焊接工藝參數如表1所示。

表1 工藝參數表

（3）焊前處理

鋁鎂合金在焊接時容易產生氣孔，因此鋁鎂合金焊接時對于母材的表面清潔度高，為此需對鋁鎂合金焊前進行處理。應采用清洗液進行清洗，去除母材表面油污，保證焊縫的質量滿足要求。

（4）焊接過程

引弧：由于鋁鎂合金和氧的親和力強，在空氣中很容易與氧化合成高熔點的氧化膜（約為2 050℃），覆蓋熔池，嚴重的妨礙母材和填充金屬的熔合，因此在引弧時要提前20~30 s送保護氣體以排除焊接區域的空氣。由于鋁鎂合金的熔點低，為了保證焊縫質量均勻，需要在引弧位置使用引弧板，起到對母材焊接有預熱的作用。

焊接：薄壁的鋁鎂合金輕量化貯氣筒焊接時由于高熔點氧化物覆蓋熔池，溫度不易控制，焊縫易產生燒穿和下塌，同時又因鋁鎂合金從固態到液態時顏色無明顯變化，因此對于焊接過程中的操作要求高。筒體直縫焊時采用的是平板對接的形式，焊接的方法采用左向焊法，焊槍均勻平穩的向前直線移動，焊接操作過程中要保持焊槍與母材的角度為70°~80°。端蓋外環焊時工件的接頭為搭接，采用的是工件旋轉焊槍位置保持不變，焊接操作過程中要保持焊槍與母材的角度為70°~80°。

收弧：焊接中斷或結束時，為了防止產生弧坑或縮孔，收弧處要多填充一些金屬，然后再使焊接電流逐漸衰減，斷弧后，氬氣要持續5~8 s，以防止高溫時熔敷金屬被氧化，影響焊縫質量及外觀。

（5）焊后處理

鋁鎂合金輕量化貯氣筒表面有一層致密的氧化物薄膜，具有防銹和美觀的作用，因此成品無須進行涂裝。在對鋁鎂合金焊后需進行處理，采用擦拭液進行擦拭，清理焊縫兩側的黑色物質，保證產品外觀品質。

3 結束語

通過分析鋁鎂合金貯氣筒的焊接特性，對鋁鎂合金焊接材料的焊絲的選用（牌號、直徑），焊接規范的工藝參數（焊接電流、焊接電壓、氣體流量、焊槍角度和保護氣體Ar氣的純度）、焊接方法進行辛勤探索研究，制定出一整套鋁鎂合金貯氣筒特有的焊接規范，保證了焊接品質要求。

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：第2卷[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2007.