6061鋁合金材料焊接變形與控制技術

孫文剛

（吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132021）

為了有效地解決能源短缺和環境污染的問題，在汽車制造生產領域當中，采用鋁合金輕量化已經成為汽車行業未來發展的重要趨勢。在當前汽車行業發展的過程中，經濟成本、鋁合金材料的焊接形變量大等問題，都是嚴重制約鋁合金材料汽車發展的主要影響因素。6061鋁合金材料可廣泛應用于汽車的車體加工和制造，與傳統鋼材料相比，6061鋁合金材料無論是熱傳導率、線性膨脹系數，還是焊接后容易出現軟化的問題，都對其焊接技術提出了更高的要求[1]。因此，當前該領域研究人員將對6061鋁合金材料焊接工藝的優化聯合創新作為重點研究問題。6061鋁合金材料是鋁—鎂—硅系列鋁合金材料當中的一種，是一種能夠進行熱處理強化的鋁合金材料，利用該材料當中的鎂元素、硅元素等在固溶體當中能夠獲取到更高強度的彌散分布結構[2]。通常情況下，將該材料應用到實際生產工藝當中時，由于會在材料當中添加少量的鎳元素、鈦元素等，以此提高材料的機械性能和細化晶粒，但在進行固溶處理后，焊接時又會產生材料的軟化現象，影響材料本身的力學性能，最終導致產品的質量下降。因此，基于上述問題，為進一步提高6061鋁合金材料應用下產品制造質量，本文開展6061鋁合金材料焊接變形與控制技術研究。

1 6061鋁合金材料焊接變形控制技術設計

1.1 6061鋁合金材料焊接變形參數分析

為實現對6061鋁合金材料在焊接過程中發生的變形進行分析，本文選擇利用有限元分析方法對其變形參數進行模擬。首先，針對6061鋁合金材料在焊接過程中的溫度進行模擬，并將其周圍溫度場作為荷載開展結構分析。在焊接過程中發現，6061鋁合金材料熱輸入的分布符合標準的高斯分布。因此，在對其進行有限元分析時，應當充分考慮到非線性的彈性模量以及屈服強度。在對該材料的焊接變形參數分析時，分為考慮軟化現象和不考慮軟化現象兩種情況。當焊接過程中出現軟化特征參數是，則此時材料的屈服強度會隨之下降，并且在6061鋁合金材料軟化區域上的屈服強度會與軟化前存在較大差異。因此，在考慮6061鋁合金材料軟化區域的軟化程度是否會隨著焊接縫中心位置不同而發生改變時，假設其軟化的程度均相同。除此之外，在分析過程中，還需要假設軟化區域與非軟化區域存在突變的可能。根據上述假設得出，如圖1所示的6061鋁合金材料焊接變形軟化模型。

圖1 6061鋁合金材料焊接變形軟化模型

圖1中，A表示為不考慮軟化現象的6061鋁合金材料強度變化曲線；B表示為考慮軟化現象的6061鋁合金材料強度變化曲線；F表示為焊接縫區域；E表示為受到熱影響區域。從圖1中可以看出，在焊接縫區域F和受熱影響區域E當中，在考慮軟化現象時，溫度變化焊縫區域與熱影響區域的單元屬性整體形成：材料屈服強度隨溫度的不斷增加而不斷降低的趨勢。當不考慮6061鋁合金材料的軟化現象時，材料的屈服強度同樣會隨著溫度的增加而降低，但變化幅度明顯小于考慮軟化現象的變化幅度，并且二者相比，考慮軟化現象得出的變形參數變化更符合實際6061鋁合金材料在焊接過程中的變化情況[3]。同時，在焊接過程中，6061鋁合金材料容易出現變形的主要原因是不均勻地加熱所致，焊接時焊接部位及周圍的溫度會快速升高，在冷卻的過程中焊接縫會出現不同程度的收縮和內應力變化，進而造成6061鋁合金材料結構出現各種變形。同時，由于6061鋁合金材料與普通鋼材料相比，其熱導率更高，因此6061鋁合金材料的變形控制比碳鋼材料變形控制難度更大。而在6061鋁合金材料當中發生的晶粒組織轉變也會在一定程度上引起體積的變化，進而造成焊件出現變形。

1.2 焊接前利用超聲波清洗焊件

為了確保在對6061鋁合金材料焊接時能夠達到良好的焊接效果，在上述6061鋁合金材料焊接變形參數分析的基礎上，針對其變形特點，對該材料在焊接過程中出現的焊接變形現象，提出相應的控制技術。自然狀態下的6061鋁合金材料板件表面會形成一層致密的氧化膜結構，在焊接時會在焊縫位置產生空隙，影響到焊接接頭的力學性能，進而導致材料焊接出現變形。因此，針對這一問題，首先在焊接前階段，需要對6061鋁合金材料焊接表面進行超聲波清洗。超聲波清洗技術具有清洗效果好、成本低等優勢，因此基于這一優勢，利用超聲波清洗技術對6061鋁合金材料進行焊接前的處理。針對6061鋁合金材料的超聲波清洗設備選用DK-2540D型號超聲波清洗設備，該型號超聲波清洗設備的清洗頻率為26KHz～45KHz，選用底側或三側超聲，將該設備應用到對焊接材料的清洗具備良好的耐腐蝕性、耐熱性和安全性。利用該設備產生的沖擊波超強大氣壓對焊件表面的雜質吸附，并確保雜質在脫離焊件表面時能夠使其充分分散在清洗溶液當中。同時在空化作用下產生的氣泡還能夠進入到焊件原本的裂縫當中進行振動，從而將縫隙位置的雜質脫出。綜合該型號清洗設備的性能，在對不同規格焊件清洗時，可將清洗時間控制在5min～10min范圍以內，同時應當控制在設備中的清洗溶液濃度小于15g/L。在選用清洗溶液時，可選擇超聲乙酸溶液對焊件進行清洗，不僅能夠優化6061鋁合金材料焊件的熔深，同時還能夠提高焊接過程中焊縫的成型系數，進一步降低出現焊縫氣孔的可能，從而確保焊接時不會出現明顯的變形現象。

1.3 調整裝配與焊接順序

在實際對6061鋁合金材料進行焊接的過程中，會產生許多結構截面對稱的形狀，因此在焊接時，對焊接點的布置也應當是對稱的。但由于在焊接后，會出現一定的彎曲或扭曲變形，其產生原因是裝配和焊接的順序不合理導致。因此，為了避免這一問題產生，影響焊接質量，可從一下幾點對裝配順序和焊接順序進行調整。

首先，在焊接時必須保證所有的焊接位置都能夠焊到，再此條件下對順序進行調整。其次，焊槍能夠達到的焊接縫才能夠被焊接，對于焊縫存在收縮問題的工件應當對其先焊接后組裝，并在圖樣上對工藝方量進行明確標注。盡可能確保焊接縫呈現出無拘束的收縮狀態，并且確保焊接縫的方向是由內向外的，并且由中間向兩端延伸。再次，針對“Y”型坡口結構不可以出現間隙，需要對“Y”型坡口先焊接，再對“V”型坡口焊接。最后，針對長度較長的焊縫結構應當采用對稱焊接方式，從結構兩端同時實施焊接，以此將各個焊接縫產生的變形相互抵消。同時，在實際焊接的過程中應當盡可能避免工件出現多次翻轉現象，并先對焊接截面較大的焊縫焊接，再對焊接截面較小的焊縫焊接。以此，通過上述對裝配與焊接順序的調整，確保將6061鋁合金材料的焊接變形控制在標準范圍以內。

2 應用驗證

本文通過上述論述，針對6061鋁合金材料焊接變形特點，提出了一種全新的控制技術，為進一步驗證該技術在實際工藝加工當中的應用效果，開展如下應用驗證分析。選擇以某汽車加工項目為例，其底架結構采用6061鋁合金材料，分別需要焊接的工位包括骨架組裝、骨架焊接、地板正裝、地板反裝和底架附件安裝，共五項內容。在完成上述五個焊接時，均引入了本文提出的焊接變形控制技術，在實施后均未出現6061鋁合金材料出現變形的問題，并且加工尺寸均滿足實際要求，未發生任何異常。表1為焊接過程中，焊接結構的參數測量結果與可允許誤差范圍比較。

從表1中可以看出，在本文控制技術的應用下，6061鋁合金材料焊接變形量均在可允許誤差范圍以內，說明焊接后的產品結構質量符合生產要求。因此，通過上述應用驗證進一步說明，本文提出的控制技術在實際應用中能夠實現對6061鋁合金材料焊接變形的有效控制，實現更加有效的產品加工質量控制，確保產品質量的穩定性，為生產加工企業創造更高的經濟效益。

3 結語

與普通鋼材料的焊接相比，6061鋁合金材料焊接變形控制難度更大，因此制定一種更符合6061鋁合金材料的焊接變形控制方案顯得尤為重要。本文針對6061鋁合金材料在焊接過程中可能出現的變形問題進行分析，并以此為依據，提出一種全新的控制技術，將其應用于實際案例當中證明了該技術的應用有效性。但由于研究時間有限，本文研究仍然存在不足，例如，本文控制技術對于其他接頭形式的焊接是否同樣適用還有待進一步驗證；針對6061鋁合金材料表面的超聲波清洗雖然能夠改善氣孔結構和熔合效果，但表面氧化膜受到的影響并未進行過多考慮，因此在后續的研究中還將針對上述兩方面問題進行更加深入研究，從而不斷完善本文控制技術。