張林陽李軍鄭虹張遠(yuǎn)宋慶軍王達(dá)鵬

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春130011，2.中國(guó)第一汽車股份有限公司工程與生產(chǎn)物流部，長(zhǎng)春130011）

1 前言

伴隨著汽車電動(dòng)化的加速發(fā)展以及乘用車“雙積分”政策的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)，鋁合金、鎂合金以及復(fù)合材料等輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用占比將得到進(jìn)一步提升[1]。與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)制造工藝應(yīng)用等輕量化技術(shù)手段相比，輕質(zhì)材料的快速應(yīng)用可為汽車帶來更為可觀和明顯的降重效果。對(duì)于鎂合金材料而言，由于其強(qiáng)度低、塑性差、抗高溫及耐蝕性弱并且制造成本高[2]，其在汽車上的應(yīng)用增長(zhǎng)相對(duì)較為緩慢。與之相反，鋁合金材料因其具有密度低、抗腐蝕好、強(qiáng)度適中等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用與推廣。目前，變形鋁合金已發(fā)展為汽車輕量化的首選應(yīng)用材料之一，主要包括鋁帶材、鋁板材以及鋁型材等。據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年燃油與新能源汽車單車用鋁量分別為128 kg、143 kg，預(yù)計(jì)2025年這一數(shù)值將增長(zhǎng)至179 kg、226 kg。

而在實(shí)際的汽車輕量化工作推進(jìn)中，鋁合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用需要借助并搭配特定的制造工藝，特別是連接工藝，以實(shí)現(xiàn)在整車開發(fā)及制造中的應(yīng)用。其中，鋁合金帶材主要應(yīng)用于散熱器的制造中，涉及到的連接工藝為鋁釬焊[3]；鋁合金板材主要應(yīng)用于車身零件制造，涉及的連接工藝包括激光焊、電阻點(diǎn)焊、自沖鉚接等[4]；鋁合金型材主要應(yīng)用于副車架、保險(xiǎn)杠、電池托盤、儀表盤橫梁以及前縱梁制造中，涉及到的連接工藝主要包括電弧焊、攪拌摩擦焊等[5-6]，而電弧焊又包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt Inert.Gas,MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert.Gas,TIG）以及冷金屬過渡電弧焊（Cold Metal Transfer,CMT）等焊接方法。而在上述連接方法中，鋁合金型材電弧焊質(zhì)量的控制與保證難度相對(duì)較大，原因主要包括鋁合金型材的接頭匹配形式多樣化、不同組件間具有明顯的拘束關(guān)系、焊接質(zhì)量容易受到連接工藝設(shè)計(jì)順序的影響以及焊接內(nèi)應(yīng)力多數(shù)情況下無法完全通過自身變形得到有效釋放等。因而，鋁合金型材在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，各種形式的焊接質(zhì)量缺欠如裂紋、氣孔等將不可避免地會(huì)產(chǎn)生。

基于上述描述，從提高汽車產(chǎn)品整車開發(fā)水平與制造質(zhì)量的角度出發(fā)，了解并掌握汽車用鋁合金型材常見焊接質(zhì)量缺欠產(chǎn)生的原因、機(jī)理，并以此建立起不同焊接質(zhì)量缺欠與相應(yīng)預(yù)防措施間的匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系，將對(duì)以鋁合金型材的高效精準(zhǔn)應(yīng)用、整車產(chǎn)品的高水平開發(fā)以及焊接質(zhì)量的提升具有明確的指導(dǎo)意義。

2 汽車用鋁合金型材的種類及其焊接性特點(diǎn)分析

汽車用鋁合金型材主要為6000系列Al-Mg-Si合金，屬于可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金[7]。表1給出了鋁合金型材在國(guó)內(nèi)某品牌乘用車上的主要應(yīng)用及選型情況。通過固溶、淬火、時(shí)效等工藝的應(yīng)用，可使其材料本體的力學(xué)性能得到顯著提高，但因其材料自身的焊接性較差，熔焊時(shí)焊接接頭會(huì)出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象[8]。以對(duì)接接頭為例，其連接強(qiáng)度一般只能達(dá)到母材的65%左右[9]。目前，汽車用鋁合金型材一般均是在T6態(tài)下進(jìn)行焊接，并可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求選擇是否對(duì)焊后總成進(jìn)行整體熱處理，以消除焊接內(nèi)應(yīng)力并降低焊接接頭軟化帶來的不利影響，涉及到的鋁合金型材牌號(hào)主要包括6005A、6060、6061、6063、6082以及6351等。

表1 鋁合金型材在國(guó)內(nèi)某品牌乘用車上的主要應(yīng)用及選型情況

鋁合金型材由于具有比熱容大、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)高、易氧化、液態(tài)吸氫、凝固時(shí)收縮量大等特性[7,10]，使得其焊接難度要比鋼材高很多。相應(yīng)地，其在焊接生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋、氣孔等各種質(zhì)量缺欠的概率也更高。以上問題也是當(dāng)前鋁合金型材在汽車總成零部件開發(fā)與生產(chǎn)制造中所必須關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3 汽車用鋁型材常見焊接質(zhì)量缺欠的產(chǎn)生及預(yù)防

通過對(duì)副車架、電池托盤、保險(xiǎn)杠等多款鋁合金型材制件的焊接生產(chǎn)過程及常見質(zhì)量缺欠進(jìn)行調(diào)研、資料收集與跟蹤，可知汽車用鋁合金型材焊接常見質(zhì)量缺欠主要包括氣孔、裂紋、夾渣、咬邊、下塌及燒穿、未熔合、未焊透7大類，其中氣孔和裂紋的出現(xiàn)概率相對(duì)更高一些。其產(chǎn)生原因主要由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、原材料狀態(tài)、外部環(huán)境、焊前清理、工藝方法以及參數(shù)匹配等多種因素的綜合作用引起。當(dāng)遇到實(shí)際焊接質(zhì)量問題時(shí)，應(yīng)結(jié)合焊接質(zhì)量缺欠的具體類型，并充分考慮其產(chǎn)生的原因、生產(chǎn)條件，制定相應(yīng)的、具有針對(duì)性的解決措施。

3.1 氣孔

3.1.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

氫是鋁合金型材焊接產(chǎn)生氣孔的主要原因，其來源主要包括弧柱氣氛中的水分、受潮的焊接材料以及母材吸附的水分3個(gè)方面[7]。從形成機(jī)理上講，由于鋁合金的導(dǎo)熱性好，其焊接熔池的液態(tài)停留時(shí)間相對(duì)較短，熔池中的氫還沒有來得及溢出便被鎖固在焊縫中，繼而以氣孔的形式保存下來，如圖1所示?；≈鶜夥罩械臍鋵?dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，主要與其在鋁液中的溶解度存在突變有關(guān)。在凝固點(diǎn)處，氫在鋁液中的溶解度可瞬間從0.69 mL/100 g降至0.036 mL/100 g，如圖2所示，變化前后的數(shù)值相差近20倍，而在鋼中這一數(shù)值僅相差2倍，這也是氫在鋁合金焊接中容易產(chǎn)生焊縫氣孔的一個(gè)關(guān)鍵原因。當(dāng)熔池的冷卻速度較大時(shí)，氫的溶解度會(huì)沿著abc變化，冷卻速度較小時(shí)，會(huì)沿著ab′c′變化。在實(shí)際的焊接冷卻條件下，上述兩種冷卻速度下的溶解度變化均有可能發(fā)生。ab段的溶解度差造成的氣孔數(shù)量雖然不多，但可能因冷速過快而來不及溢出，并在上浮過程中形成大而孤立的皮下氣孔；而ab′段的溶解度差相對(duì)來說會(huì)帶來較多的氣孔，但由于其冷速較慢，熔池中的氫來得及匯聚并浮出，因而并不容易產(chǎn)生氣孔。在凝固點(diǎn)處，因bc及b′c′段的溶解度存在突變，在熔池凝固枝晶的前沿會(huì)聚集形成許多的微小氣泡，受晶體生長(zhǎng)的交互作用影響，氣泡的生長(zhǎng)會(huì)受限，因而并不利于溢出，從而在結(jié)晶層附近形成結(jié)晶層氣孔。對(duì)于MIG焊而言，焊絲多以射滴或者射流過渡的形式落入熔池，熔滴比表面積大，因而容易吸氫；相反對(duì)于TIG焊而言，焊絲流向熔池的過渡形式為短路過渡，比表面小，吸氫能力不如MIG焊。故而，在同樣條件下，MIG焊產(chǎn)生氣孔的傾向要大于TIG焊[11]。另外一方面，汽車用6000系列鋁型材表面的氧化膜主要為Al2O3和MgO。MgO越多，形成的氧化膜越不致密，就越容易吸水。因而，采用Al-Mg合金焊絲要比純鋁焊絲具有更大的氣孔產(chǎn)生傾向。為了防止焊絲材料受潮吸水產(chǎn)生氣孔，使用前最好將焊絲材料預(yù)先存放在干燥的密封箱中。對(duì)于MIG焊而言，由于其熔深大，有利于氧化膜中的水分排除，因而氧化膜對(duì)其焊縫產(chǎn)生氣孔的影響很小。對(duì)于TIG焊而言，在熔深不足的情況下，焊縫根部區(qū)域未清除完全的氧化膜吸附的水分將成為氣孔產(chǎn)生的主要來源。

圖1 鋁合金焊縫中的氣孔分布

圖2 氫在鋁液中溶解度隨溫度的變化關(guān)系[8]

3.1.2 檢測(cè)及預(yù)防

焊縫中的氣孔，可綜合運(yùn)用目視法、滲透法、超聲波法以及X射線法等手段進(jìn)行檢測(cè)和判別。當(dāng)鋁合金焊縫中存在較多的氣孔時(shí)，會(huì)嚴(yán)重降低焊縫的承載能力，因而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙的技術(shù)條件中一般對(duì)氣孔的數(shù)量及形態(tài)均有一定的限制和要求。

在實(shí)際焊接過程中，完全防止氣孔的產(chǎn)生是十分困難的。但從防止氣孔發(fā)生的角度考慮可從以下2個(gè)方面來執(zhí)行，一是減少熔池中氫的來源，二是加快熔池中氫的溢出。其中，減少氫來源的措施主要包括提高對(duì)保護(hù)氣體、焊絲材料中水含量的要求等級(jí)，并增加干燥處理程序；焊接前應(yīng)保證焊絲及母材表面的潔凈度，并對(duì)其表面的氧化膜進(jìn)行有效清除。加快熔池中氫的溢出則是主要通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，改變?nèi)鄢馗邷卮媪魰r(shí)間，尋找最佳工藝結(jié)合點(diǎn)，以促進(jìn)氫的溢出。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)于MIG焊而言，降低焊接速度、提高熱輸入量可減少氣孔的產(chǎn)生；對(duì)于TIG焊而言，大電流+高焊速的組合運(yùn)用，對(duì)于控制氣孔的產(chǎn)生效果最為明顯。

3.2 裂紋

3.2.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

汽車用鋁合金型材在焊接過程中產(chǎn)生的裂紋，主要發(fā)生在固相線以上，因而屬于熱裂紋范疇[10]，包括焊縫區(qū)的凝固裂紋以及近縫區(qū)的液化裂紋兩大類，如圖3所示。其產(chǎn)生需要具備兩個(gè)條件：一是焊縫中存在易于形成裂紋源的位置；二是在裂紋源位置有足夠大的拉伸應(yīng)力。熱裂紋產(chǎn)生的一種典型情況為在熔池金屬凝固時(shí)，對(duì)已經(jīng)部分凝固的熔池金屬施以一定的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

圖3 焊接裂紋

焊縫金屬的凝固屬于非平衡結(jié)晶過程。對(duì)于凝固裂紋，不同晶粒間的液態(tài)薄膜是其產(chǎn)生的主要位置，而液態(tài)薄膜主要由低熔共晶組成，其形成與鋁合金型材中存在的雜質(zhì)或者其他相關(guān)元素有關(guān)。由于鋁合金的線膨脹系數(shù)比鋼大1倍左右，若在拘束條件下進(jìn)行焊接其裂紋產(chǎn)生傾向?qū)⒚黠@增大。凝固裂紋主要出現(xiàn)在焊縫金屬凝固過程中的固-液混合階段，產(chǎn)生的根本原因在于焊縫金屬在結(jié)晶區(qū)間ΔTf內(nèi)產(chǎn)生的累積應(yīng)變?chǔ)糯笥谄湓诠滔嗑€溫度Ts下所能承受的臨界應(yīng)變量δmin所致，具體如圖4所示[13]。其中，TL為液相線溫度，TU為熔池內(nèi)枝晶開始交織長(zhǎng)合的溫度，Ts為固相線溫度，ΔTf為結(jié)晶溫度區(qū)間，ΔTB為脆性溫度區(qū)間，δ表示液態(tài)金屬結(jié)晶凝固過程中累計(jì)形成的應(yīng)變量。由于δ在脆性溫度區(qū)ΔTB內(nèi)存在一個(gè)明顯的陡降，故而其在受拉時(shí)所能承受的應(yīng)變量也比較低。當(dāng)累積應(yīng)變量ε沿著直線1的斜率增加時(shí)，ε＞δmin，焊縫處會(huì)有凝固裂紋產(chǎn)生；當(dāng)累積應(yīng)變量ε沿著直線2的斜率增加時(shí)，ε=δmin，焊縫處于產(chǎn)生凝固裂紋的臨界狀態(tài)；當(dāng)累積應(yīng)變量ε沿著直線3的斜率增加時(shí)，ε＜δmin，焊縫處不會(huì)產(chǎn)生裂紋。同凝固裂紋一樣，對(duì)于近縫區(qū)的液化裂紋，其產(chǎn)生原因同樣與不同晶粒間形成的低熔共晶有關(guān)。所不同的是，這種低熔共晶是在非平衡焊接加熱條件下依靠局部晶界的重熔、凝固，并在一定拉應(yīng)力的條件下通過元素偏析方式并形成于固相的液化過程中，而并非像凝固裂紋形成于液相的結(jié)晶凝固過程中。

3.2.2 檢測(cè)及預(yù)防

關(guān)于裂紋的檢測(cè)，內(nèi)部裂紋可通過X射線法、超聲波法進(jìn)行檢測(cè)，表面裂紋通過滲透法、磁粉探傷法檢測(cè)，內(nèi)部及表面裂紋的綜合檢測(cè)可借助金相法研判。

鋁合金型材在汽車產(chǎn)品開發(fā)中一般作為承力結(jié)構(gòu)件使用，其關(guān)鍵焊縫區(qū)域是不允許存在裂紋的。而在實(shí)際的鋁合金型材焊接過程中，影響其產(chǎn)生的因素眾多，包括結(jié)構(gòu)、工藝、材料及拘束狀態(tài)等，并且上述多種因素之間往往存在相互交織關(guān)系，這將對(duì)預(yù)防措施的精準(zhǔn)制定帶來很大困擾。對(duì)于焊縫處的凝固裂紋而言，主要從改善焊縫區(qū)的合金成分以及調(diào)整焊接工藝兩個(gè)維度入手。其中，調(diào)整焊縫合金成分應(yīng)從提升抗性裂角度出發(fā)，合理控制低熔共晶的產(chǎn)生量并減小其結(jié)晶溫度區(qū)間ΔTf的數(shù)值。其中，選擇的焊絲材料應(yīng)盡量富含Zr、Ti、B、V等微量元素，利用其細(xì)化晶粒的作用，提升焊縫的抗裂性，同時(shí)考慮其與母材的強(qiáng)度、色差、防腐等方面的匹配兼容性；目前，汽車用鋁合金型材焊接生產(chǎn)中采用的焊絲牌號(hào)多為5356以及5087焊絲。對(duì)于7000系鋁合金中的Al-Zn-Mg-Cu系合金而言，雖然其具有很高的材料強(qiáng)度，但是由于焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向比較大，一般不建議用于焊接結(jié)構(gòu)件；相反，7000系鋁合金中的Al-Zn-Mg系合金的焊接性就好很多，在焊接時(shí)一般不宜產(chǎn)生裂紋[7]。關(guān)于焊接參數(shù)的調(diào)整，推薦采用小電流并配合熱量集中的焊接方法，可有效防止柱狀晶、減少熔池過熱并改善接頭的抗裂性；最后通過調(diào)整焊接工藝順序，可實(shí)現(xiàn)減小焊接拘束應(yīng)力的作用，同樣可達(dá)到減少焊縫中裂紋產(chǎn)生幾率的目的。此外，為了控制焊件的冷卻速度，降低裂紋的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，外部環(huán)境溫度最好保證在15℃以上[7]。

圖4 凝固裂紋產(chǎn)生的條件示意[12]

3.3 夾渣

3.3.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

汽車用鋁合金型材焊縫中夾渣缺欠的產(chǎn)生主要與被焊零件表面的氧化膜有關(guān)[13]。對(duì)于6000系列Al-Mg-Si合金而言，其表面氧化膜的成分主要為Al2O3+MgO，其中Al2O3占絕對(duì)主導(dǎo)地位。Al2O3的熔點(diǎn)達(dá)2 050℃，MgO的熔點(diǎn)達(dá)2 500℃，其均遠(yuǎn)大于鋁合金的熔點(diǎn)（約660℃）。在實(shí)際的焊接過程中，由于兩類氧化膜的密度均大于鋁液的密度[2,7]，因而其在液態(tài)熔池中并不容易上浮或者浮出，并最終以?shī)A渣的形式固存在焊縫中。此外，對(duì)于MIG焊而言，銅制導(dǎo)電嘴局部熔化并融入至熔池中將會(huì)導(dǎo)致焊縫夾渣的產(chǎn)生；同理對(duì)于TIG焊而言，若存在鎢極過熱或者鎢極接觸到熔池的情況，也可能會(huì)帶來夾渣缺欠的產(chǎn)生。

3.3.2 檢測(cè)及預(yù)防

焊縫中的夾渣缺欠可通過X射線法進(jìn)行檢測(cè)，并可配合金相法進(jìn)行確認(rèn)；焊縫表面的夾渣可通過目視識(shí)別。

預(yù)防夾渣缺欠最有效的方法就是在焊接前對(duì)零件表面的氧化膜進(jìn)行徹底清除，去除方法主要包括化學(xué)法和機(jī)械法兩大類，有時(shí)為了獲得更好的清理效果，兩種方法可同時(shí)使用。汽車用鋁合金型材制件的焊接具有大批量生產(chǎn)的屬性，因而多采用化學(xué)法進(jìn)行去除。化學(xué)法去除氧化膜一般包括兩個(gè)步驟：脫脂去油+去除氧化膜[8]。其中，去除氧化膜的熔液多選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～8%的NaoH水溶液。鋁合金型材零件經(jīng)化學(xué)清理完畢后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊接，一般要求3 h內(nèi)完成焊接，最晚建議不超過12 h。

對(duì)于MIG焊而言，在保證焊縫熔深及有效計(jì)算厚度合格的前提下，可適當(dāng)減小焊接電流，以避免銅導(dǎo)電嘴的熔化帶來的夾渣形成風(fēng)險(xiǎn)；若采用大電流焊接，干伸長(zhǎng)應(yīng)選擇合適，導(dǎo)電嘴不應(yīng)壓得過低，以避免導(dǎo)電嘴觸及熔池的可能性。同理，對(duì)于TIG焊，避免夾鎢缺欠產(chǎn)生的根本在于選擇與焊接電源、電流相匹配的具有一定尺寸和形狀要求的鎢電極，同時(shí)應(yīng)注意操作規(guī)范，避免鎢針觸及到熔池。

另外，當(dāng)焊縫中存在其他質(zhì)量缺欠并滿足相關(guān)修復(fù)條件時(shí)，應(yīng)先對(duì)待修復(fù)焊縫位置處表面的油污及氧化膜進(jìn)行徹底清理，否則同樣也會(huì)導(dǎo)致夾渣缺欠的產(chǎn)生。

3.4 咬邊

3.4.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

咬邊缺欠的形成與焊接溫度梯度有關(guān)，并多產(chǎn)生于大電流短時(shí)間或者大電流高速焊的工藝條件下，其是在焊接接頭的焊趾附近形成的一種溝槽或者凹陷類的缺欠[14]，如圖5所示。從表面上看，上述缺欠是由于焊縫邊緣母材熔化后沒有得到足夠的熔敷金屬進(jìn)行補(bǔ)充而形成的，其產(chǎn)生的主要原因在于電弧的熱輸入量過大以及電弧的不穩(wěn)定性。通過大量實(shí)踐證明，在焊接過程中，若出現(xiàn)電弧過長(zhǎng)、電流過大、焊速太低、焊槍角度不正確、焊槍擺動(dòng)幅度不合理以及電弧發(fā)生磁偏吹等情況時(shí)，均有可能會(huì)導(dǎo)致焊接接頭處咬邊缺欠的產(chǎn)生。

圖5 咬邊

3.4.2 檢測(cè)及預(yù)防

咬邊缺欠屬于焊縫外觀類缺欠，可通過目視或者采用低倍放大鏡等方式進(jìn)行觀測(cè)和判斷。

咬邊缺陷的出現(xiàn)會(huì)降低焊縫的有效承載面積，并加大焊接接頭處的應(yīng)力集中，并最終導(dǎo)致鋁合金型材制件整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗疲勞載荷能力的下降，因而應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取措施降低和避免咬邊缺欠的產(chǎn)生。涉及到的主要技術(shù)手段與工藝措施包括選擇合適的焊接電流與焊速、將電弧長(zhǎng)度控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)、優(yōu)選出合適的焊槍角度、手動(dòng)焊時(shí)焊槍的擺動(dòng)角度以及幅度不易過大或過小。此外，增加焊縫深寬比、適當(dāng)增加焊絲填充量也對(duì)消除和較少咬邊缺欠的產(chǎn)生有著較好的積極預(yù)防效果。

3.5 下塌及燒穿

3.5.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

與鋼相比，鋁合金雖然熔點(diǎn)比較低，但是其比熱容大、導(dǎo)熱性好，因而焊接時(shí)需要匹配熱量更為集中的、大功率的焊接電源，加之熔池中液態(tài)金屬的溫度梯度變化較快，焊縫的成形控制十分困難[14]。此外，由于汽車用鋁合金型材制件焊接結(jié)構(gòu)匹配相對(duì)較為復(fù)雜，接頭形式涉及對(duì)接、搭接以及角接等多種連接結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中又不可避免地存在厚度相差較大的擠壓鋁型材混連的情況，一旦焊接參數(shù)匹配不合理、裝配間隙過大以及或者操作手法不得當(dāng)就很容易造成焊接接頭的局部熱量集中，并導(dǎo)致下塌甚至燒穿缺欠的產(chǎn)生。其中，下塌缺欠又可分為焊縫表面下塌、焊縫根部下塌兩類。

從上面的論述中可知，下塌及燒穿缺欠的產(chǎn)生主要與鋁合金自身的物理化學(xué)屬性、焊接工藝參數(shù)的匹配以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3.5.2 檢測(cè)及預(yù)防

下塌及燒穿缺欠可通過目視、量具以及金相法進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。

對(duì)于下塌缺欠，以對(duì)接接頭為例，若為表面下塌，其深度值一般要求不大于0.1倍的被焊材料中較薄一側(cè)母材的厚度；若為根部下塌，其深度值一般不允許超過0.3倍的被焊材料中較薄一側(cè)母材的厚度。對(duì)于燒穿缺欠，如圖6所示，在焊接過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格避免其產(chǎn)生。

結(jié)合上述兩種缺欠的產(chǎn)生原因，其預(yù)防應(yīng)主要從焊接參數(shù)改進(jìn)以及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化兩個(gè)方面入手。若采用自動(dòng)焊方式，在工藝確定前，應(yīng)通過多參數(shù)匹配設(shè)計(jì)方法，選擇出合適的焊接參數(shù)，并嚴(yán)格控制焊接熱輸入；采用手工焊時(shí)，則需要嚴(yán)格按照相應(yīng)焊接操作規(guī)程執(zhí)行，并注意焊槍角度、位置、擺幅及指向的控制與把握。關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化，每種焊接接頭形式的設(shè)計(jì)與選擇相關(guān)要求有所不同。以對(duì)接接頭為例，較為理想的方案是將其設(shè)計(jì)為鎖底型接頭，并結(jié)合實(shí)際工藝要求匹配合適的坡口尺寸；對(duì)于搭接接頭，推薦將薄板置于搭接結(jié)構(gòu)的上部；對(duì)于角接接頭，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格管控被焊母材間的厚度差，同時(shí)匹配間隙應(yīng)嚴(yán)格控制在1 mm以內(nèi)，并且在焊接時(shí)焊絲應(yīng)稍微偏向厚板一側(cè)。

圖6 焊縫燒穿

3.6 未焊透

3.6.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

未焊透是指在焊接接頭的根部因未完全熔透而形成的一種質(zhì)量缺欠[11]，見圖7，其產(chǎn)生主要與鋁合金材料在焊接時(shí)散熱快、熱量不容易集中有關(guān)?；谏鲜鲈?，汽車用鋁合金型材制件焊接多時(shí)采用MIG、TIG等能量集中的工藝方法[15]。在實(shí)際的焊接生產(chǎn)過程中，多種因素均可導(dǎo)致未焊透缺欠的形成，常見的原因包括焊接電流過小、焊速過快、電弧過長(zhǎng)、焊槍角度及位置設(shè)置不當(dāng)，坡口設(shè)計(jì)不合理（如角度太小、鈍邊過長(zhǎng)等），焊口表面有油污及氧化皮，電弧產(chǎn)生磁偏吹等7個(gè)方面。

圖7 未焊透

3.6.2 檢測(cè)及預(yù)防

未焊透缺欠為焊縫內(nèi)部缺欠，可通過X射線法或者超聲波法進(jìn)行檢測(cè)。

當(dāng)焊縫中出現(xiàn)未焊透缺欠時(shí)，實(shí)際焊后零件在該位置處的承載能力將大打折扣，并且無法承受較大的靜載荷作用。此外，未焊透一般還會(huì)在焊根處引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，這將會(huì)大幅降低焊縫的疲勞強(qiáng)度。因而，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，未焊透缺欠是不允許存在的。因而，需要充分結(jié)合其產(chǎn)生的7大常見原因并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略與解決方法，包括調(diào)整焊接電流至合適范圍，減小焊接速度，壓低電弧長(zhǎng)度，擺正焊槍角度與位置、選擇合適的坡口角度與鈍邊長(zhǎng)度、保證整個(gè)焊口部位的清潔度以及消除電磁偏吹的不利影響等。

3.7 未熔合

3.7.1 產(chǎn)生原因與機(jī)理

由于在焊接過程中基本不涉及多層焊，對(duì)于汽車用鋁合金型材而言，其未熔合缺欠多指焊縫金屬與母材焊口表面或者母材上表面之間存在的、尚未形成有效冶金結(jié)合的部分，見圖8。其產(chǎn)生的原因與鋁合金的導(dǎo)熱性好，焊接熱輸入不足以及焊絲及與母材表面的氧化膜有關(guān)，涉及的影響因素主要包括以下4個(gè)方面，焊接熱輸入量偏小、氧化膜去除不徹底、坡口角度及尺寸設(shè)計(jì)不合理以及環(huán)境溫度偏低等。

圖8 未熔合

3.7.2 檢測(cè)及預(yù)防

焊縫內(nèi)部未熔合缺欠可通過超聲波法進(jìn)行檢測(cè)，外部未熔合缺欠可通過目視或金相法進(jìn)行判斷。此外，通過鋁合金焊縫處的斷口試樣同樣可觀察或判定未熔合缺欠的存在。

和未焊透缺欠一樣，它的存在將嚴(yán)重降低焊接接頭的靜強(qiáng)度以及疲勞壽命，并且其危害性僅次于裂紋[11]，因而在實(shí)際的焊接生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格避免未熔合缺欠的產(chǎn)生。

對(duì)于焊接熱輸入偏小帶來的未熔合缺欠，可通過適當(dāng)提高焊接電壓或者焊接電流、降低焊接速度的方式來消除。此外，將保護(hù)氣體類型由純Ar改為30%Ar+70%He，也可提高電弧的能量密度，減小指狀熔池帶來的未熔合缺欠的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于氧化膜去除不徹底引發(fā)的未熔合缺欠，可通過適當(dāng)增加化學(xué)法去除氧化膜的工作時(shí)間以保證去除效果，加之由于采用了直流反接MIG焊、交流脈沖MIG焊或者交流TIG焊，其電弧本身具較好地有去除氧化膜的作用，因而一般情況氧化膜不容易引發(fā)未熔合缺欠的產(chǎn)生。針對(duì)坡口選型及設(shè)計(jì)不合理引發(fā)的未熔合缺欠，可通過增大坡口角度、將V型坡口改成U型坡口并配合正確的焊接角度與工藝參數(shù)設(shè)置，來解決上述問題。此外，環(huán)境溫度過低也是導(dǎo)致產(chǎn)生未熔合產(chǎn)生與形成的一個(gè)關(guān)鍵因素，溫度越低產(chǎn)生未熔合的傾向性就越大。汽車鋁合金型材制件焊接時(shí)，其外部環(huán)境溫度最好保證在15℃以上[7]，這和3.3.2節(jié)中裂紋缺欠的控制是相呼應(yīng)的。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，鋁合金型材制件在國(guó)內(nèi)乘用車上的應(yīng)用仍處于一個(gè)快速增長(zhǎng)的階段。鋁合金型材要實(shí)現(xiàn)在汽車上的高效、精準(zhǔn)匹配應(yīng)用，焊接技術(shù)特別是與其直接相關(guān)的焊縫質(zhì)量控制技術(shù)將是達(dá)成上述目標(biāo)的關(guān)鍵。焊縫質(zhì)量控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用需要充分考慮材料、結(jié)構(gòu)以及工藝間的相互影響與制約關(guān)系，并基于實(shí)際焊接生產(chǎn)中每類常見質(zhì)量缺欠產(chǎn)生的原因、機(jī)理和特點(diǎn)，制定出合適的、可行的解決措施與應(yīng)對(duì)策略，以便為下一步各種高性能鋁合金型材制件的快速開發(fā)、應(yīng)用提供有效的連接技術(shù)保證。