孫文剛

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，吉林 吉林 132021）

為了有效地解決能源短缺和環(huán)境污染的問題，在汽車制造生產(chǎn)領(lǐng)域當中，采用鋁合金輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢。在當前汽車行業(yè)發(fā)展的過程中，經(jīng)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(fā)展的主要影響因素。6061鋁合金材料可廣泛應(yīng)用于汽車的車體加工和制造，與傳統(tǒng)鋼材料相比，6061鋁合金材料無論是熱傳導率、線性膨脹系數(shù)，還是焊接后容易出現(xiàn)軟化的問題，都對其焊接技術(shù)提出了更高的要求[1]。因此，當前該領(lǐng)域研究人員將對6061鋁合金材料焊接工藝的優(yōu)化聯(lián)合創(chuàng)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(jié)構(gòu)[2]。通常情況下，將該材料應(yīng)用到實際生產(chǎn)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(chǎn)生材料的軟化現(xiàn)象，影響材料本身的力學性能，最終導致產(chǎn)品的質(zhì)量下降。因此，基于上述問題，為進一步提高6061鋁合金材料應(yīng)用下產(chǎn)品制造質(zhì)量，本文開展6061鋁合金材料焊接變形與控制技術(shù)研究。

1 6061鋁合金材料焊接變形控制技術(shù)設(shè)計

1.1 6061鋁合金材料焊接變形參數(shù)分析

為實現(xiàn)對6061鋁合金材料在焊接過程中發(fā)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(shù)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(jié)構(gòu)分析。在焊接過程中發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(shù)分析時，分為考慮軟化現(xiàn)象和不考慮軟化現(xiàn)象兩種情況。當焊接過程中出現(xiàn)軟化特征參數(shù)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(qū)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(qū)域的軟化程度是否會隨著焊接縫中心位置不同而發(fā)生改變時，假設(shè)其軟化的程度均相同。除此之外，在分析過程中，還需要假設(shè)軟化區(qū)域與非軟化區(qū)域存在突變的可能。根據(jù)上述假設(shè)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(xiàn)象的6061鋁合金材料強度變化曲線；B表示為考慮軟化現(xiàn)象的6061鋁合金材料強度變化曲線；F表示為焊接縫區(qū)域；E表示為受到熱影響區(qū)域。從圖1中可以看出，在焊接縫區(qū)域F和受熱影響區(qū)域E當中，在考慮軟化現(xiàn)象時，溫度變化焊縫區(qū)域與熱影響區(qū)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(xiàn)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(xiàn)象的變化幅度，并且二者相比，考慮軟化現(xiàn)象得出的變形參數(shù)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(xiàn)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(xiàn)不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力變化，進而造成6061鋁合金材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(fā)生的晶粒組織轉(zhuǎn)變也會在一定程度上引起體積的變化，進而造成焊件出現(xiàn)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(shù)分析的基礎(chǔ)上，針對其變形特點，對該材料在焊接過程中出現(xiàn)的焊接變形現(xiàn)象，提出相應(yīng)的控制技術(shù)。自然狀態(tài)下的6061鋁合金材料板件表面會形成一層致密的氧化膜結(jié)構(gòu)，在焊接時會在焊縫位置產(chǎn)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(xiàn)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(shù)具有清洗效果好、成本低等優(yōu)勢，因此基于這一優(yōu)勢，利用超聲波清洗技術(shù)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(shè)備選用DK-2540D型號超聲波清洗設(shè)備，該型號超聲波清洗設(shè)備的清洗頻率為26KHz～45KHz，選用底側(cè)或三側(cè)超聲，將該設(shè)備應(yīng)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(shè)備產(chǎn)生的沖擊波超強大氣壓對焊件表面的雜質(zhì)吸附，并確保雜質(zhì)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(chǎn)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(zhì)脫出。綜合該型號清洗設(shè)備的性能，在對不同規(guī)格焊件清洗時，可將清洗時間控制在5min～10min范圍以內(nèi)，同時應(yīng)當控制在設(shè)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(yōu)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(shù)，進一步降低出現(xiàn)焊縫氣孔的可能，從而確保焊接時不會出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象。

1.3 調(diào)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(chǎn)生許多結(jié)構(gòu)截面對稱的形狀，因此在焊接時，對焊接點的布置也應(yīng)當是對稱的。但由于在焊接后，會出現(xiàn)一定的彎曲或扭曲變形，其產(chǎn)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(chǎn)生，影響焊接質(zhì)量，可從一下幾點對裝配順序和焊接順序進行調(diào)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(diào)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(yīng)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(xiàn)出無拘束的收縮狀態(tài)，并且確保焊接縫的方向是由內(nèi)向外的，并且由中間向兩端延伸。再次，針對“Y”型坡口結(jié)構(gòu)不可以出現(xiàn)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(jié)構(gòu)應(yīng)當采用對稱焊接方式，從結(jié)構(gòu)兩端同時實施焊接，以此將各個焊接縫產(chǎn)生的變形相互抵消。同時，在實際焊接的過程中應(yīng)當盡可能避免工件出現(xiàn)多次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)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(diào)整，確保將6061鋁合金材料的焊接變形控制在標準范圍以內(nèi)。

2 應(yīng)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(shù)，為進一步驗證該技術(shù)在實際工藝加工當中的應(yīng)用效果，開展如下應(yīng)用驗證分析。選擇以某汽車加工項目為例，其底架結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)，在實施后均未出現(xiàn)6061鋁合金材料出現(xiàn)變形的問題，并且加工尺寸均滿足實際要求，未發(fā)生任何異常。表1為焊接過程中，焊接結(jié)構(gòu)的參數(shù)測量結(jié)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(shù)的應(yīng)用下，6061鋁合金材料焊接變形量均在可允許誤差范圍以內(nèi)，說明焊接后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。因此，通過上述應(yīng)用驗證進一步說明，本文提出的控制技術(shù)在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對6061鋁合金材料焊接變形的有效控制，實現(xiàn)更加有效的產(chǎn)品加工質(zhì)量控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，為生產(chǎn)加工企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)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(xiàn)的變形問題進行分析，并以此為依據(jù)，提出一種全新的控制技術(shù)，將其應(yīng)用于實際案例當中證明了該技術(shù)的應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)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(xù)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(shù)。