【正文】 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 23 頁 212 WE30 液壓式萬能材料試驗機 彎曲 試樣尺寸為（ mm）： 300 10 6 彎曲試樣如圖 213 所示 圖 213 彎曲試樣示意圖 沖擊試驗 對 5052鋁合金 MIG焊焊接接頭進行沖擊試驗 ，沖擊試樣截取 6mm 10mm 55mm、開 V 型缺口。試驗在 WE30 液壓式萬能材料試驗機上進行。 圖 28 硬度打點示意圖 圖 29 HV10 顯微硬度計 拉伸試驗 對 5052 鋁合金 MIG 焊的焊接接頭進行室溫拉伸試驗。并據(jù)此計算壓痕凹印面積，維氏硬度是檢測力除以壓痕表面積所得的商 [26]。顯微硬度的檢測方法有很多種，最常用的主要是布氏硬度（ HB）、洛氏硬度（ HRC）、維氏硬度（ HV）。用硬度的變化可以粗略判斷性能的變化。對于金屬材料的硬度國內(nèi)外還沒有一個統(tǒng)一而明確的定義。采用 80 號到 1500 號砂紙依次手動磨光，在 P2 型拋光機上進行拋光，拋光劑為懸浮狀態(tài)的 Al2O3 溶液。 線能量的計算公式為： Q=IU/V 式中： I— 焊接電流 A U— 電弧電壓 V V— 焊接速度 cm/s Q— 線能量 J/cm 表 25 三組板的線能量 U（ V） I（ A） Q（ J／ cm） 1板 225 10445 2板 220 9486 3板 200 8660 焊接過程中電流電壓是變化的，上表線能量以最大值計算 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 19 頁 焊接完成后根據(jù)國家標(biāo)準或?qū)嶋H情況制取試樣，完成 拉伸、彎 曲、硬度、金相、微型剪切、沖擊等一系列試驗，對其進行數(shù)據(jù)分析。熔化極氬?。?MIG） 焊焊接鋁及其合金可采用短路過渡 、 射流過渡 、 脈沖過渡和大電流 MIG 焊。 表 23 焊接速度與電壓 電壓（ V） 25 28 30 32 35 40 小車位移（ cm） 30 30 30 40 30 30 時間（ s） 焊接 速度（ cm/min） 圖 24 電機電壓與焊接速度的線性關(guān)系圖 試驗方案 設(shè)計 熔化極氬弧焊已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種金屬結(jié)構(gòu)中，主要是用于焊接鋁合金、不銹鋼和一些低合金鋼和一些低合金鋼等。為了防止焊接過程中的變形，焊接時 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 17 頁 用 c 中的夾具夾緊鋁合金板。若收弧不當(dāng)容易產(chǎn)生弧坑并出現(xiàn)裂紋，氣孔等缺陷 [19]。 b）在工作平臺上擺好工件，并用夾具夾緊。墊板可采用石墨板、不銹鋼板、碳素鋼板、銅板或銅棒等。清洗過的試件不宜長時間放置，一般不超過 1 個小時。 試驗所用材料 5052 鋁合金的尺寸大小為 300mm150mm6mm。 其主要化學(xué)成分 及力學(xué)性能 如表 21 所示。在這種重復(fù)交變載荷下，容易使結(jié)構(gòu)件在低應(yīng)力下產(chǎn)生斷裂。 5052鋁合金廣泛應(yīng)用于制造飛機油箱，交通車輛及船舶鈑金件 。上述 4個參數(shù)控制較簡單，選擇適當(dāng)后，就可以得到質(zhì)量非常高的焊縫，因此大大降低了對技術(shù)員和操作者的依賴[11~18]。攪拌摩擦焊設(shè)備雖然一次投入成本比較大，一旦開始生產(chǎn)，其成本便很低。攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊后結(jié)構(gòu)的變形量和殘余應(yīng)力比熔化焊小得多。結(jié)果，特型焊針摩擦焊縫，破碎氧化膜，攪拌和重組攪拌頭后方的磨碎材料，攪拌頭后方的材料冷卻后就形成焊縫 [27~30]。在日本的大阪大學(xué)已研制了600KV， 300KW 的超高壓電子束熱源裝置，在日本、德國和俄羅斯等國還開展了填絲電子束焊工藝研究。 （ 2） 電子束焊，電子束焊是一種能量密度非常高，焊接效果特別好，適應(yīng)范圍遍及 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11 頁 各工業(yè)部門的現(xiàn)代焊接方法。現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位的是 CO2 激光焊，但由于鋁合金對長波長的激光反射率很高，同時， YAG激光器自身功率又在不斷提高， 因而短波長的 YAG 激光焊正在逐步替代長波長的CO2 激光焊，成為主要的鋁合金激光焊接技術(shù) [27]。焊絲伸長長度越長，焊絲的電阻越大，融化速度越快。提高焊接速度，單位長度上電弧給母材的熱量顯著減少，母材融化速度減慢。焊接電壓應(yīng)根據(jù)焊接電流的大小、保護氣體的成分、被焊材料的種類。當(dāng)焊絲直徑（保持相同的送絲速度），要求更高的焊接電流。采用等速送絲時，焊接速度是通過送絲速度來調(diào)節(jié)。 MIG 焊一般采用與母材成分相近的焊絲，有時為了改善焊接性、提高焊接接頭性能、采用與母 材不同的焊絲。 （ 4） 大電流時，為了保護熔池后面的焊道，可在雙層噴嘴后面再安裝附加噴嘴 [21~26]。 （ 2） 在中等焊接電流范圍內(nèi)（ 250~400A），可將弧長控制在噴射過渡區(qū)與短路過渡區(qū)之間，進行亞射流電弧焊接。這是因為在實際的電弧焊接中，鋁合金 MIG 焊接存在特有的困難，如：焊道易下垂；采用惰性氣體保護會使電弧不穩(wěn)定；容易產(chǎn)生氣孔及裂紋等焊接缺陷。焊接不同的材料時，噴射過渡的形態(tài)是不同的；低碳鋼、合金鋼及不銹鋼焊接時的噴射過渡呈流束狀，這種噴射過渡又叫做射流過渡；鋁及其合金焊接時的噴射過渡呈滴狀過渡。這種過渡工藝通常產(chǎn)生體積小兒快速凝固的焊接熔池，適合于薄板、全位置焊 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 8 頁 接和有較大底層間隙的搭橋焊。 焊熔滴過 渡特點 熔化極 氬弧焊是采用連續(xù)等速送進可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫的焊接方法。 （ 4） 對氧化膜不敏感，焊前幾乎無需去除氧化膜的工序。由于是連續(xù)送絲，允許使用的電流密度較高，熔深大，填充金屬熔敷速度快；沒有更換焊條工序，節(jié)省時間；用 于焊接厚度較大的鋁 、銅 、 鈦等有色金屬及其合金時生產(chǎn)率比鎢極氬弧焊高，焊件變形比鎢極氬弧焊小。焊 絲由送絲滾輪送進，在氬氣的完好保護下，與工件形成電弧，繼而形成熔池和焊縫，焊絲既是填充金屬，又是電極，而工件同時也是電極 [14]。因惰性氣體與液態(tài)金屬不發(fā)生冶金反應(yīng)，只起包圍焊接區(qū)使之與空氣隔離作用，所以電弧燃燒穩(wěn)定 ， 熔滴向熔池過度平穩(wěn)、安定、無激烈飛濺。焊補鑄鋁的焊絲一般與基體金屬成分相同；鋁及鋁合金在高溫時強度很低，液態(tài)鋁的流動性能好，在焊接時焊縫金屬容易產(chǎn)生下塌現(xiàn)象。 （ 4） 異種鋁材焊接時應(yīng)按耐蝕較高、強度高的母材選擇焊絲 [3~6]。鋁及鋁合金焊絲的選用除考慮良好的焊 接工藝性能外，按要求應(yīng)使焊接接頭的抗拉強度、塑性 (通過彎曲試驗 )達到規(guī)定要 求。 MIG 焊具有設(shè)備簡單，熔深大，焊接效率較高，焊接質(zhì)量好，焊接可達性好，適應(yīng)性好，對長、短曲線焊縫都能很好焊接且易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，當(dāng)前鋁合金的焊接生產(chǎn)尤其是中厚板構(gòu)件的焊接絕大多數(shù)都采用了 MIG 焊，為了減少焊接的熱輸入并有效地利用熱量，主要采用了脈沖 MIG 焊 [6~9]。 (1 ) 鋁及鋁合金具有極易氧化、容易生產(chǎn)氫氣孔、合金元素易蒸發(fā)和燒損的特點，這就要求采用保護效果好的焊接方法。鋁及鋁合金薄板可采用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈沖氬弧焊。氣焊和焊條電弧焊方法，設(shè)備簡單、操作方便。 （ 7）母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時，焊接熱會使熱影響區(qū)的強度下降。在焊接熔池凝固和 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 4 頁 快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔。在鋁硅合金中含硅 %時熱裂傾向較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。 （ 2） 鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。在焊接過程加強保護，防止其氧化。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 鋁合金焊接 鋁合金的焊接特點 鋁合金的焊接特點如下： （ 1） 鋁在空氣中及焊接時極易氧化，生成的氧化鋁（ Al2O3）熔點高、非常穩(wěn)定，不易去除。 （ 1） 按合金狀態(tài)及熱處理特點分為：可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金兩大類。為此，人們再純鋁中添加各種合金元素，以生產(chǎn)出滿足各種性能和用途的鋁合金。添加一定元素形成的鋁合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點的同時還能具有較高的強度，σ b 值分別可達 24～60kgf/mm2。鋁 合金的廣泛應(yīng)用促進了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又擴 展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點之一 [2]。 我國已經(jīng)建立了比較完整的鋁合金研究和生產(chǎn)體系，鋁及鋁合金材料產(chǎn)能達到 450 萬噸，實際綜合生產(chǎn)能力約 350 萬噸。 鋁合金是汽車上應(yīng)用得最快最廣的輕金屬，其中的關(guān)鍵在于鋁合金本身的性能 優(yōu)越 。焊縫的金相組織主要是 α（ Al） +β（ Mg2 Al3）主，且晶粒粗大，氣孔比其它區(qū)域多，并且很大。 。 鋁合金焊接工藝 、 材料和接頭強度研究在 “ 八五 ” 期間就被列為國家攻關(guān)項目 。本設(shè)計母材選用 5052 鋁合金，采用優(yōu)化的熔化焊工藝，選用合適的焊接材料，制備鋁合金焊接接頭，測試并分析接頭性能，并與 FSW 接頭性能進行比較。該設(shè)計的開展有利于學(xué)生深入掌握焊接工藝知識，掌握焊接接頭性能試驗測試分析方法，掌握焊接方法的選擇原則及工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法等，同時有利于培養(yǎng)學(xué)生動手能 力和獨立思考問題、解決問題的能力，加強了理論聯(lián)系實際，為其從事焊接工藝等設(shè)計開發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。 對于鋁合金的焊接方法眾多，但對于厚板的焊接， MIG 焊獨具優(yōu)勢：設(shè)備簡單，熔深大，焊接效率較高，焊接質(zhì)量好，焊接可達性好，適應(yīng)性好，對長、短曲線焊縫都能很好焊接且易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。拉伸試驗時，斷裂位置均在軟化區(qū)附近，斷口灰暗無光澤，有明顯的頸縮現(xiàn)象，為韌性斷裂。試驗結(jié)果表明，對于 5052 鋁合金的焊接，采用優(yōu)化的 MIG 焊工藝，焊接接頭性能比較良好。由于它具有高強高韌、高比強高比模、耐熱耐蝕等特性一直受到世界各國的普遍重視 。可生產(chǎn) l8 大類， 200多種鋁合金， 2400 多個品種， 14000 多種規(guī)格的鋁及鋁合金加工產(chǎn)品，基本能滿足國民經(jīng)濟需求，但高性能、大規(guī)模航空用預(yù)拉伸鋁合金板、高檔民用板帶箔材如特薄罐用鋁合金板、 PS 基版、高壓電子箔材等都達不到國際先進水平，尚不能滿足需要我國高性能鋁合金的研究開發(fā)和生產(chǎn)基本上是跟蹤國外技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 已能生產(chǎn)多種牌號的高性能鋁合金并用于我國航空航天工業(yè) [1]。 純鋁的密度?。é?=），大約是鐵 的 1/3，熔點低（ 660℃），鋁是面心立 方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ :32~40%，ψ :70~90%），易于加工，可制成各種型 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 2 頁 材、板材。這樣使得其“比強度”（強度與比重的比值σ b/ρ）勝過很多合金鋼，成 為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業(yè)等方面， 飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。鋁合金可加工成板、帶、條、箔、管、棒、型、線、自由鍛件和模鍛件等加工材，也可加工成鑄件、壓鑄件等鑄造材。 （ 2） 按合金性能和用途分為：工業(yè)純鋁，光輝鋁合金，切削鋁合金，耐熱鋁合金，低強度鋁合金，中強度鋁合金，高強度鋁合金（硬鋁），超高強度鋁合金（超硬鋁）。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾 渣、未熔合、未焊透等 缺陷 [5]。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通 過 陰極清理作用，去除氧化膜。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏 體不銹鋼的十幾倍。鋁焊接熔池凝固時容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。 （ 4） 鋁對光、熱的反射能力較強，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時判斷難。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。 （ 8） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細化晶粒。氣焊可用于對焊接質(zhì)量要求不高的鋁薄板及鑄件的補焊。鋁及鋁合金厚板可采用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈沖熔化極氣體保護焊。 (2)