铝镁硅合金焊接工艺研究

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(1.佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002；2.佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

铝及铝合金具有独特的物理化学性能，密度小，电阻率小，具有优异的低温性能和耐蚀性能以及较高的比强度(强度/密度)。电机转子制造中用铜量很大，价格昂贵，如果铜条转子改为铝合金，则可以大幅降低电机成本，同时也可以节省铜资源。经测算，铝合金端环结构的转子比铜端环节约一半以上的成本，因此铝合金转子端环及导条在电机中的应用是一个研究方向，铝合金转子端环与导条焊接工艺是这项技术的关键。本文主要对6082铝镁硅合金的焊接工艺进行分析。

1 焊接可行性分析

1.1 铝、铝合金、铜的性能比较

铝、铝合金及铜从性能上进行比较，铝合金的抗拉强度、屈服强度及电阻率都比铝及铜大，但铜的延伸率要比铝及铝合金大，具体性能比较见表1。

表1 铝、铝合金、铜的性能比较

1.2 6082铝合金焊接性分析

铝合金具有独特的物理化学性能,因此在焊接过程中会产生一系列的困难,主要有以下几点。

1.2.1 强的氧化能力

铝与氧的亲和力很强,为保证焊接质量,焊前必须严格清理焊件表面的氧化物,并防止在焊接过程中再氧化。为了保证焊接质量,焊前必须严格清理零件表面的氧化物,并防止在焊接过程中再氧化,对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护。

1.2.2 铝的热导率和比热

铝合金的导热系数大，导热快，须采用能量集中、功率大的热源，对于较厚部件需采用预热措施。

1.2.3 容易形成气孔

铝合金的液体熔池很容易吸收气体，在高温下熔入的大量气体，在由液态凝固时，熔解度急剧下降，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。

1.2.4 焊接接头容易软化

6082为热处理强化铝合金，由于焊接热的影响，焊接接头热影响区会出现软化，强度降低。因此应采用能量集中的焊接方法和小能量焊接，以减小接头强度降低。

1.2.5 熔化后无色泽变化

铝及铝合金焊接时由固态转变为液态时，没有明显的颜色变化，因此需掌握好焊接时的加热温度，尽量用平焊的方法焊接。

2 试验材料化学成分

本次试验时母材采用6082铝镁硅合金锻件，这种铝合金母材原始供货状态为铸锭，经过锻打，去除铸锭中心的疏松部分，其化学成分实际检测值见表2。

表2 母材6082铝合金化学成份(%)

本次试验时选取ER5356和ER4043作为焊接材料，并且在本次试验前对焊接材料的化学成分进行了检测，焊材化学成分的实测值与标准值对比详见表3。

表3 焊材化学成份(%)

3 试验内容及试验过程

试验内容有小试样TIG焊、性能试板TIG焊接、性能试板MIG焊、试板做射线检测及力学性能检测。

3.1 小试样TIG焊

先在小块试样上进行TIG焊试验,接头尺寸见图1，坡口表面用不锈钢钢刷去掉氧化膜，坡口背面衬以紫铜板，铜板上开槽，槽与坡口背面对齐，先调整焊接电流至150A，电流极性为交流，由于母材导热快、不熔化，当焊接电流调整至200A时，电弧加热处才熔化，此时开始填丝，铝丝直径为φ3mm,起初铝丝不熔合，形成一个小球，待母材温度继续升高之后小球消失，焊丝与母材熔合。

图1 小试件焊接接头

为减少热输入量，同时提高焊丝熔合速度，改用脉冲电流做试验，电流峰值调整到250～300A，基值电流150A，这时焊接成型明显改善，但焊接速度有所减慢。

通过小试件焊接得到铝合金TIG焊的初步经验：铝合金导热速度远大于碳钢、不锈钢，在同样的热输入条件下母材不易熔化，因此铝合金施焊时需先进行预热；由于铝合金的熔点低，焊接速度慢会使前几层焊道熔化，导致焊缝塌陷，所以焊接速度及层间温度不可过高；通过实际焊接可以发现焊丝ER4043形成的焊道比ER5356形成的焊道要光亮一些。

3.2 TIG焊接性能试板

为评定实际产品的力学指标，TIG焊接性能试板厚度40mm,坡口尺寸依据TIG焊枪喷嘴的大小设计，具体尺寸如图2所示。焊接方法：打底焊用脉冲TIG焊，峰值电流250～300A，基值电流150A，背面清根用旋转锉及铣床加工，填充及盖面采用交流电，电流200～250A，气体流量15L/min。

图2 TIG焊性能试板接头

3.3 MIG焊性能试板

试板坡口尺寸与TIG焊相同。焊接参数：焊丝直径：Φ1.2；氩气流量：20L/min；预热温度：100℃；层间温度：100℃～120℃；电流类型: 直流反接，有脉冲；焊接速度: 0.6m/min；干伸长: 15mm；操作技能要求: 前进法，不摆枪，焊枪工作角90°；行走角:20°；电流、电压:V型坡口，电流为211～235A，电压为24.4～25.8V;U型坡口电流为208～247A，电压为24.0～26.2V。

试板焊接前用电动钢丝刷进行清理，然后分别进行打底、填充及盖面焊接。

3.4 试件加工及力学性能测试

按标准要求对焊接试板进行切削加工，进行破坏性试验，分别取样对TIG焊接和MIG焊接试板进行检测，检测结果为MIG焊接试板的抗拉强度在215～220 MPa之间，断裂位置在母材及熔合线处，弯曲试验均合格；TIG焊接试板的抗拉强度在158～160 MPa之间，断裂位置在熔合线处，弯曲试验有部分试样不合格。

4 结语

从试验过程来看，铝合金导热速度快，无论用TIG焊还是MIG焊都需预热到100℃以上。但TIG焊焊接速度慢，导致工件温度较高，使接头热影响区容易软化，而MIG焊焊接速度快，效率高，母材温度相对较低，从破坏性检查来看，厚板MIG焊接头强度及塑性比TIG焊接头优越。另外铝合金焊接对操作者的要求比碳钢及不锈钢的难度大，需要一定的培训才能进行实际操作。从力学性能分析，铝合金转子接头强度远高于铸铝转子、略高于紫铜转子，但密度是紫铜的1/3，因此其运转的力学可靠性比铸铝转子及铜条转子优越。

[1] 傅积和，孙玉林. 焊接数据资料手册.北京:机械工业出版社,1994.6.

[2] 中国机械工程学会焊接学，焊接手册.机械工业出版社,2001.8.

[3] 黄旺福，黄金刚.铝及铝合金焊接指南 湖南科学技术出版社，2005.3.