鋁合金焊接技術(shù)在壁厚差較大鑄件中的應(yīng)用

【摘要】由于我國鑄造水平所限，一些壁厚差較大的鋁合金鑄件在鑄造后容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，實(shí)踐中可采用鋁合金焊接技術(shù)來改善鑄件的質(zhì)量，確保其正常使用。本文以鋁合金俯仰軸鑄件為例，介紹了壁厚差較大鑄件受鑄造工藝影響而出現(xiàn)的質(zhì)量問題，提出為解決其質(zhì)量問題的焊接工藝方案，并討論了焊接的關(guān)鍵技術(shù)與控制要點(diǎn)，為改善壁厚差較大鋁合金鑄件的質(zhì)量提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋁合金；焊接；鑄件；應(yīng)用

前言

由于鑄造工藝有限，使得鋁合金鑄件如果壁厚差較大就會容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，通常的做法是用焊接技術(shù)作為改善鑄件質(zhì)量的重要手段，而對于這類鋁合金鑄件來說焊接技術(shù)的運(yùn)用是否得當(dāng)直接影響焊接的質(zhì)量，因此本文以光電行業(yè)常見的鋁合金俯仰軸鑄件為例探討焊接技術(shù)在壁厚差較大鑄件中的實(shí)際應(yīng)用情況是十分必要的。

1、壁厚差較大鋁合金鑄件質(zhì)量問題的提出

俯仰軸作為光電經(jīng)緯儀中的重要部件其結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)為ZL104鋁合金，從圖1中可以看出此鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，俯仰球體是薄壁結(jié)構(gòu)，而兩端的電機(jī)軸和旋變軸壁厚較大，其壁厚已經(jīng)達(dá)到30cm以上，薄壁結(jié)構(gòu)與兩側(cè)軸體的結(jié)合部位壁厚差較大，具有這樣較大壁厚差的鋁合金鑄件在鑄造過程中受到工藝水平所限使得其質(zhì)量常存在較大缺陷，如氣孔、夾渣、砂眼、蜂窩等，這些質(zhì)量缺陷大多存在于壁厚差較大的結(jié)合部位，成品合格率極低，為提高鑄造質(zhì)量，加工單位普遍采用特殊石墨輔助的方法進(jìn)行鑄造，雖然成品質(zhì)量大為提高，然而大部分的產(chǎn)品精度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足光電行業(yè)的精度要求，即便個(gè)別產(chǎn)品合格，但無法滿足光電產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)對數(shù)量的要求，為解決這一難題，減少由于質(zhì)量問題導(dǎo)致的損失量并提高成品率，可將焊接技術(shù)引入到壁厚差較大鋁合金鑄件的制造中來。

2、壁厚差較大鋁合金鑄件焊接工藝方案

焊接技術(shù)在零件制造中由于設(shè)計(jì)自由度較大、精度較高的特點(diǎn)，同時(shí)對零部件的壁厚差適應(yīng)性較強(qiáng)，因此在鑄造工藝無法保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，將焊接技術(shù)引入到產(chǎn)品制造中來為壁厚差較大鋁合金鑄件的生產(chǎn)提供了新的思路，以俯仰軸為例，討論焊接工藝的具體方案，如下：（1）由于俯仰軸結(jié)構(gòu)包括俯仰球體、電機(jī)軸和旋變軸三個(gè)大部分，其中俯仰球體為薄壁空心結(jié)構(gòu)，而電機(jī)軸和旋變軸壁厚較大，增加鑄造的難度，因此可將這三部分從整體上拆分開來，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變?yōu)槿齻€(gè)簡單的零件，俯仰球體仍然采用鑄造工藝，并按照圖紙中電機(jī)軸和旋變軸的部位增加鑄造用于焊接的定位結(jié)構(gòu)。（2）電機(jī)軸和旋變軸三個(gè)零部件分別采用LY12-CZ硬鋁棒材料先做預(yù)加工，并在欲與俯仰球體焊接的部位留出加工余量。（3）按照設(shè)計(jì)圖紙的要求，將預(yù)制好的電機(jī)軸和旋變軸焊接在俯仰球體的指定部位，要求控制好焊接工藝參數(shù)，以確保焊接后整個(gè)零件的尺寸和精度符合設(shè)計(jì)要求。（4）焊接完畢后對焊點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)打磨，以使其光滑。

3、壁厚差較大鋁合金鑄件關(guān)鍵技術(shù)及控制要點(diǎn)

對于壁厚差較大的鋁合金鑄件焊接工藝，需要控制的技術(shù)要點(diǎn)包括如何確保焊接后的鋁合金結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到整體鑄造強(qiáng)度的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以及如何控制和減輕在焊接過程中造成的零件變形情況，以便使焊接后的零件達(dá)到設(shè)計(jì)的使用要求。

3.1焊接強(qiáng)度的保證與質(zhì)量控制要點(diǎn)。（1）由于電機(jī)軸與旋變軸采用的是LY12-CZ硬鋁合金材料，在強(qiáng)度上比傳統(tǒng)鑄造工藝的ZL104鋁合金要大。（2）要保證薄壁結(jié)構(gòu)與電機(jī)軸、旋變軸的焊接處留有足夠的定位孔，孔的外側(cè)制備成坡口，以便使焊接處采用內(nèi)外兩側(cè)分別施焊的方式，其中外側(cè)從坡口處要采用堆焊的方式將坡口焊滿，然后再從外側(cè)采用角焊縫的方式加強(qiáng)，再加上內(nèi)側(cè)采用角焊縫的焊接方式，從而確保焊接處的焊接強(qiáng)度。（3）根據(jù)計(jì)算得出，采用焊接工藝的電機(jī)軸和旋變軸與球體之間的接觸面積要比純鑄造工藝軸與球體的接觸面積大3倍左右，可知在滿焊的前提下壁厚差較大部位焊接工藝達(dá)到的強(qiáng)度要強(qiáng)于鑄造工藝。（4）為保證焊接強(qiáng)度，優(yōu)先選擇鎢極氬弧焊方法對零件施焊，具有焊接點(diǎn)致密、接頭強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)等特點(diǎn)。（5）經(jīng)試驗(yàn)表明，用傳統(tǒng)的HS311焊絲作為焊材進(jìn)行焊接其焊接接頭的強(qiáng)度無法達(dá)到要求，可采用與木材材質(zhì)相同的焊絲作為焊材，保證焊后接頭強(qiáng)度與木材相近，并控制好焊接條件，防止產(chǎn)生熱裂紋等現(xiàn)象。（6）在焊接之前，要對焊接處進(jìn)行清理，擦去表面的灰塵和油污，并去除表面氧化薄膜，以確保焊接后不會產(chǎn)生夾渣、氣孔、蜂窩等質(zhì)量缺陷。

3.2焊接變形的預(yù)防和減輕技術(shù)措施。（1）在采用鎢極氬弧焊時(shí)，為防止壁厚較大處焊接電流過大造成形變，可在施焊前對零件預(yù)熱至一定溫度后再進(jìn)行焊接作業(yè)，以減小起始焊接電流。（2）為使焊縫處不因應(yīng)力作用而發(fā)生形變，應(yīng)當(dāng)在焊接時(shí)采用對稱焊接的方式抵消應(yīng)力，最大程度保證焊接后軸體不發(fā)生偏心現(xiàn)象。（3）由于俯仰球體屬薄壁結(jié)構(gòu)，因此其剛度不大，如果直接焊接可能會發(fā)生輕微形變，因此可采用在其內(nèi)部支撐剛性較大的擋板等方式加強(qiáng)其整體剛度，減輕形變。（4）應(yīng)根據(jù)零件在工作中的受力情況以及焊縫的收縮情況確定焊接順序，應(yīng)先焊接工作中受力較大的部位，以均勻分布內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)對收縮量較大的焊縫應(yīng)先焊，保證其自由收縮。（5）為消除焊縫的殘余應(yīng)力，保證焊接后不發(fā)生形變，應(yīng)將焊接后的零件整體置于300℃高溫下回火不少于30分鐘，并在高溫爐內(nèi)自然冷卻。（6）對壁厚差較大鑄件的焊接工藝參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體鑄件的尺寸、壁厚差、形狀等經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)后確定，對于本文俯仰軸來說，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，最佳的焊接參數(shù)為：焊接電流：190～280A；鎢極直徑：3mm；氬氣流量：15～20L/min；噴嘴孔徑：10-12mm。

結(jié)束語

通過采用焊接工藝，并控制好焊接的技術(shù)要點(diǎn)，對壁厚差較大的鋁合金鑄件——俯仰軸進(jìn)行了加工，經(jīng)檢驗(yàn)，焊接后的鋁合金鑄件具有強(qiáng)度高、精度高、成品率高等特點(diǎn)，基本避免了在鑄造過程中壁厚差較大處發(fā)生的質(zhì)量缺陷，可見將焊接工藝與傳統(tǒng)鑄造工藝相結(jié)合，可有效解決壁厚差較大鑄件的質(zhì)量問題，并且工藝容易實(shí)現(xiàn)，適用于流水作業(yè)，對于壁厚差較大鋁合金鑄件的批量生產(chǎn)具有十分重要的意義。

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