铝合金轮毂冲压焊接工艺研究_侯立群

DOI ：10.14024/j.cnki.1004-244x.20161028.001

第39卷第6期兵器材料科学与工程

Vol.39No.6网络出版时间：2016-10-28 10:12:30

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1331.TJ.20161028.1012.002.html

铝合金轮毂冲压焊接工艺研究

侯立群1，李素梅1，卫志刚2，陈东高1，王旭东1

（1. 中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波315103；2. 巴彦淖尔市农牧业科学院，内蒙古巴彦淖尔015000）摘要分别采用卷制工艺、冲压工艺和机械加工工艺制备铝合金轮毂的轮缘、轮辐和轮毂，将其焊接成铝合金轮毂，进行检验和测试。结果表明：705合金在退火、固溶处理状态下都有软化倾向，可进行后续的轮缘卷制和轮辐冲压；焊接接头的母材热影响区晶粒粗大，焊缝区为等轴晶组织；焊缝区的断裂方式为延性断裂；铝合金轮毂的显微组织致密，纵向组织中未溶解相沿板材轧制方向分布且结构明显，横向组织中各向异性较小；铝合金轮毂的抗拉强度R m 为400~515MPa 、屈服强度R p0.2为330~450MPa 、伸长率A 为9%~17%。中图分类号TG457.14

文献标志码A

关键词铝合金轮毂；冲压焊接；焊接结构；焊接方式；显微组织；力学性能。

文章编号1004-244X （2016）06-0070-05

（1.Ningbo Branch of Chinese Academy of Ordnance Science ，Ningbo 315103，China ；（2.Academy of Agricultural and Animal Sciences ，Bayannaoer 015000，China ）

Abstract The aluminum alloy wheel⁃hubwas manufactured by welding with crimpling for rim ，stamping for spoke and machining and solution treatment 705alloys. The grains in the heat affect zone of the welding joints are coarse ，while fine equiaxed grains for hub ，and relevent examinations and tests were carried out. The results show that softening effect is found both for annealing are distributed in welding zone. The fracture mode of the welding joint is ductile failure. The microstructure of the aluminum alloy wheel⁃hubis fine and dense ，the undissoluted phases are distributed along the longitudinal rolling direction and the anisotropic ultimate tensile strength 400⁃515MPa ，yielding strength 330⁃450MPa and elongation rate 9%⁃17%.mechanical property

microstructure is not obvious on the transverse section. The mechanical properties of aluminum alloy wheel⁃hubare as follows ：Keywords aluminum alloy wheel ⁃hub ；stamping and welding process ；welding structure ；welding process ；microstructure ；

HOU Liqun 1，LI Sumei 1，WEI Zhigang 2，CHEN Donggao 1，WANG Xudong 1

Stamping and welding process of aluminum alloy wheel⁃wheel ⁃hub

铝合金轮毂作为整车行驶部分的主要承载件，是

整车性能最重要的安全部件［1］。铝合金轮毂性能的好坏，直接取决于其制造工艺。铝合金轮毂的制造工艺主要有铸造、锻造、旋压和冲压焊接等。铸造工艺是铝合金轮毂最为普遍的成形工艺，具有品种多样、适应性强、生产成本低等优点。锻造工艺和旋压工艺作为高档铝合金轮毂的成形工艺，具有强度高、韧性好、抗疲劳等优点，尤其是旋压工艺还具有不受尺寸限制、节省材料的特点，但锻造工艺和旋压工艺的制造工艺复杂、生产成本较高［2-5］。冲压焊接工艺是一种力学性能、制造成本介于铸造和锻造及旋压工艺之间的成形工艺。近年来，国内对铝合金轮毂铸造、锻造和旋压工艺的报道较多，但对冲压焊接工艺的报道乏善可陈。

目前，国内在汽车铝合金轮毂的生产和应用方面已经初具规模，在其生产数量上可谓大国，但在生产水平上并非强国。汽车铝合金轮毂的生产多采用金属型

收稿日期：2016-08-25；修回日期：2016-10-21

或低压铸造工艺，在质量和性能方面还存在一些问题，

只能用于普通轿车，若要用于高速和重载汽车，在性能方面还有待提高。作者开展铝合金轮毂冲压焊接工艺研究的主要工作包括3方面：1）分别采用卷制、冲压和机械加工工艺制备铝合金轮毂的轮缘、轮辐和轮毂；2）对轮缘与轮辐、轮辐与轮毂的焊接工艺进行试验研究；3）对采用冲压焊接工艺制备的铝合金轮毂进行检验和测试。本研究工作可提高国内铝合金轮毂的设计及制造水平，弥补国内在铝合金轮毂成形技术方面的一项空白。

1试验

1.1试验合金

试验用705合金的化学成分，如表1所示。试验用5A56合金焊丝的化学成分，如表2所示。试验合金的热处理方案，如表3所示。

作者简介：侯立群，男，研究员；从事有色金属应用研究。联系电话：0574-87902209；E-mail ：[email protected]。

第6期

侯立群等：铝合金轮毂冲压焊接工艺研究

表1试验用705合金的化学成分

a —全貌

71

Table 1Chemical composition of experimental 705aluminum alloy

成分Mg 质量分数/%1.20~1.70成分Zr

质量分数/%0.15~0.25

b —放大图

表25A56合金焊丝的化学成分

Table 2Chemical composition of 5A56alloy welding wire 成分Mg 质量分数/%5.5~6.5成分Ti

质量分数/%0.10~0.18图1铝合金轮毂的焊接结构

1.3.3焊接缺陷解决措施

2a ）改为V 型坡口改为可实现一EBW ）焊接［7］，其工艺185~245mA ，焊1层，焦点为Fig.1Welding structure of aluminum alloy wheel⁃hub

b —V 型

8

0°

层，氩气流量为20L/min，焊丝直径为1.5mm 。1.3焊接铝合金轮毂1.3.1焊接结构

铝合金轮毂的轮缘与轮辐、轮辐与轮毂的焊接结构，如图1所示。1.3.2焊接工艺

从保证焊接质量、提高焊接效率、降低焊接成本等方面考虑［6］，铝合金轮毂的轮缘与轮辐、轮辐与轮毂采用钨极惰性气体保护电弧焊（TIG ）焊接，焊接工艺：焊接电流为340~380A ，焊接速度为6~8cm/min，焊接层数为2层，氩气流量为20L/min，钨极直径为4mm ，焊丝直径为4mm 。

））

钨极伸出长度由10~12mm/min降至2.1.1焊接材料

5A56合金焊丝和焊缝的化学成分，如表4所示。可见，5A56合金焊丝在焊接过程中烧损轻微，Zn 含量偏高，Mg 含量偏低，Mn 、Zr 、Ti 、Cr 变化不大。

表45A56合金焊丝和焊缝的化学成分（质量分数/%）Table 4Chemical composition of 5A56alloy welding wire and

weld joint （mass fraction/%）

成分Zn

焊丝0.866.50焊缝0.975.78成分Zr Ti

焊丝0.1000.138焊缝0.1200.126Mg

兵器材料科学与工程第39卷

2.1.2热处理

试验合金不同热处理方案的纵向力学性能，如表5所示。可见：合金在退火、固溶处理状态下都具有软化倾向；合金固溶处理后在室温下停置3个月，力学性能达不到人工时效处理的水平；合金固溶处理后立即人工时效（＜4h ）和停置5d 后人工时效的力学性能差别不大。

表5试验合金不同热处理方案的纵向力学性能

Table 5Longitudinal mechanical properties of experimental alloy

under different heat treatment processes

板材厚2.3焊接铝合金轮毂

2.3.1铝合金轮毂的焊接接头

轮缘对接焊接接头的显微组织，见图4。可见［9］：1）采用钨极惰性气体保护电弧焊焊接的轮缘对接接头包括焊缝区、熔合区和母材热影响区（图4a ）。

2）热影响区是焊接时未发生熔化、但受到焊接热量影响的母材部分。图4b 所示热影响区的晶粒变得粗大，原因是该区域焊接前的原始组织为变形的晶粒，焊接时将形成一个过热区，相当于经历了特殊的热处理，其显微组织会发生变化，虽然变形组织有所矫正，但晶粒仍变得粗大。

（热影响所示熔合区的组织只是局部

200×

其原因为：采用优化后的焊接电流，控制了熔深及正反面成形，提高了焊接质量；采用多层焊接，每层熔池的熔化金属体积较小，便于气泡逸出［8］。

200×

d —焊缝区

200×

图3轮缘对接接头的低倍组织

200×

Fig.3Macrostructure of butt joint of wheel⁃rim

图4轮缘对接焊接接头的显微组织Fig.4Microstructures of butt joint of wheel⁃rim

第6期侯立群等：铝合金轮毂冲压焊接工艺研究73

发生熔化后的液相和剩余的、局部未熔化的固相共存

的半熔合区，母材已完全发生熔化后成为焊缝的边缘部分、其成分仍与母材基本相同的未混合区。

4）焊缝区是充填金属及待连接的母材金属边缘受热熔化、产生的金属熔池冷却和凝固后形成的区域。图4d 所示的焊缝区为等轴晶，原因是金属熔池结晶有外延结晶和自由结晶两种方式：外延结晶是金属熔池内的液态金属依附尚未熔化的母材晶粒表面而析出固态晶粒并继续由母材向熔池内生长；自由结晶是金属熔池中含有难熔固态质点及Ti 、Zr 与铝化合而成的金属间化合物（TiAl

窝，“韧窝”孔、开裂时的集中加剧，当裂纹尖端的应变量达到其临界值，将发

生延性断裂［9］。铝合金轮毂采用的705合金具有较高的塑性，虽然焊接接头的力学性能下降明显，但断裂韧度仍然较高，所以其断裂方式属于延性断裂。

铝合金轮毂焊接接头的力学性能，如表6所示。可见，焊接接头T4、T6处理后的抗拉强度差别不大，但T6处理的屈服强度较高，T4处理的伸长率较高。结合表5中的数值可知，焊接接头的强度系数为0.8，达到了较高水平。

表6铝合金轮毂焊接接头的力学性能

图6焊接试样宏观形貌

c —焊缝区

图5焊接接头的断口形貌Fig.5Fracture morphologies of weld joint

b ）采用电子束焊接。仍采用Ⅰ型坡口，改用电子束焊接的显微组织，如图7所示。可见，采用电子束焊接的焊缝熔合良好，母材保持变形组织的特征。其原因在于电子束焊具有能量密度高、真空保护条件好、焊接速度大、热影响区小等特点［11］。

2）焊缝存在气孔试验初期，采用钨极惰性气体保护电弧焊对轮缘与轮辐进行焊接，焊缝中存在气孔（见图8中的“亮

Fig.6Welded sample

兵器材料科学与工程第39卷

部位的显微组织，见图11。可见，铝合金轮毂轮缘部位的显微组织致密，纵向组织中未溶解相沿板材轧制方向分布且结构明显，横向组织中各向异性较小。

铝合金轮毂不同部位的力学性能，如表7所示。可见，铝合金轮毂的抗拉强度R m 为400~515MPa 、

图7电子束焊接的显微组织

Fig.7点”）

的缺陷，熔池，熔池表面，后的焊缝X alloy wheel⁃hub

200×

wheel⁃rim

表7铝合金轮毂不同部位的力学性能

200×

Table 7Mechanical properties of different locations of wheel ⁃hub 部位轮缘轮辐轮毂部位轮缘轮辐轮毂

纵向

465~515/485430~435/430445~465/455R m /MPaR m /MPa

415~450/425350~370/360400~415/410横向R p 0. 2/MPaR p 0. 2/MPa

A /%11~12/12.014~15/14.59~12/10.0A /%15~17/15.516~17/16.514~16/15.5

图9采取改进措施后的焊缝Fig.9Weld joint after improvement

可见，焊缝中未见气孔缺陷。其原因在于：缩短钨极的伸出长度，增加了氩气对钨极的保护效果；降低焊接速度，减缓了焊接速度过快时空气阻力对氩气流的影响，或遇有侧向气流使氩气流偏离钨极和熔池。由此，消除了焊缝中存在的气孔缺陷。2.4冲压焊接铝合金轮毂

冲压焊接铝合金轮毂，见图10。铝合金轮毂轮缘

430~430/430405~410/405400~410/405

370~370/370330~335/330340~345/340

注：表中数值为最小值~最大值/平均值。

第39卷第6期兵器材料科学与工程

Vol.39No.6网络出版时间：2016/10/1816:23:45网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1331.TJ.20161018.1623.012.html

一种装甲用防弹钢板的研究与应用

彭宾

（山钢股份济南分公司，山东济南250101）

摘要设计并制造一种厚度为5~16mm 、布氏硬度值为（480~530）HBW 的高强度防弹钢板，设计其化学成分、工艺流程、热处理工艺参数，同时充分考虑冲击韧性对钢板抗侵彻能力的影响。结果表明，钢板具有硬度高、抗子弹侵彻能力强、性能均匀等优点，具备优异的防弹功能。

关键词装甲；防弹钢板；抗侵彻；调质；布氏硬度中图分类号TJ01

文献标志码A

文章编号1004-244X （2016）06-0075-03

Research and application of a bulletproof steel plate for armor

（Ji′nanBranch ，Shandong Steel Co. Ltd ，Ji′nan250101，China ）

Abstract By designing the chemical composition ，technological process and heat treatment parameters ，and taking the influence hardness ，high anti⁃bulletpenetration capability and performance uniformity.

of impact toughness on penetration resistance into full consideration ，the high strength armor steel plate with hardness between Keywords Key words armor ；bulletproof plate ；resistance to penetration ；quenching &tempering ；Brinell hardness

PENG Bin

480⁃530and thickness between 5⁃16mm was designed and produced. The produced steel plate has such advantages as high

装甲防护是坦克装甲车辆在战场上生存的基础。现代战争中，坦克装甲车辆面临着敌方坦克炮、反坦克

收稿日期：2016-05-19；修回日期：2016-09-28

导弹、肩扛式反坦克武器、反坦克手榴弹、简易爆炸装

置、电磁武器、高功率微波武器等各种反装甲武器全方

作者简介：彭宾，男，工程师，学士；主要从事钢板的热处理生产与技术研发工作。E-mail ：[email protected]。

屈服强度R p0.2为330~450MPa 、伸长率A 为9%~17%，

高于国内采用6061合金和锻造工艺制造的铝合金轮毂的力学性能（R m ≥290MPa 、A ≥9%）。

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2012（24）：208.

3结论

1）705合金在退火、固溶处理状态下都具有软化倾向，可进行后续的轮缘卷制和轮辐冲压。

2）焊接接头的母材热影响区晶粒粗大，熔合区的组织形态不均匀，焊缝区为等轴晶组织；焊缝区的断裂方式为延性断裂。

3）铝合金轮毂的显微组织致密，纵向组织中未溶解相沿板材轧制方向分布且结构明显，横向组织中各向异性较小。

4）铝合金轮毂的抗拉强度R m 为400~515MPa 、屈服强度R p0.2为330~450MPa 、伸长率A 为9%~17%。

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