真空壓鑄減震塔的工藝改善分析

聶小勇等發(fā)表于2020/11/4 9:12:20 真空壓鑄減震塔弧焊

原標(biāo)題：真空壓鑄鋁合金減震塔在鋁車身上的應(yīng)用

摘要：針對全鋁弧焊平臺車型用真空高壓鋁合金減震塔，對其工藝改善過程進(jìn)行了分析，并對力學(xué)性能進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，提高鋁液密度，適當(dāng)降低Mg含量，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)等措施能提升減震塔的力學(xué)性能，改善后減震塔T7態(tài)平均屈服強(qiáng)度為128.92 MPa，抗拉強(qiáng)度為216.18 MPa，抗拉強(qiáng)度相比改善前提升12.14%，伸長率達(dá)到11.5%，相比改善前提升56.89%，密度為2.6821g/cm3，滿足設(shè)計使用要求。另外，采用ER4043焊絲和ER5356焊絲對減震塔焊接性能進(jìn)行了評價，發(fā)現(xiàn)采用ER5356焊絲焊接接頭強(qiáng)度大于160 MPa，接頭效率達(dá)到76%，優(yōu)于4043焊絲，滿足設(shè)計使用要求。

為了降低汽車尾氣排放和提升燃油效率，汽車輕量化越來越受到重視，輕量化不僅促進(jìn)汽車的節(jié)能環(huán)保，同時也會對汽車性能有所提升，其中鋁合金壓鑄件正向著“大型化、復(fù)雜化、薄壁化、高性能化”的要求發(fā)展。傳統(tǒng)鈑金件減震塔焊接需要7~8個件焊接而成，而鋁合金壓鑄減震塔只需一個件，輕量化效果明顯，同時能明顯提升車身剛度，減少工序，減小尺寸偏差。其中AlSi10MgMn(Silafont-36，簡稱SF36)由于鑄造性能優(yōu)良，強(qiáng)度、伸長率、焊接等綜合性能性能好等，在國外較早開始廣泛應(yīng)用，如寶馬5系，凱迪拉克ATS，奧迪A8等。綜合考慮車身滿足碰撞吸能，強(qiáng)度剛度等要求，業(yè)內(nèi)對減震塔SF36-T7熱處理態(tài)的一般要求為屈服強(qiáng)度＞120MPa，抗拉強(qiáng)度＞180MPa，伸長率＞10%(BS EN 1706-2010標(biāo)準(zhǔn)要求為：屈服強(qiáng)度＞120MPa，抗拉強(qiáng)度＞200MPa，伸長＞12%)，國內(nèi)在真空壓鑄領(lǐng)域起步較晚，受制于材料和工藝等關(guān)鍵技術(shù)制約，能滿足要求進(jìn)行批量生產(chǎn)的國內(nèi)廠家較少。有研究者對真空壓鑄鋁合金減震塔等結(jié)構(gòu)件的T5、T6態(tài)的強(qiáng)度和伸長率綜合性能提升進(jìn)行了研究，也有研究者對真空壓鑄鋁合金底盤結(jié)構(gòu)件的T6，T7態(tài)進(jìn)行研究，T7態(tài)底盤件伸長率為5%～9.1%。

本課題研究一款真空壓鑄鋁合金減震塔用于全鋁弧焊車身平臺車型，對工藝改善過程進(jìn)行了分析，并對減震塔性能進(jìn)行了評價從而保證產(chǎn)品滿足設(shè)計使用要求。

1、減震塔設(shè)計

圖1為真空高壓鋁合金減震塔結(jié)構(gòu)圖，采用薄壁一體化設(shè)計，整個零件質(zhì)量為1.93 kg,壁厚為2.5～3.5 mm。輪廓尺寸為242 mm×249 mm×328 mm。設(shè)計要求減震塔本體T7態(tài)屈服強(qiáng)度＞120MPa，抗拉＞180MPa，伸長率＞10%，焊接接頭效率＞70%。采用高真空壓鑄工藝，真空度＜500 Pa。

圖1：真空高壓鋁合金減震塔結(jié)構(gòu)圖

2、減震塔試制及改善措施

2.1 減震塔試制

對減震塔進(jìn)行試制(改善前)，熱處理(熱處理條件：固溶460 ℃/120 min，時效180 ℃/120 min)后局部位置出現(xiàn)較為明顯的氣孔，見圖2，氣孔最大尺寸達(dá)到10 mm。成分檢測結(jié)果見表1，Mg含量稍超出要求，其他均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在減震塔本體上進(jìn)行取樣，進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表2，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度和抗拉均滿足要求，但伸長率只有7.33 %，不滿足要求；另外，通過排水法測量減震塔本體樣品的密度，見下式，測得密度為2.6214 g/cm3，同樣通過下述方法測量寶馬SF36減震塔對標(biāo)件密度為2.6847 g/cm3，相對于寶馬對標(biāo)件密度過低，不滿足要求。

式中，m₁為樣品在空氣中的質(zhì)量；m₂為水和水杯的質(zhì)量(試樣懸掛在水中不觸碰杯底)；m₀為水和水杯的質(zhì)量；ρ₀為水的密度。

表1：真空高壓鋁合金減震塔(改善前)成分表 %

圖2：真空高壓鋁合金減震塔(改善前)表面氣孔

表2：真空高壓鋁合金減震塔(改善前)本體取樣力學(xué)性能

2.2 問題原因分析

減震塔的伸長率較低和熱處理后局部表面產(chǎn)生較大氣泡，導(dǎo)致不滿足使用要求。對圖2中的減震塔進(jìn)行X-ray無損檢測，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的起泡位置內(nèi)部有明顯的氣孔缺陷，見圖3。對于氣泡的控制，可以通過以下幾方面進(jìn)行:①優(yōu)化模具設(shè)計，減少充型過程中的卷氣量，②降低澆注溫度，增加鋁液密度。提高伸長率可以通過：③優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)；④適當(dāng)降低鋁液中的Mg含量。

圖3：真空高壓鋁合金減震塔(改善前)X-ray檢測

2.3 減震塔改善措施

對減震塔的充型過程用Magma進(jìn)行了充型模擬，整個過程鋁液流動比較順暢，無明顯卷氣現(xiàn)象。

圖4：減震塔模流仿真圖

控制保溫爐中鋁液密度＞2.64 g/cm3，鋁液含渣量K≤0.1。通過優(yōu)化，得到較優(yōu)熱處理參數(shù):固溶460 ℃/150 min，時效200 ℃/180 min。

Mg含量適當(dāng)降低有助于提升真空鋁合金壓鑄件的伸長率，但同時會降低屈服強(qiáng)度，見圖4，本課題結(jié)合對強(qiáng)度性能的要求，將Mg含量將至0.3%。

圖4：SF36真空鋁壓鑄件Mg含量與伸長率及屈服強(qiáng)度關(guān)系圖

3、對改善后減震塔進(jìn)行性能評價

3.1 減震塔本體力學(xué)性能檢測

對減震塔本體取樣進(jìn)行樣品密度和力學(xué)性能檢測，見圖4和表3。可見減震塔本體平均屈服強(qiáng)度為128.92 MPa，抗拉強(qiáng)度為216.18 MPa，伸長率達(dá)到11.5%，滿足設(shè)計使用要求。減震塔本體平均密度達(dá)到2.6812 g/cm3，與同樣方法測量得到的寶馬SF36減震塔對標(biāo)件密度2.6847 g/cm3基本一致。

圖4：減震塔取樣位置區(qū)域及拉伸檢測結(jié)果

表3：真空壓鑄鋁合金減震塔(改善后)本體取樣力學(xué)性能

3.2 焊接性能檢測

對減震塔本體取樣進(jìn)行MIG焊接，焊絲采用ER4043和ER5356兩種焊絲，對焊接接頭進(jìn)行拉伸測試和宏觀金相觀察。焊縫接頭的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4?？梢?，保留焊縫余高時，采用ER4043焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強(qiáng)度為150.93 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的69.82 %；采用ER5356焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強(qiáng)度為163.91 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的75.82%；打磨掉焊縫余高時，采用ER4043焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強(qiáng)度為149.67 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的69.23%，采用ER5356焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強(qiáng)度為164.67 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到母材的76.17%?？梢姡捎肊R5356焊絲焊接比ER4043焊絲焊接接頭靜載工況下性能更優(yōu)，采用ER5356焊絲能滿足焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)大于70%的要求。從焊縫接頭拉斷形式看，當(dāng)保留余高時，兩種焊絲焊接焊縫基本斷裂在熔合區(qū)，這可能是由于在鑄件熔合區(qū)Fe元素偏聚，形成了Al-Fe-Si等富Fe相，削弱接頭處熔合區(qū)的性能所致；當(dāng)打磨掉焊縫余高時，兩種焊絲焊接焊縫基本斷在焊縫區(qū)，這是由于焊縫中心位置為最后凝固冷卻的位置，此處應(yīng)力較大，偏析嚴(yán)重，沒有余高增強(qiáng)后，此處為最弱的區(qū)域。對鑄件焊接后的斷面氣孔進(jìn)行了觀察，見圖7，可見兩種焊絲焊接后氣孔數(shù)量及尺寸相差不大，最大氣孔尺寸在0.5 mm左右，基本滿足使用要求，但也存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。