真空壓鑄減震塔的工藝改善分析

聶小勇等發表于2020/11/4 9:12:20 真空壓鑄減震塔弧焊

原標題：真空壓鑄鋁合金減震塔在鋁車身上的應用

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行了分析，并對力學性能進行了評價。結果表明，提高鋁液密度，適當降低Mg含量，優化熱處理工藝參數等措施能提升減震塔的力學性能，改善后減震塔T7態平均屈服強度為128.92 MPa，抗拉強度為216.18 MPa，抗拉強度相比改善前提升12.14%，伸長率達到11.5%，相比改善前提升56.89%，密度為2.6821g/cm3，滿足設計使用要求。另外，采用ER4043焊絲和ER5356焊絲對減震塔焊接性能進行了評價，發現采用ER5356焊絲焊接接頭強度大于160 MPa，接頭效率達到76%，優于4043焊絲，滿足設計使用要求。

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，輕量化不僅促進汽車的節能環保，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、復雜化、薄壁化、高性能化”的要求發展。傳統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)由于鑄造性能優良，強度、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，強度剛度等要求，業內對減震塔SF36-T7熱處理態的一般要求為屈服強度＞120MPa，抗拉強度＞180MPa，伸長率＞10%(BS EN 1706-2010標準要求為：屈服強度＞120MPa，抗拉強度＞200MPa，伸長＞12%)，國內在真空壓鑄領域起步較晚，受制于材料和工藝等關鍵技術制約，能滿足要求進行批量生產的國內廠家較少。有研究者對真空壓鑄鋁合金減震塔等結構件的T5、T6態的強度和伸長率綜合性能提升進行了研究，也有研究者對真空壓鑄鋁合金底盤結構件的T6，T7態進行研究，T7態底盤件伸長率為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，對工藝改善過程進行了分析，并對減震塔性能進行了評價從而保證產品滿足設計使用要求。

1、減震塔設計

圖1為真空高壓鋁合金減震塔結構圖，采用薄壁一體化設計，整個零件質量為1.93 kg,壁厚為2.5～3.5 mm。輪廓尺寸為242 mm×249 mm×328 mm。設計要求減震塔本體T7態屈服強度＞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構圖

2、減震塔試制及改善措施

2.1 減震塔試制

對減震塔進行試制(改善前)，熱處理(熱處理條件：固溶460 ℃/120 min，時效180 ℃/120 min)后局部位置出現較為明顯的氣孔，見圖2，氣孔最大尺寸達到10 mm。成分檢測結果見表1，Mg含量稍超出要求，其他均滿足標準要求。在減震塔本體上進行取樣，進行力學性能測試，結果見表2，發現屈服強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減震塔對標件密度為2.6847 g/cm3，相對于寶馬對標件密度過低，不滿足要求。

式中，m₁為樣品在空氣中的質量；m₂為水和水杯的質量(試樣懸掛在水中不觸碰杯底)；m₀為水和水杯的質量；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生較大氣泡，導致不滿足使用要求。對圖2中的減震塔進行X-ray無損檢測，發現對應的起泡位置內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行:①優化模具設計，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優化熱處理工藝參數；④適當降低鋁液中的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進行了充型模擬，整個過程鋁液流動比較順暢，無明顯卷氣現象。

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。通過優化，得到較優熱處理參數:固溶460 ℃/150 min，時效200 ℃/180 min。

Mg含量適當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度，見圖4，本課題結合對強度性能的要求，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度關系圖

3、對改善后減震塔進行性能評價

3.1 減震塔本體力學性能檢測

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

圖4：減震塔取樣位置區域及拉伸檢測結果

表3：真空壓鑄鋁合金減震塔(改善后)本體取樣力學性能

3.2 焊接性能檢測

對減震塔本體取樣進行MIG焊接，焊絲采用ER4043和ER5356兩種焊絲，對焊接接頭進行拉伸測試和宏觀金相觀察。焊縫接頭的力學性能檢測結果見表4。可見，保留焊縫余高時，采用ER4043焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強度為150.93 MPa，接頭強度系數達到母材的69.82 %；采用ER5356焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強度為163.91 MPa，接頭強度系數達到母材的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度為149.67 MPa，接頭強度系數達到母材的69.23%，采用ER5356焊絲的焊縫接頭的平均抗拉強度為164.67 MPa，接頭強度系數達到母材的76.17%。可見，采用ER5356焊絲焊接比ER4043焊絲焊接接頭靜載工況下性能更優，采用ER5356焊絲能滿足焊接接頭強度系數大于70%的要求。從焊縫接頭拉斷形式看，當保留余高時，兩種焊絲焊接焊縫基本斷裂在熔合區，這可能是由于在鑄件熔合區Fe元素偏聚，形成了Al-Fe-Si等富Fe相，削弱接頭處熔合區的性能所致；當打磨掉焊縫余高時，兩種焊絲焊接焊縫基本斷在焊縫區，這是由于焊縫中心位置為最后凝固冷卻的位置，此處應力較大，偏析嚴重，沒有余高增強后，此處為最弱的區域。對鑄件焊接后的斷面氣孔進行了觀察，見圖7，可見兩種焊絲焊接后氣孔數量及尺寸相差不大，最大氣孔尺寸在0.5 mm左右，基本滿足使用要求，但也存在進一步優化的空間。