真空压铸减震塔的工艺改善分析

聂小勇等发表于2020/11/4 9:12:20 真空压铸减震塔弧焊

原标题：真空压铸铝合金减震塔在铝车身上的应用

摘要：针对全铝弧焊平台车型用真空高压铝合金减震塔，对其工艺改善过程进行了分析，并对力学性能进行了评价。结果表明，提高铝液密度，适当降低Mg含量，优化热处理工艺参数等措施能提升减震塔的力学性能，改善后减震塔T7态平均屈服强度为128.92 MPa，抗拉强度为216.18 MPa，抗拉强度相比改善前提升12.14%，伸长率达到11.5%，相比改善前提升56.89%，密度为2.6821g/cm3，满足设计使用要求。另外，采用ER4043焊丝和ER5356焊丝对减震塔焊接性能进行了评价，发现采用ER5356焊丝焊接接头强度大于160 MPa，接头效率达到76%，优于4043焊丝，满足设计使用要求。

为了降低汽车尾气排放和提升燃油效率，汽车轻量化越来越受到重视，轻量化不仅促进汽车的节能环保，同时也会对汽车性能有所提升，其中铝合金压铸件正向着“大型化、复杂化、薄壁化、高性能化”的要求发展。传统钣金件减震塔焊接需要7~8个件焊接而成，而铝合金压铸减震塔只需一个件，轻量化效果明显，同时能明显提升车身刚度，减少工序，减小尺寸偏差。其中AlSi10MgMn(Silafont-36，简称SF36)由于铸造性能优良，强度、伸长率、焊接等综合性能性能好等，在国外较早开始广泛应用，如宝马5系，凯迪拉克ATS，奥迪A8等。综合考虑车身满足碰撞吸能，强度刚度等要求，业内对减震塔SF36-T7热处理态的一般要求为屈服强度＞120MPa，抗拉强度＞180MPa，伸长率＞10%(BS EN 1706-2010标准要求为：屈服强度＞120MPa，抗拉强度＞200MPa，伸长＞12%)，国内在真空压铸领域起步较晚，受制于材料和工艺等关键技术制约，能满足要求进行批量生产的国内厂家较少。有研究者对真空压铸铝合金减震塔等结构件的T5、T6态的强度和伸长率综合性能提升进行了研究，也有研究者对真空压铸铝合金底盘结构件的T6，T7态进行研究，T7态底盘件伸长率为5%～9.1%。

本课题研究一款真空压铸铝合金减震塔用于全铝弧焊车身平台车型，对工艺改善过程进行了分析，并对减震塔性能进行了评价从而保证产品满足设计使用要求。

1、减震塔设计

图1为真空高压铝合金减震塔结构图，采用薄壁一体化设计，整个零件质量为1.93 kg,壁厚为2.5～3.5 mm。轮廓尺寸为242 mm×249 mm×328 mm。设计要求减震塔本体T7态屈服强度＞120MPa，抗拉＞180MPa，伸长率＞10%，焊接接头效率＞70%。采用高真空压铸工艺，真空度＜500 Pa。

图1：真空高压铝合金减震塔结构图

2、减震塔试制及改善措施

2.1 减震塔试制

对减震塔进行试制(改善前)，热处理(热处理条件：固溶460 ℃/120 min，时效180 ℃/120 min)后局部位置出现较为明显的气孔，见图2，气孔最大尺寸达到10 mm。成分检测结果见表1，Mg含量稍超出要求，其他均满足标准要求。在减震塔本体上进行取样，进行力学性能测试，结果见表2，发现屈服强度和抗拉均满足要求，但伸长率只有7.33 %，不满足要求；另外，通过排水法测量减震塔本体样品的密度，见下式，测得密度为2.6214 g/cm3，同样通过下述方法测量宝马SF36减震塔对标件密度为2.6847 g/cm3，相对于宝马对标件密度过低，不满足要求。

式中，m₁为样品在空气中的质量；m₂为水和水杯的质量(试样悬挂在水中不触碰杯底)；m₀为水和水杯的质量；ρ₀为水的密度。

表1：真空高压铝合金减震塔(改善前)成分表 %

图2：真空高压铝合金减震塔(改善前)表面气孔

表2：真空高压铝合金减震塔(改善前)本体取样力学性能

2.2 问题原因分析

减震塔的伸长率较低和热处理后局部表面产生较大气泡，导致不满足使用要求。对图2中的减震塔进行X-ray无损检测，发现对应的起泡位置内部有明显的气孔缺陷，见图3。对于气泡的控制，可以通过以下几方面进行:①优化模具设计，减少充型过程中的卷气量，②降低浇注温度，增加铝液密度。提高伸长率可以通过：③优化热处理工艺参数；④适当降低铝液中的Mg含量。

图3：真空高压铝合金减震塔(改善前)X-ray检测

2.3 减震塔改善措施

对减震塔的充型过程用Magma进行了充型模拟，整个过程铝液流动比较顺畅，无明显卷气现象。

图4：减震塔模流仿真图

控制保温炉中铝液密度＞2.64 g/cm3，铝液含渣量K≤0.1。通过优化，得到较优热处理参数:固溶460 ℃/150 min，时效200 ℃/180 min。

Mg含量适当降低有助于提升真空铝合金压铸件的伸长率，但同时会降低屈服强度，见图4，本课题结合对强度性能的要求，将Mg含量将至0.3%。

图4：SF36真空铝压铸件Mg含量与伸长率及屈服强度关系图

3、对改善后减震塔进行性能评价

3.1 减震塔本体力学性能检测

对减震塔本体取样进行样品密度和力学性能检测，见图4和表3。可见减震塔本体平均屈服强度为128.92 MPa，抗拉强度为216.18 MPa，伸长率达到11.5%，满足设计使用要求。减震塔本体平均密度达到2.6812 g/cm3，与同样方法测量得到的宝马SF36减震塔对标件密度2.6847 g/cm3基本一致。

图4：减震塔取样位置区域及拉伸检测结果

表3：真空压铸铝合金减震塔(改善后)本体取样力学性能

3.2 焊接性能检测

对减震塔本体取样进行MIG焊接，焊丝采用ER4043和ER5356两种焊丝，对焊接接头进行拉伸测试和宏观金相观察。焊缝接头的力学性能检测结果见表4。可见，保留焊缝余高时，采用ER4043焊丝的焊缝接头的平均抗拉强度为150.93 MPa，接头强度系数达到母材的69.82 %；采用ER5356焊丝的焊缝接头的平均抗拉强度为163.91 MPa，接头强度系数达到母材的75.82%；打磨掉焊缝余高时，采用ER4043焊丝的焊缝接头的平均抗拉强度为149.67 MPa，接头强度系数达到母材的69.23%，采用ER5356焊丝的焊缝接头的平均抗拉强度为164.67 MPa，接头强度系数达到母材的76.17%。可见，采用ER5356焊丝焊接比ER4043焊丝焊接接头静载工况下性能更优，采用ER5356焊丝能满足焊接接头强度系数大于70%的要求。从焊缝接头拉断形式看，当保留余高时，两种焊丝焊接焊缝基本断裂在熔合区，这可能是由于在铸件熔合区Fe元素偏聚，形成了Al-Fe-Si等富Fe相，削弱接头处熔合区的性能所致；当打磨掉焊缝余高时，两种焊丝焊接焊缝基本断在焊缝区，这是由于焊缝中心位置为最后凝固冷却的位置，此处应力较大，偏析严重，没有余高增强后，此处为最弱的区域。对铸件焊接后的断面气孔进行了观察，见图7，可见两种焊丝焊接后气孔数量及尺寸相差不大，最大气孔尺寸在0.5 mm左右，基本满足使用要求，但也存在进一步优化的空间。