鋁合金焊縫的電火花銑削工藝研究

郭豫鵬，宋云龍，韋東波，狄士春

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

鋁合金由于具有比強度高、密度小、耐腐蝕性好、易成形等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中。工業(yè)生產(chǎn)中，為滿足射線檢測、尺寸精度及外表美觀等要求，對鋁合金焊縫進行后處理的需求日趨廣泛。對于不規(guī)則焊縫，對其采用砂輪磨削方式處理，易造成凹坑和咬邊現(xiàn)象，會影響焊縫的力學(xué)性能。

電火花銑削加工是利用工具電極和工件之間的脈沖火花放電產(chǎn)生的能量來達到蝕除材料的目的。它不受被加工材料的物理力學(xué)性能影響，而與材料的導(dǎo)電性及其熱學(xué)性能，如熔點、沸點、熱導(dǎo)率、比熱容、電阻率等有關(guān)。鋁合金的導(dǎo)電性好，熔點、沸點低，比熱容小，因而采用電火花銑削技術(shù)對鋁合金焊縫進行處理具有很好的應(yīng)用前景。

1 試驗方法與裝置

焊縫銑削適用于滿足射線檢測和尺寸精度要求較高的場合，焊縫后處理還能減小焊接殘余應(yīng)力。本文分別采用電火花銑削和砂輪磨削兩種工藝方法，對鋁合金焊縫進行處理，并對處理后的焊縫進行力學(xué)性能、表面形貌和尺寸精度分析。

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用WS-250 TIG 焊設(shè)備。采用自主研發(fā)的電火花銑削加工電源，其原理見圖1，主振電路驅(qū)動IGBT，實現(xiàn)循環(huán)疊波式脈沖發(fā)生[1]。砂輪磨削設(shè)備采用博科S1M-ZW-100 砂輪機，葉片厚度3 mm。試驗對焊縫凸起進行正反面去除磨削。

圖1 電火花銑削電源原理框圖

1.2 試驗方法

采用280 mm×100 mm×30 mm 的試樣樣板進行試驗，材料為鋁合金5A06，焊接前對焊縫進行清洗和去氧化膜處理。

對試樣進行焊接處理。TIG 進行對接焊，焊縫不開斜口，母材材料5A06 鋁合金樣板，溶敷金屬牌號4043 焊絲，焊接電流80～100 A，電弧電壓15～20 V，焊接速度200 mm/min，氬氣流量10 L/min。單面焊雙面成形。

焊接完成冷卻后，分別對焊縫采用電火花銑削和砂輪磨削進行處理。采用INSTRON 5569 型電子萬能材料試驗機進行接頭拉伸性能試驗；采用光學(xué)顯微鏡觀測試樣表面形貌；采用三坐標(biāo)測量機對工件表面進行尺寸精度測量；最后進行電火花銑削效率工藝試驗，分析峰值電流、脈寬、脈間對焊縫銑削加工效率的影響。

2 試驗分析

2.1 拉伸試驗

抗拉強度是衡量焊縫質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。試驗中，將試樣制備成寬25 mm 的條狀樣件，分別用砂輪磨削和電火花銑削兩種工藝對焊縫進行磨平處理，并與未處理的焊縫進行比較，結(jié)果見圖2。

未處理焊縫的抗拉強度為291.45 MPa；電火花銑削工藝處理的焊縫抗拉強度為256.10 MPa，是未處理焊縫抗拉強度的87.9 %；砂輪磨削工藝處理的焊縫抗拉強度為250.71 MPa，是未處理焊縫抗拉強度的86.02 %。經(jīng)電火花銑削處理的焊縫抗拉強度與砂輪磨削處理的焊縫抗拉強度相當(dāng)，因此，采用電火花銑削工藝對焊縫進行后處理能滿足要求。

圖2 焊縫拉伸試驗結(jié)果

2.2 表面形貌

獲得平整且良好的表面形貌是焊縫后處理的主要目的之一。砂輪磨削存在的固有特性會造成處理后的焊縫表面呈溝槽式形貌；電火花銑削工藝中，脈沖能量對電火花銑削表面形貌有較大影響，脈沖能量越大，放電凹坑尺寸也就越大。采用砂輪磨削和電火花銑削工藝處理的焊縫表面形貌存在著明顯的差異（圖3）。

圖3 焊縫表面形貌對比

由圖3 可看出，砂輪磨削表面為溝槽式形貌，具有方向性；電火花銑削表面為均勻分布的放電凹坑，無方向性。溝槽式表面形貌表現(xiàn)為各向異性，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，不利于承重和受載。電火花銑削為火花放電蝕除，在焊縫表面形成無方向性的放電坑蝕，表現(xiàn)為各向同性，有利于焊縫承受載荷。因此，經(jīng)電火花銑削處理的焊縫有利于焊縫接頭受力，掃描電鏡下的銑削表面和截面形貌見圖4和圖5。

圖4 EDM 銑削鋁合金表面形貌

圖5 EDM 銑削鋁合金截面形貌

2.3 尺寸精度

焊縫與基體平整過渡并達到設(shè)計精度的要求，也是焊縫后處理的主要目的之一。試驗中，試樣焊縫長度為25 mm，分別采用電火花銑削和砂輪磨削工藝對焊縫進行處理，并利用三坐標(biāo)測量儀對處理后的焊縫進行測量，每個試樣取21 個測量點，測試結(jié)果見圖6。

圖6 尺寸精度分析圖

由圖6 可知，砂輪磨削的焊縫尺寸精度為隨機分布，電火花銑削的焊縫尺寸精度基本呈穩(wěn)定分布。計算兩組方差可得：砂輪磨削標(biāo)準(zhǔn)差為0.021，EMD 銑削標(biāo)準(zhǔn)差為0.016，表明砂輪磨削的焊縫尺寸精度低于電火花銑削。鋁合金電火花銑削過程中，銅電極損耗極低，因此能獲得較高的尺寸精度，滿足通用及精密尺寸精度要求。

3 加工效率

電火花銑削加工工藝效率是決定該工藝適用性的基礎(chǔ)，而加工中的電參數(shù)對電火花銑削加工效率的影響極大。在電火花加工中，工件的蝕除速度與工藝參數(shù)、單個脈沖能量、脈沖頻率、脈沖利用率成正比，用公式表示為：

式中∶v 為工件蝕除速度；Ka為與電極對材料、電參數(shù)、工作液等有關(guān)的工藝系數(shù)；WM為單個脈沖能量；f 為放電頻率；φ 為有效脈沖利用率；te為單個脈沖實際時間；u(t)為放電間隙中隨時間變化的電壓；i(t)為放電間隙中隨時間變化的電流。

為尋找最佳加工效率，分別對峰值電流、脈寬、脈間進行了單因素分析試驗。選用直徑12 mm 的紫銅電極，以一定比例稀釋的乳化液作為工作液，電參數(shù)取值范圍如下：電流20～90 A，脈寬50～200 μs，脈間30～180 μs。

3.1 峰值電流對加工效率的影響

選取脈寬200 μs，脈間50 μs，峰值電流取值范圍為20～90 A，銑削100 mm 焊縫，測試加工效率。由圖7 可看出，當(dāng)峰值電流小于50 A 時，加工效率隨著峰值電流的增加而增大，最大加工效率為1.8 mm3/s；當(dāng)峰值電流超過50 A 后，加工效率隨著峰值電流的增加而逐漸降低。這是因為電流增大，使單次放電蝕除量增大，加工效率提高；但電流過大，會造成拉弧，從而降低加工效率。

圖7 峰值電流對加工效率的影響

3.2 脈寬對加工效率的影響

選區(qū)脈間50 μs、峰值電流50 A，脈寬取值范圍為50～200 μs，銑削100 mm 焊縫，測試加工效率。由圖8 可看出，當(dāng)脈寬小于100 μs 時，加工效率隨著脈寬增加而增大，最大加工效率可達2.25 mm3/s；當(dāng)脈寬超過100 μs 后，加工效率隨著脈寬的增加而逐漸降低。這是因為脈寬決定著單個脈沖的能量，脈寬越大，單個脈沖能量越大，蝕除工件材料體積也就越大；但脈寬過大，會使消電離不充分，甚至導(dǎo)致拉弧，造成效率降低。另外，脈寬過大也會使工件表面質(zhì)量下降，對于鋁合金焊縫來說，脈寬為70～120 μs 較適宜。

圖8 脈寬對加工效率的影響

3.3 脈間對加工效率的影響

選取脈寬100 μs，峰值電流50 A，脈間取30～180 μs，銑削100 mm 焊縫，測試加工效率。

由圖9 可看出，當(dāng)脈間＜50 μs 時，加工效率隨著脈間的增加而增大，最大加工效率為3.1 mm3/s；當(dāng)脈間超過50 μs 后，加工效率隨著脈間的增加而逐漸降低。故較適宜的脈間范圍為40～100 μs。這是因為脈間的長度決定了每一次放電后放電通道的消電離時間，脈間越大，消電離越充分；但脈間過大會導(dǎo)致單位時間內(nèi)放電次數(shù)減少，從而降低加工效率?？梢?，在保證消電離充分的情況下，脈間越小，加工效率越大。

圖9 脈間對加工效率的影響

4 結(jié)論

電火花銑削焊縫技術(shù)能達到與砂輪磨削的力學(xué)性能相當(dāng)?shù)男Ч医?jīng)電火花銑削處理的焊縫表面為各向同性凹坑，有利于承載。對于不規(guī)則焊縫，電火花銑削工藝相對于砂輪磨削工藝，具有更高的尺寸精度。對于鋁合金焊縫，在銑削電流30～50 A、脈寬70～120 μs、脈間40～100 μs 時的工藝性能最佳，最大加工效率可達3.1 mm3/s。因此，電火花銑削技術(shù)能應(yīng)用于鋁合金焊縫的銑削與平整。

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