焊縫厚度對(duì)鋁合金機(jī)器人焊接氣孔影響的研究

萬(wàn)加新，李科穎

（1.比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118；2.株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)控股股份有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著高速列車(chē)和城市軌道交通的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外使用鋁合金制造車(chē)體已經(jīng)很普遍。我國(guó)從引用德國(guó)西門(mén)子、法國(guó)阿爾斯通、日本川崎的車(chē)體生產(chǎn)技術(shù)，到目前車(chē)體生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化，制造工藝和技術(shù)已經(jīng)非常成熟。焊接是車(chē)體制造的主要工藝手段，機(jī)器人焊接更是一種焊接趨勢(shì)，對(duì)鋁合金焊接工藝的研究是提升車(chē)體制造技術(shù)的重中之重，機(jī)器人焊接工藝的研究就是一個(gè)突破口。

鋁合金焊接中最容易出現(xiàn)的缺陷是氣孔、熱裂紋、未融合、夾雜、咬邊等等。但在這些缺陷中，通過(guò)工藝優(yōu)化或改進(jìn)都能有效的進(jìn)行控制。唯有氣孔是鋁合金焊接中難以消除的一個(gè)缺陷。目前，對(duì)于鋁合金焊接氣孔控制的主要工藝方法主要有：①有效控制焊接環(huán)境的溫濕度，一般來(lái)說(shuō)環(huán)境溫度控制在5℃以上，環(huán)境濕度控制在60RH%；②將鋁合金表面的一層氧化膜清理干凈；③預(yù)熱，一般來(lái)說(shuō)，預(yù)熱溫度控制在80℃～120℃左右；④調(diào)整焊接參數(shù)，適當(dāng)減少電弧長(zhǎng)度，控制焊接速度，不宜過(guò)快。本文將對(duì)株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)地鐵鋁部件事業(yè)部研究的通過(guò)控制焊縫熔敷厚度來(lái)減少氣孔的工藝進(jìn)行闡述和分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用目前鋁合金車(chē)體應(yīng)用最為廣泛的6082-T651鋁合金，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1。6082鋁合金是能夠熱處理可強(qiáng)化的鋁合金板材，具有中等強(qiáng)度和良好的焊接性能、耐腐蝕性，主要用于交通運(yùn)輸和結(jié)構(gòu)工程工業(yè)。如橋梁、起重機(jī)、屋頂構(gòu)架、運(yùn)輸機(jī)、運(yùn)輸船等。6082-T651是將6082的鋁合金板材進(jìn)行固溶化熱處理，并通過(guò)一定控制量的拉伸以消除應(yīng)力，然后進(jìn)行人工時(shí)效，產(chǎn)品在拉伸后不再做進(jìn)一步的校直。試驗(yàn)用鋁板的厚度為18mm。

表1 6082-T651鋁合金的化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

（1）焊接設(shè)備及工藝介紹。機(jī)器人焊接設(shè)備是采用奧地利的IGM-K5焊接機(jī)器人。它采用的是Fronius TPS-5000的焊接電源，KUKA機(jī)器手臂，IGM伺服系統(tǒng)。

焊接工藝采用機(jī)器人MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）焊接。MIG焊是利用射滴過(guò)渡的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺過(guò)渡的一種焊接方式。主要優(yōu)點(diǎn)有：①焊絲與工件不接觸，沒(méi)有飛濺，無(wú)需清渣；②電流范圍大，能在小到20A，大到500A的范圍內(nèi)穩(wěn)定地焊接，而一般氣保焊穩(wěn)定焊接的范圍交窄；③能實(shí)現(xiàn)全位置焊接；④晶粒細(xì)小，焊縫強(qiáng)度高；⑤熔深深。焊接材料采用的是AlMg4.5MnZr （ER 5087），φ1.6mm的鋁合金焊絲，5087 焊絲不僅抗裂性能好,抗氣孔性能優(yōu)越,而且強(qiáng)度性能也很好。焊接保護(hù)氣體采用的是70%Ar+30%He+150ppmN2。采用混合氣是因?yàn)?0%He能夠有效的增加焊縫的熔深，而是用70%Ar是在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，同樣能起到保護(hù)氣體的作用。

（2）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)采用平板開(kāi)坡口對(duì)接焊，背面帶永久性焊接墊板，如圖1；采用兩種不同的焊接層道數(shù)作對(duì)比的方法，分別采用4層5道和5層7道的機(jī)器人焊接工藝，如圖2、圖3。對(duì)焊接準(zhǔn)備工作不做任何的改變，對(duì)焊接參數(shù)只針對(duì)層道數(shù)的區(qū)別做相應(yīng)的調(diào)整。

圖1 焊接層道數(shù)示意圖

圖2 4層5道機(jī)器人焊接工藝示意圖

圖3 5層7道機(jī)器人焊接工藝示意圖

焊接工藝為4層5道的焊接參數(shù)見(jiàn)表2，焊接工藝為5層7道的焊接參數(shù)見(jiàn)表3。焊接前均采用焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100℃，焊接過(guò)程中對(duì)層間溫度進(jìn)行控制，控制在80℃，并使用測(cè)溫筆對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。

表2 4層5道機(jī)器人焊接工藝參數(shù)

表3 5層7道機(jī)器人焊接工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用4層5道機(jī)器人焊接工藝進(jìn)行焊接的平板對(duì)接焊縫每一層焊道的熔敷厚度較厚，從X射線(xiàn)底片上可以看出，焊縫內(nèi)氣孔較多，根據(jù)射線(xiàn)探傷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)EN12517評(píng)定，氣孔數(shù)量超標(biāo)，焊縫不合格。4層5道工藝的宏觀金相圖如圖4所示，X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果如圖6所示；采用5層7道機(jī)器人焊接工藝進(jìn)行焊接的平板對(duì)接焊縫每一層焊道的熔敷厚度較薄，從X射線(xiàn)底片上可以看出，焊縫內(nèi)氣孔較少，根據(jù)射線(xiàn)探傷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)EN12517評(píng)定，氣孔數(shù)量未超標(biāo)，焊縫合格。4層5道工藝的宏觀金相圖如圖5所示，X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖4 4層5道工藝的宏觀金相

圖5 5層7道工藝的宏觀金相

圖6 4層5道工藝的宏觀金相X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

圖7 5層7道工藝的宏觀金相X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

我們將宏觀金相上的每一層的焊縫熔敷厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后的結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4中的對(duì)比數(shù)據(jù)，我們可以看出，5層7道的焊接工藝比4層5道的焊接工藝每一層熔敷金屬要薄1mm左右。而X射線(xiàn)底片上顯示的結(jié)果又是多層焊道中氣孔的累積結(jié)果。

表4 不同工藝焊縫熔敷厚度對(duì)比表

鋁合金焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的氣孔，絕大部分都是氫氣孔。因?yàn)殇X合金在焊接過(guò)程中，熔融狀態(tài)下，氫氣在鋁合金熔池中的溶解度非常大。但在鋁合金焊縫熔池的冷卻過(guò)程中，氫氣的溶解度急劇下降，而且鋁合金焊接過(guò)程中的冷卻速度非?？?。氫氣隨著溶解度的急劇下降，鋁合金焊縫熔敷厚度過(guò)厚，冷卻速度過(guò)快，部分氣體來(lái)不及溢出焊縫熔池，而殘留在焊縫當(dāng)中，就形成了焊縫氣孔。

所以在X射線(xiàn)底片中，我們看到采用4層5道機(jī)器人焊接工藝的焊縫，遠(yuǎn)比5層7道機(jī)器人焊接工藝的焊縫中的氣孔要多得多，那就是因?yàn)?層5道焊接工藝的焊縫中，每一層焊道的熔敷金屬較厚，而導(dǎo)致部分氣體來(lái)不及溢出焊縫熔池，形成了大量的氣孔。而在采用5層7道焊接工藝的焊縫中也存在少量的氣孔，說(shuō)明了在鋁合金焊接過(guò)程中，氣孔是很難完全根除的。

3 結(jié)論

（1）鋁合金機(jī)器人焊接過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，主要是焊接功率和焊接速度，從而控制焊縫熔敷厚度，能夠達(dá)到減少焊縫氣孔的作用。

（2）鋁合金機(jī)器人焊接過(guò)程中，焊縫氣孔是很難根除的。