非型材自帶墊板裝配對T型4HV鋁合金對接焊縫質(zhì)量影響的研究

■ 葉京星，田玉吉

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1. 概述

鋁合金因其密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在高速列車車體中被廣泛使用。而鋁合金本身的熔點(diǎn)低、高熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，使得其在焊接過程中難于控制，易出現(xiàn)裂紋、氣孔、過渡滲透、未熔合等焊接缺陷，焊縫的質(zhì)量難于保證。本文針對非型材自帶墊板的裝配尺寸對T型對接焊縫質(zhì)量影響進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，從坡口內(nèi)的電弧行為和焊接過程中的熱量傳導(dǎo)兩個(gè)角度對其進(jìn)行分析，深刻認(rèn)識鋁合金墊板裝配對焊縫質(zhì)量影響的重要性，從而對鋁合金的實(shí)際焊接生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

2. 工藝試驗(yàn)

鋁合金型材墊板分為型材自帶永久墊板和非型材自帶墊板兩種形式。型材自帶墊板通過模具擠壓與型材一次成形，墊板尺寸規(guī)范，對焊縫坡口的定位組裝幾乎沒有影響，焊縫質(zhì)量良好。而非型材自帶墊板的組裝易受人為因素或部件結(jié)構(gòu)因素的影響，極易出現(xiàn)焊縫金屬外溢、焊縫根部未熔合或坡口側(cè)壁未熔合等焊接缺陷，如圖1所示。

本試驗(yàn)采用T型4H V對接坡口，母材和鋁墊板材質(zhì)均為6005A，件1厚度為4mm，件2厚度為6mm，坡口角度為55°，采用直流反接電源，單層單道，分兩層焊接，焊縫接頭形式如圖2所示。圖2中鋁墊板與件2的距離，記為c；焊縫根部間隙，記為b，焊接工藝中規(guī)定根部間隙為（3.5±0.5）mm，通過焊前調(diào)整非型材自帶鋁墊板組裝的定位尺寸c，進(jìn)行了9組工藝試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表1所示，焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊縫根部間隙為（3.5±0.5）mm時(shí)，即當(dāng)c最大為0.5mm時(shí)，無焊接缺陷產(chǎn)生，能得到合格質(zhì)量焊縫；但隨著焊縫根部間隙b的逐漸增大，當(dāng)c=0mm，b=5.5mm時(shí)，焊縫根部出現(xiàn)未熔合或熔合不良的焊接缺陷；隨著c逐漸增大，焊縫出現(xiàn)熔合不良、焊縫金屬外溢的焊接缺陷逐漸增多，且缺陷產(chǎn)生的趨勢越明顯；當(dāng)c=2mm，b=5.5mm時(shí)，基本得不到合格質(zhì)量的焊縫。

圖1 非型材自帶墊板的典型焊縫質(zhì)量缺陷

表1 焊接參數(shù)

表2 焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖2 T型4HV焊縫接頭形式注：c為鋁墊板與工件的間距，b為振部件間隙。

3. 非型材自帶墊板裝配對T型對接焊縫質(zhì)量影響的分析

通常對鋁焊接而言，影響焊縫質(zhì)量的因素主要有外界人為因素、工藝參數(shù)和材料成分等，這些因素可導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋、氣孔、熔合不良等焊接缺陷，當(dāng)采用規(guī)范的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，在生產(chǎn)過程中仍然高頻率的出現(xiàn)焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側(cè)壁未熔合等焊接缺陷，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)需要更多的關(guān)注焊縫坡口的裝配定位尺寸，并對其進(jìn)行控制。針對T型4HV對接坡口的非型材自帶墊板的鋁焊接而言，經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)上述典型焊接缺陷主要是由焊縫坡口間隙的大小及鋁墊板的裝配定位尺寸導(dǎo)致，下面將從焊縫坡口內(nèi)的電弧行為和焊縫坡口內(nèi)的熱量傳導(dǎo)兩個(gè)方面對其進(jìn)行分析。

（1）T型HV對接焊縫坡口內(nèi)的電弧行為 電弧是一種可壓縮的“彈性軟導(dǎo)體”，在窄間隙焊接中，當(dāng)坡口間隙寬度小于相同參數(shù)自由電弧的導(dǎo)電直徑時(shí)，將引起電弧電場的改變，電弧將不再是軸對稱形狀，而是在間隙寬度方向上電弧將被壓縮，在間隙的長度方向上擴(kuò)展。在常規(guī)的坡口焊縫中，當(dāng)坡口間隙寬度小于相同參數(shù)自由電弧的導(dǎo)電直徑時(shí)，電弧能自由燃燒，并充分發(fā)揮自調(diào)節(jié)作用，充分表現(xiàn)出電弧穩(wěn)定燃燒的特性。對T型4HV對接坡口的非型材自帶墊板的鋁焊接而言（見圖3a），當(dāng)焊縫坡口間隙為（3.5±0.5）mm，且鋁墊板與坡口側(cè)壁的間距c=0時(shí)，焊縫底部的鋁墊板和坡口側(cè)壁的交角處熔合良好；但在焊前對鋁墊板進(jìn)行坡口定位裝配的過程中，當(dāng)鋁墊板與工件的間距c變大到2mm時(shí)，即焊縫坡口間隙增大到5.5mm時(shí)（見圖3b），焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側(cè)壁未熔合等焊接缺陷出現(xiàn)的頻率明顯增多。鋁合金低熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、高膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，要求使用小熱輸入的高密度電源進(jìn)行焊接，一方面，鋁在370℃時(shí)強(qiáng)度僅為10MPa，當(dāng)焊縫下方的鋁墊板與坡口側(cè)壁存在大間隙時(shí)，焊接時(shí)會因不能支撐住液體金屬而使焊縫金屬外溢或甚至過熔，致使焊縫成形不良；另一方面，焊接電弧在導(dǎo)電過程中，當(dāng)焊縫底部的鋁墊板和側(cè)壁的交角區(qū)域在陰極斑點(diǎn)的作用范圍內(nèi)，即電弧弧長l0大于電弧到坡口側(cè)壁的距離l1時(shí)，焊縫底部的鋁墊板和側(cè)壁的交角區(qū)域熔合良好。反之，隨著焊縫坡口間隙的變大，當(dāng)電弧弧長l0小于電弧到坡口側(cè)壁的距離l1時(shí)，電弧失去自調(diào)節(jié)作用，此時(shí)在焊縫底部的鋁墊板和側(cè)壁的交角處的電流密度始終趨于零，這是焊縫坡口間隙寬度過大導(dǎo)致坡口側(cè)壁與底角處熔合不良的主要原因。

（2）T型HV對接焊縫的熱量傳導(dǎo) 在焊接過程中，移動熱源使焊件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變化，形成梯度很大的不均勻溫度場。對鋁合金而言，鋁合金的熱膨脹系數(shù)約為鋼鐵的2倍，導(dǎo)熱系數(shù)比鋼大3～4倍，冷卻速度是鋼冷卻速度的4～7倍，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6.5%～6.6%，與鋼鐵焊接相比，鋁合金焊接溫度場在時(shí)間和空間上梯度差異性更大、變化更劇烈，且更難控制，因此這種不均勻溫度場是形成焊接殘余應(yīng)力、焊接變形及焊接缺陷產(chǎn)生的根本原因。此外，鋁合金焊件中的溫度場分布反映了復(fù)雜的焊接熱過程，它不僅直接通過熱應(yīng)力、熱應(yīng)變，而且還間接通過隨金屬狀態(tài)和顯微組織變化引起的相變、應(yīng)變，決定焊縫熔化、結(jié)晶、變形、應(yīng)力等狀況，所以焊接質(zhì)量與溫度場的分布有很大的關(guān)系，由此導(dǎo)致焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側(cè)壁未熔合等焊接缺陷的出現(xiàn)。影響焊接溫度場的因素主要有熱源的性質(zhì)、焊接參數(shù)（焊接熱輸入）、被焊金屬的熱物理性能、熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散率、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱焓及被焊金屬焊縫坡口的裝配定位尺寸等。

在鋁合金T型4HV對接坡口的焊接過程中，焊件邊界與周圍介質(zhì)進(jìn)行換熱，熱量的散失主要通過電弧中的高溫?zé)彷椛鋼Q熱和焊縫中的三維空間對流換熱方式進(jìn)行的，如圖4所示。焊縫金屬和基體金屬在移動熱源作用下所經(jīng)歷的熱循環(huán)隨時(shí)間、空間的改變而急劇變化，具有較大的溫度梯度，而焊縫坡口的裝配定位尺寸受人為或焊縫結(jié)構(gòu)因素對其影響較大。當(dāng)鋁墊板與工件的間距c=0mm，即鋁墊板與坡口側(cè)壁相接觸時(shí)，焊縫中的三維空間對流換熱相對均勻穩(wěn)定，在坡口焊縫中能夠形成連續(xù)分布的溫度梯度，避免或減少了焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側(cè)壁未熔合等焊接缺陷的產(chǎn)生。當(dāng)鋁墊板與工件之間存在間距且逐漸變大時(shí)，焊縫以對流換熱傳導(dǎo)為主的表面積則相對減小，阻礙熱量的傳遞，一方面，溫度梯度分布不連續(xù)，使得熱量傳導(dǎo)不均勻，在焊縫下方鋁墊板區(qū)域的熱量相對增加，易出現(xiàn)焊縫金屬外溢、過熔或焊穿的焊接缺陷；另一方面，鋁墊板與件2間距的存在，使得件2側(cè)獲得對流熱量的相對減少，加之鋁合金本身高熱傳導(dǎo)率的特點(diǎn)，又促使焊縫根部未熔合或坡口側(cè)壁熔合不良等焊接缺陷的產(chǎn)生。

4. 結(jié)語

（1）鋁合金T型4HV對接坡口間隙為（3.5±0.5）mm，且非型材自帶墊板與母材間隙最大0.5mm時(shí)，可以得到良好質(zhì)量的焊縫。

圖4 T型4HV焊縫的熱量傳導(dǎo)示意

（2）非型材自帶墊板與母材定位裝配的間隙增大，導(dǎo)致焊縫坡口根部間隙的變大，當(dāng)電弧弧長l0小于電弧到坡口側(cè)壁的距離l1時(shí)，電弧失去自調(diào)節(jié)作用，電弧的陰極斑點(diǎn)無法作用于焊縫底部鋁墊板和側(cè)壁的交角區(qū)域，這是造成坡口側(cè)壁與底角處熔合不良的主要原因。

（3）非型材自帶墊板與母材定位裝配的間隙的存在，使對流傳導(dǎo)介質(zhì)的表面積相對減小，對流傳導(dǎo)的熱量在三維空間上分布不均，由此導(dǎo)致焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部或坡口側(cè)壁熔合不良等焊接缺陷的產(chǎn)生。