鋁合金型材喇叭狀V形坡口自動(dòng)MIG焊工藝研究

康 銘，林相遠(yuǎn)，鄧 鑫，金文福

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金型材喇叭狀V形坡口是鋁合金焊接產(chǎn)品中常見的焊接接頭形式[1]。在產(chǎn)品中，通常焊后需對(duì)其余高進(jìn)行打磨，以保證后續(xù)裝配的順利進(jìn)行。余高為焊縫強(qiáng)度的保證措施之一，對(duì)于無(wú)余高的焊道，則其焊縫強(qiáng)度主要依靠焊縫的內(nèi)部質(zhì)量來進(jìn)行保證。當(dāng)無(wú)余高焊道的焊接工藝不合理時(shí)，極易發(fā)生接頭強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)而發(fā)生失效斷裂的情況。因此，合理的焊接工藝參數(shù)是保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的必要條件?，F(xiàn)針對(duì)鋁合金型材V形坡口喇叭接頭進(jìn)行焊接工藝優(yōu)化研究，旨為廣大焊接從業(yè)者提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)覆臑?063-T6擠壓型材，母材壁厚2.5mm，母材的抗拉強(qiáng)度大于215MPa，屈服強(qiáng)度大于170MPa，伸長(zhǎng)率大于6%，滿足GB/T 6892標(biāo)準(zhǔn)；母材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為Si 0.2～0.6，Mg 0.45～0.9，F(xiàn)e 0.35，Cu 0.10，Mn 0.10，Cr 0.10，Ti 0.10，Zn 0.10，Ni 0.10，Al及其它為余量，滿足GB/T 3190-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊接方法為單脈沖自動(dòng)MIG焊，焊接設(shè)備為Fronius TPS5000CMT逆變式數(shù)字化鋁焊機(jī)，機(jī)器人手臂為KUKA KR90，焊絲為EN ISO 18273：S Al 5356。焊接接頭如圖1所示，焊槍角度描述如圖2所示。

圖1 焊接接頭 圖2 焊槍角度

型材壁厚t1與t2相同，均為2.5mm；焊接速度均為12.2mm/s，氣體流量為25L/min。本次試驗(yàn)采用控制變量法來進(jìn)行，表1中，序號(hào)1～序號(hào)3為研究焊絲干伸長(zhǎng)對(duì)接頭質(zhì)量的影響，序號(hào)4～序號(hào)6為研究焊槍后傾角對(duì)接頭質(zhì)量的影響，序號(hào)7～序號(hào)14為研究焊接電流對(duì)接頭質(zhì)量的影響。焊接完成后依次進(jìn)行目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)、宏觀金相觀察及拉伸性能檢測(cè)，通過試驗(yàn)結(jié)果來對(duì)各因素進(jìn)行分析。

表1 自動(dòng)MIG焊接參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊絲干伸長(zhǎng)的影響

焊絲干伸長(zhǎng)的研究采用表1中序號(hào)1～序號(hào)3的焊接參數(shù)來進(jìn)行。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)為10mm與15mm時(shí)，目視檢測(cè)與滲透檢測(cè)均可滿足ISO 10042 B級(jí)以及ISO 23277 1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求(表2)。但當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)為20mm時(shí)，焊趾處出現(xiàn)鏈狀氣孔，因此無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但在去除余高的接頭中，焊絲干伸長(zhǎng)為10mm與20mm 的焊道表面無(wú)宏觀氣孔存在，但焊絲干伸長(zhǎng)為15mm的焊道表面存在密集氣孔。這是由于焊絲干伸長(zhǎng)越長(zhǎng)，氣體對(duì)焊道的保護(hù)效果越差所致。而當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)為20mm時(shí)，焊道有效連接厚度較其它兩種干伸長(zhǎng)參數(shù)要淺，故氣體更容易向上溢出，打磨余高后剛好可以去除。

表2 不同干伸長(zhǎng)的焊道

如圖3宏觀金相觀察結(jié)果所示，當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)為10mm及15mm時(shí)，焊縫有效連接厚度分別為3.2mm和2.6mm，均大于母材壁厚的2.5mm；當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)為20mm時(shí)，焊縫有效連接厚度為2.2mm，小于母材的2.5mm。通過表3的拉伸斷裂結(jié)果可知，三種焊絲干伸長(zhǎng)下的最大拉伸載荷幾乎一致且均因焊接造成的過時(shí)效作用而在熱影響區(qū)斷裂。雖然焊絲干伸長(zhǎng)為20mm時(shí)接頭存在缺陷，但是其有效連接厚度為2.2mm，具有一定連接強(qiáng)度，與焊接母材熱影響區(qū)位置厚度2.5mm相差不大，其母材合金為6063，本身強(qiáng)度不高，對(duì)比熱輸入影響，熱影響區(qū)處強(qiáng)度損失較大，因此斷裂位置為熱影響區(qū)。圖3(c)有效連接厚度小的情況可能為局部情況，并未貫穿整道焊縫。綜上所述，焊絲干伸長(zhǎng)為10mm時(shí)焊道質(zhì)量最佳。

(a)焊絲干伸長(zhǎng)10mm (b)焊絲干伸長(zhǎng)15mm (c)焊絲干伸長(zhǎng)20mm

表3 不同干伸長(zhǎng)的拉伸斷裂結(jié)果

2.2 焊槍后傾角的影響

焊槍后傾角的研究采用表1中序號(hào)4～序號(hào)6的焊接參數(shù)來進(jìn)行。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊槍后傾角度分別為0°、30°、45°時(shí)，焊道目視檢測(cè)以及滲透檢測(cè)均滿足ISO 10042 B級(jí)以及ISO 23277 1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求(表4)。但當(dāng)焊槍后傾角為0°時(shí)，焊道表面存在多個(gè)小尺寸單氣孔缺欠，這可能是由于保護(hù)氣體在焊接行進(jìn)過程中被吹向后方而使前部焊道保護(hù)效果減弱所致。對(duì)其進(jìn)行余高打磨后，焊槍后傾角為45°時(shí)的焊道表面出現(xiàn)密集氣孔，可見過大的焊槍后傾角亦會(huì)使氣體保護(hù)效果減弱。圖4為不同焊槍角度的接頭宏觀金相。

表4 不同焊槍角度的焊道

(a)焊槍角度0° (b)焊槍角度30° (c)焊槍角度45°

如圖4所示，當(dāng)焊槍后傾角為0°時(shí)接頭有效連接厚度為4.0mm，當(dāng)焊槍后傾角為30°時(shí)接頭有效連接厚度為3.3mm，均大于母材壁厚的2.5mm；但當(dāng)焊槍后傾角為45°時(shí)接頭有效連接厚度僅為2.3mm，小于母材壁厚，故焊縫金屬區(qū)域可能將成為接頭最薄弱區(qū)域。由拉伸斷裂結(jié)果(表5)可知，當(dāng)焊槍后傾角為0°及30°時(shí)均因焊接的過時(shí)效作用而在熱影響區(qū)斷裂；而當(dāng)焊槍后傾角為45°時(shí)，接頭在焊縫金屬區(qū)域斷裂且其最大拉伸載荷值在三種參數(shù)中最低，因此這極可能是由于該處有效連接厚度過小而導(dǎo)致的。綜上所述，當(dāng)焊槍后傾角為30°時(shí)，焊道質(zhì)量最佳。

表5 不同焊槍角度的拉伸斷裂結(jié)果

2.3 焊接電流的影響

焊接電流的研究采用表1中序號(hào)7～序號(hào)14的焊接參數(shù)來進(jìn)行。不同焊接電流對(duì)應(yīng)的焊后接頭有效連接厚度值如圖5所示?？梢姾附与娏髟?20A及以上時(shí)接頭的有效連接厚度大于母材壁厚(2.5mm)。不同焊接電流對(duì)應(yīng)的接頭拉伸斷裂結(jié)果如表6所示?？梢娊宇^有效連接厚度值在2.5mm以上時(shí)，接頭強(qiáng)度較高，拉伸斷裂位置均位于熱影響區(qū)。因此，對(duì)焊接電流分別為120A、130A、140A、150A、160A下的焊道參考ISO 10042 B級(jí)以及ISO 23277 1級(jí)要求進(jìn)行目視檢測(cè)與滲透檢測(cè)，同時(shí)將余高打磨后進(jìn)行焊道表面氣孔數(shù)量觀察，結(jié)果均如表7所示。

圖5 焊接電流與有效連接厚度的關(guān)系

表6 不同焊接電流的拉伸斷裂結(jié)果

表7 不同焊接電流的焊道

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊接電流分別為140A、150A、160A時(shí)，焊道目視檢測(cè)以及滲透檢測(cè)均滿足ISO 10042 B級(jí)以及ISO 23277 1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。但當(dāng)焊接電流分別為120A、130A時(shí)，焊趾處出現(xiàn)鏈狀氣孔，無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這可能是由于焊接熱輸入過小而使氣體在溢出前，液態(tài)填充金屬即凝固所致。當(dāng)焊接電流為150A時(shí)，焊縫開始下榻，焊道背部出現(xiàn)焊洇，如圖6(c)所示。焊洇的存在可能引起其它缺陷的產(chǎn)生，因此是應(yīng)當(dāng)避免存在的。當(dāng)焊接電流為140A時(shí)，焊道打磨余高后無(wú)宏觀氣孔存在，故焊道質(zhì)量較好。高的焊接熱輸入將導(dǎo)致較大的焊接變形[2]，因此在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)中，選擇焊接電流時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量選擇較小的電流以保證產(chǎn)品的精度，即140A是最佳焊接電流。

(a)焊接電流130A；(b)焊接電流140A；(c)焊接電流150A

3 結(jié)論

(1)焊絲干伸長(zhǎng)過長(zhǎng)以及焊槍后傾角過大均會(huì)使接頭有效連接厚度變小、氣孔率增加。當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)為10mm、焊槍后傾角為30°時(shí)，焊道質(zhì)量最佳。

(2)隨著焊接電流的增大，接頭有效連接厚度逐漸增加，但當(dāng)焊接電流過大時(shí)則易出現(xiàn)焊洇。對(duì)于拉伸斷裂結(jié)果而言，有效連接厚度超過母材壁厚的接頭均在熱影響區(qū)斷裂且最大拉伸載荷較高，有效連接厚度小于母材壁厚的接頭可能在焊縫金屬處斷裂且最大拉伸載荷較低。同時(shí)，大的焊接熱輸入亦可能增大產(chǎn)品的焊接變形，因此140A是最佳焊接電流。