厚壁鋁合金搖動(dòng)電弧窄間隙GMAW焊縫氣孔分布與成形

陳琪昊，楊 帆, 朱 杰, 王加友

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212100)

鋁合金具有密度低、耐腐蝕性好、強(qiáng)度高及可焊性好等優(yōu)點(diǎn),在船舶、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[1]．隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,大型結(jié)構(gòu)的焊接需求越來越多,厚壁鋁合金的焊接問題愈發(fā)顯得重要．

傳統(tǒng)的厚壁鋁合金非窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊方法存在焊接熱輸入大、焊接效率低及接頭軟化等問題[2]．窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊(NG-GMAW)與非窄間隙焊接方法相比,具有熱輸入低、節(jié)約材料及焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)[3-5],是一種理想的厚壁鋁合金焊接方法．

對(duì)于窄間隙焊接特有的側(cè)壁熔合不良問題,國內(nèi)外學(xué)者先后提出電弧搖動(dòng)(搖動(dòng)電弧屬于擺動(dòng)電弧一種,搖動(dòng)電弧擺動(dòng)路線為弧形,為區(qū)別于電弧的橫向直線擺動(dòng),在概念上稱為搖動(dòng)電弧)或旋轉(zhuǎn)的焊接方法[6-7],有效地解決了此問題．受鋁合金材料本身特性的影響,厚壁鋁合金NG-GMAW氣孔問題一直未見較好的解決方案,焊縫氣孔與成形是影響鋁合金NG-GMAW焊接質(zhì)量的兩個(gè)重要因素．焊縫氣孔分布與焊縫成形之間是否存在一定的聯(lián)系,從而可通過優(yōu)化焊縫成形減小焊縫氣孔缺陷．針對(duì)此問題,文中在搖動(dòng)電弧NG-GMAW基礎(chǔ)上開展了焊縫氣孔分布與焊縫成形關(guān)系的研究,為厚壁鋁合金搖動(dòng)電弧NG-GMAW工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)．

1 焊接設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備示意如圖1,主要由焊接電源、送絲機(jī)、焊炬、保護(hù)氣及工作臺(tái)組成．焊炬的構(gòu)造是實(shí)現(xiàn)電弧搖動(dòng)的關(guān)鍵,在焊炬內(nèi)部,彎曲導(dǎo)電桿和空心軸電機(jī)相連,在空心軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,彎曲導(dǎo)電桿帶動(dòng)電弧在窄間隙坡口內(nèi)進(jìn)行弧形搖動(dòng),電弧搖動(dòng)軌跡如圖2,電弧搖動(dòng)可控參數(shù)為搖動(dòng)頻率、搖動(dòng)角度及側(cè)壁停留時(shí)間．

圖1 焊接設(shè)備示意

圖2 電弧搖動(dòng)軌跡示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)厚壁5083鋁合金進(jìn)行搖動(dòng)電弧NG-GMAW,焊絲選用ER5183．焊接過程中,電弧在窄間隙坡口內(nèi)左右搖動(dòng),并在側(cè)壁處進(jìn)行短暫停留,以增加側(cè)壁熱輸入,抑制側(cè)壁未熔合缺陷的形成．

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1,固定焊接參數(shù),僅改變電弧搖動(dòng)參數(shù),分析電弧搖動(dòng)作用下焊縫氣孔分布與成型之間的關(guān)系．根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn),當(dāng)搖動(dòng)頻率為1 Hz、側(cè)壁停留時(shí)間為100 ms、搖動(dòng)角度為30°的參數(shù)組配時(shí),焊接質(zhì)量較好．因此,電弧搖動(dòng)參數(shù)圍繞．焊接電流為350 A、焊接速度為240 mm/min、氣流量為25 L/min進(jìn)行設(shè)定．實(shí)驗(yàn)過程中僅改變電弧搖動(dòng)頻率、搖動(dòng)角度及側(cè)壁停留時(shí)間．

表1 焊接工藝參數(shù)

焊接試板規(guī)格為200 mm×150 mm×30 mm,采取U型坡口,坡口凹槽深度為25 mm,坡口凹槽鈍邊厚度為10 mm,坡口形式示意如圖3．

圖3 試驗(yàn)焊件坡口形式

對(duì)試樣件進(jìn)行單層搖動(dòng)電弧GMA焊接,利用光學(xué)顯微鏡及Image-ProPlus軟件對(duì)橫截面內(nèi)氣孔分布及焊縫成形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．

在分析數(shù)據(jù)時(shí),考慮到焊縫截面形狀變化的影響,在計(jì)算氣孔率時(shí)以實(shí)際焊縫截面積為分母進(jìn)行計(jì)算,利用Image-ProPlus軟件測(cè)量了不同焊接參數(shù)下的焊縫截面積Sw及焊縫截面上的氣孔面積Sg,取氣孔面積總和,氣孔率為:

氣孔率從宏觀上反應(yīng)了焊縫截面整體氣孔率大小,焊縫截面整體氣孔率大小同焊縫性能具有直接的聯(lián)系,因此,文中計(jì)算的焊縫截面氣孔率具有一定的參考意義．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫截面氣孔分布規(guī)律

固定其他參數(shù),僅改變電弧搖動(dòng)頻率f,焊縫宏觀氣孔分布如圖4,結(jié)果表明：當(dāng)搖動(dòng)頻率f為0.5、2.0 Hz時(shí),大氣孔主要分布于焊縫上部;當(dāng)搖動(dòng)頻率為1.0、1.5 Hz時(shí),氣孔分布相對(duì)比較均勻,在焊縫上部沒有產(chǎn)生大氣孔聚集現(xiàn)象．從此可以看出,焊縫氣孔分布對(duì)電弧搖動(dòng)頻率具有較強(qiáng)的敏感性．改變電弧搖動(dòng)頻率,可以直接改變焊縫截面氣孔的分布．

圖4 擺動(dòng)頻率對(duì)氣孔分布的影響

對(duì)不同搖動(dòng)頻率下的宏觀氣孔直徑D分布及氣孔率η(面積覆蓋率)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5．

圖5 搖動(dòng)頻率對(duì)氣孔尺寸分布及氣孔率的影響

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,當(dāng)搖動(dòng)頻率由0.5 Hz增加到1.5 Hz時(shí),集中在焊縫上部分的大尺寸氣孔數(shù)量n逐漸減少,分布在焊縫中的小尺寸氣孔數(shù)量增多;當(dāng)搖動(dòng)頻率由1.5 Hz增加到2.0 Hz時(shí),位于焊縫上部的大尺寸氣孔數(shù)量及焊縫內(nèi)部的小尺寸氣孔數(shù)量均逐漸增多．宏觀氣孔覆蓋率隨搖動(dòng)頻率增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),當(dāng)搖動(dòng)頻率為1.5 Hz時(shí),焊縫宏觀氣孔覆蓋率最?。?dāng)搖動(dòng)頻率為2 Hz時(shí),焊縫宏觀氣孔覆蓋率最大．電弧搖動(dòng)對(duì)熔池流動(dòng)具有攪拌作用,在一定程度內(nèi)有助于熔池內(nèi)氣泡逸出,電弧搖動(dòng)頻率越大,攪拌作用越強(qiáng),但是當(dāng)搖動(dòng)頻率過大時(shí),對(duì)熔池內(nèi)氣泡逸出起到了抑制作用．

改變電弧搖動(dòng)角度,電弧搖動(dòng)角度θ分別為25°、30°及32°,焊縫宏觀氣孔分布如圖6,結(jié)果表明,當(dāng)搖動(dòng)角度θ為25°及30°時(shí),氣孔分布比較均勻;當(dāng)搖動(dòng)角度為32°時(shí),氣孔分布發(fā)生了明顯變化,焊縫宏觀氣孔尺寸較大．在焊縫上部區(qū)域,大氣孔分布密度較大．

圖6 電弧搖動(dòng)角度對(duì)氣孔分布的影響

不同電弧搖動(dòng)角度下的焊縫宏觀氣孔尺寸分布及面積覆蓋率如圖7,當(dāng)搖動(dòng)角度為25°及30°時(shí),小氣孔數(shù)量較多．搖動(dòng)角度為32°時(shí),大尺寸氣孔數(shù)量增多．當(dāng)搖動(dòng)角度從25°到32°時(shí),宏觀氣孔覆蓋率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),當(dāng)搖動(dòng)角度為30°時(shí),焊縫宏觀氣孔覆蓋率最小．

圖7 搖動(dòng)角度對(duì)氣孔尺寸分布及氣孔率的影響

改變電弧側(cè)壁停留時(shí)間,側(cè)壁停留時(shí)間t分別設(shè)為40、100、120、160 ms．焊縫宏觀氣孔分布如圖8,結(jié)果表明,隨側(cè)壁停留時(shí)間增加,焊縫宏觀氣孔尺寸逐漸增大,大尺寸氣孔逐漸聚集于熔合區(qū)附近．

圖8 不同側(cè)壁停留時(shí)間下焊縫氣孔分布

面積覆蓋率隨側(cè)壁停留時(shí)間的增大先減小后增大,當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為100 ms時(shí),焊縫宏觀氣孔覆蓋率最低,為1.04%．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為160 ms時(shí),焊縫宏觀氣孔覆蓋率最大,為2.28 %．

通過計(jì)算,得出不同側(cè)壁停留時(shí)間下的焊縫宏觀氣孔尺寸分布及面積覆蓋率,如圖9．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為100 ms時(shí),焊縫中氣孔數(shù)量最少,其中大部分為小尺寸氣孔．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為40 ms時(shí),小尺寸氣孔數(shù)量較多．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為120 ms時(shí),氣孔數(shù)量增多．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為160 ms時(shí),焊縫截面中的氣孔數(shù)量進(jìn)一步增多,小尺寸氣孔數(shù)量依舊占據(jù)總氣孔數(shù)量的大部分．在側(cè)壁停留時(shí)間由100 ms增加到160 ms時(shí),大尺寸氣孔數(shù)量不斷減少．

圖9 側(cè)壁停留時(shí)間對(duì)氣孔尺寸分布及氣孔率的影響

2.2 焊縫成形規(guī)律

不同電弧搖動(dòng)頻率下的焊縫宏觀成形情況也可通過圖4進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電弧搖動(dòng)頻率為1 Hz 時(shí),焊縫成形質(zhì)量較好,左右對(duì)稱良好．當(dāng)電弧搖動(dòng)頻率為2 Hz時(shí),焊縫成形質(zhì)量較差,出現(xiàn)了明顯的非對(duì)稱特征．

通過軟件對(duì)焊縫截面尺寸d進(jìn)行測(cè)量,得到不同搖動(dòng)頻率f下的焊縫截面凸起高度和側(cè)壁熔深,如圖10．隨電弧搖動(dòng)頻率的增大,側(cè)壁熔深及凸起高度均先減小后增大．當(dāng)搖動(dòng)頻率為1.0 Hz 時(shí),焊縫截面凸起高度最小,側(cè)壁熔深在兩側(cè)壁處寬度相對(duì)均勻,焊縫成形良好;當(dāng)搖動(dòng)頻率為0.5 Hz的時(shí)候,側(cè)壁熔深達(dá)到最大,但是焊縫成形不均勻,焊縫凸起高度較大．

圖10 搖動(dòng)頻率對(duì)側(cè)壁熔深及凸起高度的影響

搖動(dòng)角度影響電弧的橫向搖動(dòng)寬度,對(duì)熔池金屬的鋪展有一定影響,從而影響到焊縫的側(cè)壁熔深,因此,需要對(duì)搖動(dòng)角度的影響規(guī)律進(jìn)行研究．在這組試驗(yàn)當(dāng)中,保持保護(hù)氣體流速、焊接電流、焊接速度、擺動(dòng)頻率和側(cè)壁停留時(shí)間試驗(yàn)工藝參數(shù)不變．搖動(dòng)角度為導(dǎo)電嘴從坡口中心到側(cè)壁之間的角度,不同搖動(dòng)角度下的焊縫截面形貌如圖6．發(fā)現(xiàn)當(dāng)搖動(dòng)角度為30°時(shí),焊縫截面中部凸起高度最小,焊縫成形均勻,對(duì)稱性較好．

通過測(cè)量得出不同搖動(dòng)角度下的焊縫截面凸起高度值和側(cè)壁熔深值,如圖11．焊縫截面凸起高度及側(cè)壁熔深同樣隨搖動(dòng)角度θ的增大先減小后增大．當(dāng)搖動(dòng)角度為30°的時(shí)候,焊縫截面凸起高度最小,截面凸起高度為0.91 mm,側(cè)壁熔深在兩側(cè)壁處寬度相對(duì)均勻,焊縫成形美觀;而當(dāng)搖動(dòng)角度為32°的時(shí)候,側(cè)壁熔深最大,側(cè)壁熔深為3.31 mm,但是焊縫成形不均勻,焊縫凸起高度達(dá)到最大．

圖11 電弧搖動(dòng)角度對(duì)側(cè)壁熔深及凸起高度的影響

改變側(cè)壁停留時(shí)間,分別為40、100、120、160 ms,不同側(cè)壁停留時(shí)間下的焊縫宏觀成形如圖8．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為40 ms時(shí),焊縫凸起高度較小,側(cè)壁熔合較均勻,焊縫成形較好．

不同側(cè)壁停留時(shí)間下的焊縫截面凸起高度值和側(cè)壁熔深值如圖12．

圖12 電弧側(cè)壁停留時(shí)間對(duì)側(cè)壁熔深及凸起高度的影響

焊縫截面凸起高度值和側(cè)壁熔深值隨側(cè)壁停留時(shí)間的增大先增大后減?。?dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為100 ms時(shí),焊縫截面凸起高度最大,為2.4 mm,側(cè)壁熔深為2.75 mm,側(cè)壁熔深較小,焊縫凸起高度最大,焊縫成形差．側(cè)壁停留時(shí)間為40 ms時(shí)焊縫成形質(zhì)量較好．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為120 ms時(shí),焊縫截面凸起高度為1.93 mm,側(cè)壁熔深最大,為3.01 mm,焊縫右側(cè)嚴(yán)重下凹,進(jìn)行下一道焊縫焊接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)咬邊的現(xiàn)象,焊縫成形較差．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間為160 ms的時(shí)候,側(cè)壁熔深最小,焊縫截面分布不均勻,呈現(xiàn)左高右低的現(xiàn)象．

2.3 焊縫氣孔分布與焊縫成形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(1) 搖動(dòng)角度的影響

搖動(dòng)角度增大會(huì)使側(cè)壁熔深增大,氣孔率先減小后增大．搖動(dòng)角度增大,能量密度分布發(fā)生變化,電弧接觸到側(cè)壁的面積增大,焊縫中心熱量向側(cè)壁擴(kuò)散,導(dǎo)致側(cè)壁金屬熔化量增多．熔池金屬在表面張力及電磁力的作用下開始向側(cè)壁鋪展,在熔池流動(dòng)的作用下,側(cè)壁附近的氣泡更容易從熔池內(nèi)逸出,熔池冷卻凝固后,焊縫表面凸起高度降低,側(cè)壁熔深增加．

搖動(dòng)角度繼續(xù)增加,當(dāng)電弧在側(cè)壁停留時(shí)更加偏離焊縫中心,使焊縫中心的熱輸入量減小,熔滴滴入后不能在熔池內(nèi)快速平鋪,導(dǎo)致熔池中心液面較高,阻礙氣泡逸出,氣泡上浮時(shí)長大合并,過多大尺寸氣泡滯留在焊縫中,熔池凝固后,焊縫氣孔率隨之上升,焊縫凸起高度增大,側(cè)壁熔深增大．

(2) 搖動(dòng)頻率的影響

搖動(dòng)頻率增大會(huì)使側(cè)壁熔深、凸起高度及氣孔率先減小后增大．當(dāng)搖動(dòng)頻率變大,焊絲搖至側(cè)壁的次數(shù)增多,對(duì)側(cè)壁的熱輸入量增加．當(dāng)搖動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)增加時(shí),焊縫凸起高度下降．高的搖動(dòng)頻率通過影響熔滴沖擊位置影響熔池流動(dòng)形式,進(jìn)而會(huì)影響熔池內(nèi)氣泡的溢出[8],氣孔率下降．

隨著搖動(dòng)頻率繼續(xù)增加,當(dāng)頻率過大時(shí),電弧及焊絲搖動(dòng)頻率過大,導(dǎo)致電弧及熔滴過渡不穩(wěn)定,熱輸入不均勻,導(dǎo)致焊縫中部熔池金屬未來得及鋪展就已凝固,焊縫凸起高度變大．熔池流動(dòng)性變差,不利于氣泡逸出,造成大量氣泡滯留在焊縫中形成氣孔．氣泡在上浮中氣泡長大合并,在焊縫上部分形成大量大尺寸氣孔．

(3) 側(cè)壁停留時(shí)間的影響

側(cè)壁停留時(shí)間增加會(huì)使側(cè)壁熔深及凸起高度先增大后減小,氣孔率先減小后增大．側(cè)壁停留時(shí)間增加,電弧在側(cè)壁的作用時(shí)間增加,側(cè)壁受到的熱量增加,側(cè)壁金屬熔化量增加,側(cè)壁熔深增加;同時(shí),焊絲在焊縫中間部分停留的時(shí)間就減少,導(dǎo)致焊縫中間部分熱輸入量小,焊縫中間金屬熔化量少,導(dǎo)致焊縫凸起高度增大．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間的較大時(shí),焊縫截面形狀發(fā)生改變,熔池金屬主要集中填充于側(cè)壁附近,受側(cè)壁附近晶粒結(jié)晶的阻礙[9],氣泡沒有足夠時(shí)間上浮逸出焊縫表面,滯留在焊縫中形成氣孔,導(dǎo)致氣孔率逐漸增大．當(dāng)側(cè)壁停留時(shí)間超過一定值時(shí),側(cè)壁熔深及凸起高度減小,可能是坡口兩側(cè)不對(duì)稱加熱導(dǎo)致的平均效應(yīng)．

3 結(jié)論

(1) 電弧搖動(dòng)焊接時(shí)下,焊縫氣孔率和焊縫成形具有一定的聯(lián)系,良好的焊縫成形對(duì)應(yīng)著較低的氣孔率．

(2) 搖動(dòng)頻率增大,側(cè)壁熔深、焊縫凸起高度及氣孔率先減小后增大;搖動(dòng)角度增大,側(cè)壁熔深增大,焊縫凸起高度及氣孔率先減小后增大;側(cè)壁停留時(shí)間增大,側(cè)壁熔深及焊縫凸起高度先增大后減小,氣孔率先減小后增大．當(dāng)搖動(dòng)頻率為1 Hz、搖動(dòng)角度為30°且側(cè)壁停留時(shí)間為40 ms時(shí)，焊縫氣孔率低且成形較好．

(3) 電弧搖動(dòng)主要通過焊接熱輸入、電弧及熔滴過渡的穩(wěn)定性的變化影響熔池流動(dòng)以及氣泡的逸出,最終影響焊縫成形及氣孔分布．