高速列車鋁合金型材MIG焊電流階躍對缺陷的影響

萬岳雄，于 龍，何曉龍，王傳剛，楊瑞欣，陳 輝

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

高速列車鋁合金型材MIG焊電流階躍對缺陷的影響

萬岳雄1，于 龍1，何曉龍1，王傳剛1，楊瑞欣2，陳 輝2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

針對高速列車4 mm厚6N01大型鋁合金擠壓型材，進行四種形式的脈沖MIG焊電流階躍試驗，電流分別階躍15A、20A、25A和30A。研究鋁合金脈沖MIG焊電流階躍對缺陷的影響，焊后對比分析焊縫的宏觀成形、X射線探傷結(jié)果以及顯微組織。試驗結(jié)果表明，對于鋁合金脈沖MIG焊，在平均電流185 A的基礎上進行電流階躍，當電流階躍小于20 A時，焊接接頭無明顯缺陷；當焊接電流達到25 A時，由于焊接熱輸入突然增大，會出現(xiàn)氣孔缺陷，伴隨著電流的增大，氣孔缺陷逐漸增多。

高速列車；鋁合金；MIG焊；焊接電流；缺陷

0 前言

鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強度高、加工性能好等特點，已成為用途最廣、用量最大的輕量化材料之一[1]。隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，采用鋁合金代替普通碳鋼制造高速列車車體是實現(xiàn)車輛輕量化、高速化的有效途徑之一。近年來，隨著擠壓技術(shù)的發(fā)展，各種高強度鋁合金大斷面型材、扁寬薄壁大斷面大長度復雜的實心以及蜂窩狀空心鋁合金型材已被廣泛應用于高速列車車體制造[2]。但是對于車體鋁合金焊接質(zhì)量問題，仍無法對焊接過程出現(xiàn)的缺陷及時發(fā)現(xiàn)和檢測，事后無相應數(shù)據(jù)支持，分析難度較大。鋁合金焊接過程是一個高度非線性的復雜過程，在焊接過程中會出現(xiàn)氣孔、未焊透、未熔合等缺陷，這些問題與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)。焊接監(jiān)測系統(tǒng)通過搭建鋁合金MIG焊的多路傳感器，可以實時監(jiān)測氣流量、電壓、電流等焊接參數(shù)。焊后通過分析焊接參數(shù)監(jiān)測曲線的波動，對焊接試件進行無損與破壞性的檢驗，可以分析焊接參數(shù)與缺陷的關(guān)系。

試驗以高速列車常用的大型6系鋁合金擠壓型材為研究對象，對其進行自動化脈沖MIG焊，焊接過程中進行焊接電流的實時階躍，研究焊接電流的動態(tài)變化對鋁合金焊接接頭缺陷的影響。本研究將為鋁合金脈沖MIG焊工程應用中焊接電流與氣孔、未焊透、未熔合等缺陷的關(guān)系提供一定的理論和技術(shù)支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用高速列車車體常用的6N01鋁合金型材，兩側(cè)板厚分別為3 mm和4mm。采用ER5356鋁鎂焊絲進行焊接，焊絲直徑φ1.2 mm。保護氣體氬氣純度99.99％。母材及填充焊絲的化學成分如表1所示。

表1 6N01鋁合金及ER5356焊絲化學成分％

1.2 試驗方法

采用ABB機械手配合福尼斯TPS4000焊機對型材4 mm厚側(cè)進行脈沖MIG焊，并采用HKS焊接監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測焊接電流，焊接試驗設備如圖1所示。

圖1 試驗設備

鋁合金焊接時，坡口處的氧化膜很容易吸收空氣中的水分而在接頭處形成氣孔，表面的油污和水分更是氣孔的直接來源，焊前須嚴格清理焊縫坡口及其附近區(qū)域，坡口及兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)用不銹鋼刷或風動設備認真清理表面氧化膜和雜質(zhì)，然后用D40擦洗，除去油脂[3]。接頭坡口型式如圖2所示。

圖2 坡口形狀及尺寸

在平均電流185 A的基礎上分別對電流進行15 A、20 A、25 A以及30 A的階躍，同時過渡一定的時間，所用焊接工藝參數(shù)如表2所示。Devicenet是一種低成本的通訊總線裝置，試驗通過Devicenet連接福尼斯TPS4000焊機和ABB機械手，通過電參數(shù)的Job切換，配合機械手臂的運動，從而實現(xiàn)焊接電流的階躍。

表2 焊接工藝參數(shù)

1.3 接頭分析

焊后結(jié)合焊接參數(shù)監(jiān)測曲線，觀察電流階躍處焊縫宏觀成形；對電流階躍處進行X射線數(shù)字成像探傷，檢查內(nèi)部缺陷情況，X射線探傷設備型號為XXQ2505D-XK3；對電流階躍處的接頭沿焊縫橫截面制備金相試樣，經(jīng)打磨拋光后用混合酸進行腐蝕，采用蔡司Alm顯微鏡觀察接頭熔合區(qū)及焊縫中心的金相組織形貌。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 焊縫宏觀成形及無損探傷結(jié)果

在四種電流階躍形式下獲得的焊接電流監(jiān)測曲線如圖3所示。

可以看到起弧與熄弧時的焊接電流均未超過基值，焊接過程中電流突然發(fā)生相應的階躍，分別增大至200A、205A、210A以及215A。焊縫宏觀成形如圖4所示，四種接頭在電流階躍處焊縫均有一定突起，這與焊接電流增大使得焊接熱輸入相對提高有關(guān)，正面成形連續(xù)均勻，沒有明顯的咬邊、表面凹陷、未熔合等缺陷。四種形式下的射線探傷結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，結(jié)果如圖5所示。焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔缺陷，表面無裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，無損探傷情況良好。

圖3 焊接電流監(jiān)測曲線

圖5 焊縫無損探傷

2.2 焊接接頭微觀形貌

對電流階躍處的接頭沿焊縫橫截面制備金相試樣，結(jié)果如圖6所示。圖6a為電流階躍15 A時焊縫的微觀組織，焊縫區(qū)為樹枝晶組織，未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷。圖6b為電流階躍20 A時焊縫的微觀組織，焊縫區(qū)為樹枝晶組織，同樣未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷。圖6c為電流階躍25 A時焊縫的微觀組織，焊縫區(qū)為樹枝晶組織，但是發(fā)現(xiàn)部分氣孔缺陷，分析圖2可知，這與焊接電流的突然階躍使得熱焊接輸入提高有一定關(guān)系。圖6d為電流階躍30 A時焊縫的微觀組織，焊縫區(qū)為樹枝晶組織，接頭熔合區(qū)近焊縫側(cè)為垂直于熔合線生長的柱狀晶，但是發(fā)現(xiàn)很明顯的氣孔缺陷，分析圖2可知，這與焊接電流的突然階躍有一定關(guān)系。氣孔是焊接時熔池中的氣泡在凝固時未能及時逸出而形成的空穴。MIG焊時，弧柱溫度高，熔滴細，比表面積大，易于吸氫，且熔池深度大，不利于氫氣逸出，同時由于鋁的導熱系數(shù)較大，熔池冷卻快，不利于氣泡的逸出[4]。由于電流階躍較大，焊接熱輸入突然增大較多，熔池凝固的時間延長，在焊接過程中焊縫周圍可能會存在水蒸氣等雜質(zhì)，增大H元素向熔池中擴散的可能性[5]，因此會在電流階躍到一定值時出現(xiàn)氣孔缺陷。

圖6 焊縫微觀組織

3 結(jié)論

（1）通過四種形式的脈沖MIG焊電流階躍試驗，當電流階躍小于20 A時，焊接接頭未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷。

（2）當電流階躍達到25 A時，由于焊接熱輸入增大較多，焊接接頭出現(xiàn)氣孔缺陷，伴隨著電流的增大，氣孔缺陷明顯增多。

[1]鄭世達，易耀勇，易江龍.鋁及鋁合金焊接在工程中易出現(xiàn)的幾種缺陷分析及預防[J].材料研究與應用，2012（03）：198-203.

[2]王立夫，唐衡郴，王金金.軌道車輛用鋁合金焊接缺陷分析[J].焊接技術(shù)，2012（10）：14-17.

[3]徐海濤，唐衡郴，劉春寧．鋁合金MIG自動焊焊接工藝[J]．電焊機，2011，41（11）：206－208.

[4]李會，郭繼祥，何小勃.鋁合金MIG焊常見焊接缺陷分析及預防措施[J].電焊機，2013，43（4）：72-76.

[5]張宏偉．鋁合金常見焊接缺陷分析[J].輕合金加工技術(shù)，2010（01）：53-55.

Influence of current step on defect for high-speed train aluminum alloy with MIG welding

WANG Yuexiong1，YU Long1，HE Xiaolong1，WANG Chuangang1，YANG Ruixin2，CHEN Hui2
（1.CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

For the large-scale extruded section of 4 mm thickness 6N01 aluminum alloy applied in a high-speed train，four forms of weldingcurrent steps in pulse MIGexperiments are carried out.The current steps are 15 A，20 A，25 Aand 30 A respectively.The effect of welding current step on weld defect is studied by analyzing the macroscopic formation，result of X-ray radiographic inspection and microstructure ofwelds.The result shows that for pulse MIG weldingbased on the average weldingcurrent of185 A，no obvious defects are observed as the step current is less than 25 A.When the step current is more than 25 A，the weld defects are observed due to a large heat input.And weld pores increase as the weldingcurrent raises.

high-speed train；MIG welding;aluminum alloy；welding current；weld defect

TG444+.74

A

1001－2303（2016）06－0014-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.03

2015-11-27

中國博士后科學基金

萬岳雄（1976—），男，山東人，高級工程師，碩士，主要從事焊接工藝的研究工作。