磁場作用下鋁合金MIG 焊精確成形工藝研究

朱勝，王啟偉，陳琳，王曉明

(裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072)

由于鋁合金具有高的比強度、疲勞強度、耐腐蝕穩定性及良好的成形工藝性和焊接性，已成為應用最廣泛的有色金屬結構材料［1］。鋁合金焊接構件大量應用，對鋁合金焊接質量和成形精度提出了更高要求。通過優化焊接參數可控制焊道尺寸和熔池形狀，改善焊縫結晶組織，提高焊接質量［2］。在焊接中加入磁場，可細化晶粒，降低裂紋敏感性，提高焊接接頭質量，同時通過磁場作用干預熔滴過渡、熔池金屬流動和電弧的形狀，影響成形焊道的形貌尺寸及表面質量［3］，但是磁場和焊接參數對焊道尺寸形貌影響的顯著性，以及磁場條件和焊接參數的合理匹配對焊道成形質量的影響尚未見研究。本文研究了磁場作用下焊接工藝參數對焊道尺寸形貌和成形質量的影響及其顯著性，對實現外加磁場條件下精確控制鋁合金MIG 焊道成形尺寸，提高焊接精度和裝備焊接結構的可靠性，具有實際的工程應用價值。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材選用6061 鋁合金板材，板材尺寸為300 mm×300 mm ×20 mm，焊絲選用ER5356，直徑為1.2 mm，母材及焊絲化學成分如表1所示。

表1 母材及焊絲化學成分Tab.1 Compositions of base metal and filler wire

1.2 試驗方法

外加磁場由安裝在焊槍上的激磁線圈產生，匝數為230 匝，磁感應強度0～30 mT，磁力線以電弧軸線為中心成軸對稱分布，與電弧軸線平行，如圖1所示。勵磁電流由勵磁電源提供，調節勵磁電流大小和頻率可控制外加磁場的磁感應強度和頻率。

圖1 磁控焊接工作示意圖Fig.1 Diagram of welding equipment

采用TPS-4000 全數字化直流脈沖MIG 焊接電源，焊接工藝參數為“一元化”協同功能，調節送絲速度大小即確定焊接電流和電弧電壓，送絲速度對應的焊接電流和電弧電壓如表2所示。保護氣體采用純度為99.99%氬氣，氣體流量為15 L/min.

表2 送絲速度對應的焊接電流和電弧電壓Tab.2 Welding current and voltage corresponding to feed rate

采用L49(78)正交表考察焊接速度、送絲速度、弧長修正、電弧吹力修正、勵磁電流和磁場頻率對余高和熔寬的影響，每個參數取7 個水平，并進行方差分析。保持其它參數不變，改變勵磁電流和弧長修正大小，考察參數的匹配對焊道的成形質量和形貌尺寸的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 磁場與焊接參數對余高的影響

表3 余高和熔寬方差分析Tab.3 Variance analysis of reinforcement and bead width

采用方差法分析磁場和焊接參數對余高和熔寬的影響及顯著性，如表3所示，通過方差比Fr和顯著性水平α 值可知各參數對焊道尺寸影響的主次順序和顯著水平。取參數作橫坐標，余高和熔寬的平均值作縱坐標，做出參數與余高和熔寬的關系如圖2所示。由表3和圖2可知，各參數對余高影響的主次順序為:焊接速度、送絲速度、弧長修正、勵磁電流、電弧吹力修正、磁場頻率。其中，焊接速度對余高大小的貢獻率為83.25%，是決定成形焊道余高的最主要因素，余高隨焊接速度的增加而減小，原因是焊接速度提高時，焊縫的熱輸入量及金屬熔敷量均減少，余高減小［4］。其次，送絲速度對余高大小的貢獻率為4.08%，余高隨送絲速度的增加而增大，原因是當送絲速度增大時，焊接電流增大，熱輸入量和熔覆量增大，焊道余高增大。弧長修正、勵磁電流、電弧吹力修正、磁場頻率對余高的影響不顯著。

圖2 磁場和焊接參數對焊道尺寸的影響Fig.2 Effects of magnetic field and welding parameters on geometry of bead

2.2 磁場與焊接參數對熔寬的影響

從表3中各列Fr的大小可知，各參數影響熔寬的主次順序為:送絲速度、焊接速度、電弧吹力修正、勵磁電流、磁場頻率、弧長修正。其中，送絲速度和焊接速度影響熔寬變化的貢獻率分別為49.85%和18.04%，是影響熔寬的主要因素，熔寬隨送絲速度增大和焊接速度的減小而增大，其共同原因是送絲速度和焊接速度變化時，引起熱輸入量變化，輸入量增加時，熔寬增大［4］。電弧吹力修正對熔寬的貢獻率為15.48%，隨著電弧吹力的增加，熔寬增加，原因是電弧吹力增加，電弧對熔池的沖擊作用增大，熔池面積擴張，導致熔寬增大。勵磁電流對成形熔寬的貢獻率為5.22%，隨著勵磁電流的增大熔寬增大，而熔深減小。因此，在不增加熱輸入和熔深的情況下，可以通過提高磁感應強度來增大熔寬。磁場頻率和弧長修正對熔寬的影響不顯著。

2.3 磁場和焊接參數對成形質量的影響

取磁場頻率f=10 Hz，電弧吹力修正Pc=4，焊接速度vw=24 mm/s，送絲速度vf=8 m/min 不變，改變勵磁電流和弧長修正，分析其對焊道成形質量的影響。由圖3、圖4可見，勵磁電流I =30 A，弧長修正Lc=-3%時，焊道可成形，當Lc=9%時，焊道不能成形，其原因是過渡熔滴在洛侖茲力作用下和帶電粒子的帶動下高速旋轉，并偏離焊絲軸線［5］，當電弧長度增大時，磁場對熔滴和帶電粒子的作用時間增加，當磁感應強度較大時，熔滴偏離焊絲軸線越遠，不能順利地過渡到熔池中，形成了大量飛濺，不能成形。

由圖5、圖6可見，當Lc=-3%時，焊道表面形成了魚鱗紋，隨著I=0 增加到30 A，魚鱗紋的寬度間距增大，焊道尺寸均勻，表面質量變好，焊道熔深變淺，熔寬增大，余高略有減小，其原因是在外加磁場作用下，電弧中帶電粒子高速旋轉，隨著勵磁電流的增大，電弧不斷擴張，電弧端部對基體的作用面積增大，熔寬增大;同時，電弧擴張使得電弧電流密度降低，單位面積上的熱輸入減少，使熔深變小;在其它條件不變時，由于熔敷率不變，余高略有減小。但當I=30 A 時，焊道邊部出現了未熔合缺陷，原因是勵磁電流過大，電弧擴張程度大，電弧邊部熱流密度較低，不能提供足夠的熱量使基體熔化，熔滴下落后形成了未熔合缺陷。

圖3 弧長修正對焊道表面形貌的影響Fig.3 Effect of arc length correction on surface morphologies

圖4 弧長修正對焊道尺寸的影響Fig.4 Effect of arc length correction on geometry of bead

圖5 勵磁電流對焊道表面形貌的影響Fig.5 Effects of exciting current on surface morphologies

3 結論

1)焊接速度對焊道余高的貢獻率為83.25%，是決定余高的最主要因素，送絲速度對余高的貢獻率為4.08%，余高隨著焊接速度的減小和送絲速度的增加而增大;其它參數對余高的影響不顯著。

2)送絲速度、焊接速度、電弧吹力修正、勵磁電流對熔寬的貢獻率為分別為49.85%、18.04%、15.48%、5.22%，是影響熔寬的主要因素。熔寬隨著焊接速度的增加而減小，隨著送絲速度、電弧吹力和勵磁電流的增加而增大。

圖6 勵磁電流對焊道尺寸的影響Fig.6 Effects of exciting current on geometry of bead

3)隨著勵磁電流的增加，焊道熔深減小，表面質量變好。弧長修正和勵磁電流應有合理匹配，弧長修正較大時，勵磁電流過大，焊道易形成未熔合缺陷或大量飛濺，焊道質量變差或不能成形。

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