非型材自帶墊板裝配對T型4HV鋁合金對接焊縫質量影響的研究

■ 葉京星，田玉吉

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1. 概述

鋁合金因其密度小、比強度高、耐腐蝕性好、加工性能好等優點，在高速列車車體中被廣泛使用。而鋁合金本身的熔點低、高熱導率、膨脹系數大的特點，使得其在焊接過程中難于控制，易出現裂紋、氣孔、過渡滲透、未熔合等焊接缺陷，焊縫的質量難于保證。本文針對非型材自帶墊板的裝配尺寸對T型對接焊縫質量影響進行了焊接工藝試驗，從坡口內的電弧行為和焊接過程中的熱量傳導兩個角度對其進行分析，深刻認識鋁合金墊板裝配對焊縫質量影響的重要性，從而對鋁合金的實際焊接生產具有一定的指導意義。

2. 工藝試驗

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，墊板尺寸規范，對焊縫坡口的定位組裝幾乎沒有影響，焊縫質量良好。而非型材自帶墊板的組裝易受人為因素或部件結構因素的影響，極易出現焊縫金屬外溢、焊縫根部未熔合或坡口側壁未熔合等焊接缺陷，如圖1所示。

本試驗采用T型4H V對接坡口，母材和鋁墊板材質均為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，焊接工藝中規定根部間隙為（3.5±0.5）mm，通過焊前調整非型材自帶鋁墊板組裝的定位尺寸c，進行了9組工藝試驗，焊接參數如表1所示，焊接工藝試驗數據結果如表2所示。

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

圖1 非型材自帶墊板的典型焊縫質量缺陷

表1 焊接參數

表2 焊接工藝試驗數據結果

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型對接焊縫質量影響的分析

通常對鋁焊接而言，影響焊縫質量的因素主要有外界人為因素、工藝參數和材料成分等，這些因素可導致焊縫出現裂紋、氣孔、熔合不良等焊接缺陷，當采用規范的焊接參數進行焊接，在生產過程中仍然高頻率的出現焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側壁未熔合等焊接缺陷，根據經驗，此時需要更多的關注焊縫坡口的裝配定位尺寸，并對其進行控制。針對T型4HV對接坡口的非型材自帶墊板的鋁焊接而言，經過工藝試驗驗證可以發現，出現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致，下面將從焊縫坡口內的電弧行為和焊縫坡口內的熱量傳導兩個方面對其進行分析。

（1）T型HV對接焊縫坡口內的電弧行為 電弧是一種可壓縮的“彈性軟導體”，在窄間隙焊接中，當坡口間隙寬度小于相同參數自由電弧的導電直徑時，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展。在常規的坡口焊縫中，當坡口間隙寬度小于相同參數自由電弧的導電直徑時，電弧能自由燃燒，并充分發揮自調節作用，充分表現出電弧穩定燃燒的特性。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），當焊縫坡口間隙為（3.5±0.5）mm，且鋁墊板與坡口側壁的間距c=0時，焊縫底部的鋁墊板和坡口側壁的交角處熔合良好；但在焊前對鋁墊板進行坡口定位裝配的過程中，當鋁墊板與工件的間距c變大到2mm時，即焊縫坡口間隙增大到5.5mm時（見圖3b），焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側壁未熔合等焊接缺陷出現的頻率明顯增多。鋁合金低熔點、高熱導率、高膨脹系數的特點，要求使用小熱輸入的高密度電源進行焊接，一方面，鋁在370℃時強度僅為10MPa，當焊縫下方的鋁墊板與坡口側壁存在大間隙時，焊接時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，焊接電弧在導電過程中，當焊縫底部的鋁墊板和側壁的交角區域在陰極斑點的作用范圍內，即電弧弧長l0大于電弧到坡口側壁的距離l1時，焊縫底部的鋁墊板和側壁的交角區域熔合良好。反之，隨著焊縫坡口間隙的變大，當電弧弧長l0小于電弧到坡口側壁的距離l1時，電弧失去自調節作用，此時在焊縫底部的鋁墊板和側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致坡口側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 在焊接過程中，移動熱源使焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，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約為鋼鐵的2倍，導熱系數比鋼大3～4倍，冷卻速度是鋼冷卻速度的4～7倍，凝固時體積收縮率達6.5%～6.6%，與鋼鐵焊接相比，鋁合金焊接溫度場在時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力、焊接變形及焊接缺陷產生的根本原因。此外，鋁合金焊件中的溫度場分布反映了復雜的焊接熱過程，它不僅直接通過熱應力、熱應變，而且還間接通過隨金屬狀態和顯微組織變化引起的相變、應變，決定焊縫熔化、結晶、變形、應力等狀況，所以焊接質量與溫度場的分布有很大的關系，由此導致焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部未熔合或坡口側壁未熔合等焊接缺陷的出現。影響焊接溫度場的因素主要有熱源的性質、焊接參數（焊接熱輸入）、被焊金屬的熱物理性能、熱導率、比熱容、熱擴散率、表面傳熱系數、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進行換熱，熱量的散失主要通過電弧中的高溫熱輻射換熱和焊縫中的三維空間對流換熱方式進行的，如圖4所示。焊縫金屬和基體金屬在移動熱源作用下所經歷的熱循環隨時間、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構因素對其影響較大。當鋁墊板與工件的間距c=0mm，即鋁墊板與坡口側壁相接觸時，焊縫中的三維空間對流換熱相對均勻穩定，在坡口焊縫中能夠形成連續分布的溫度梯度，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壁未熔合等焊接缺陷的產生。當鋁墊板與工件之間存在間距且逐漸變大時，焊縫以對流換熱傳導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，使得熱量傳導不均勻，在焊縫下方鋁墊板區域的熱量相對增加，易出現焊縫金屬外溢、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側獲得對流熱量的相對減少，加之鋁合金本身高熱傳導率的特點，又促使焊縫根部未熔合或坡口側壁熔合不良等焊接缺陷的產生。

4. 結語

（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，可以得到良好質量的焊縫。

圖4 T型4HV焊縫的熱量傳導示意

（2）非型材自帶墊板與母材定位裝配的間隙增大，導致焊縫坡口根部間隙的變大，當電弧弧長l0小于電弧到坡口側壁的距離l1時，電弧失去自調節作用，電弧的陰極斑點無法作用于焊縫底部鋁墊板和側壁的交角區域，這是造成坡口側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，使對流傳導介質的表面積相對減小，對流傳導的熱量在三維空間上分布不均，由此導致焊縫金屬外溢、過熔、焊縫根部或坡口側壁熔合不良等焊接缺陷的產生。