鋁合金MUP魚鱗紋焊接工法的開發與應用

安小東，王 新，孫永濤

（唐山松下產業機器有限公司，河北唐山063000）

0 前言

鋁合金由于具有輕便、耐腐蝕性能優良、耐沖擊性好以及回收方便等優點，目前廣泛應用于汽車、高速列車、海軍艦艇和航天工業等領域[1-3]。隨著鋁合金加工質量要求的不斷提高，涌現出許多新的焊接方法，如：雙脈沖氣體金屬弧焊（DP-GMAW）、攪拌摩擦焊、冷金屬過渡焊接（CMT）和激光混合焊接等[4-8]。在這些方法中，DP-GMAW因其成本低、生產效率高、熱輸入低、焊接質量好而受到越來越多的關注，現已得到廣泛應用。然而隨著鋁合金市場的進一步推廣和對焊縫成形要求的提高，很多場合DP-GMAW已經顯得捉襟見肘，不足以滿足當前市場的需求。因此在唐山松下第五代全數字焊接電源500GP5基礎上，專門研發了熔化極脈沖+短路混合焊（MUP）魚鱗紋新工法。該工法采用精準的脈沖+短路波形控制技術，可有效降低焊接熱輸入，魚鱗紋成型更加美觀，進一步提升了鋁合金的焊接性能；除手工焊之外，500GP5全數字電源還可以搭配松下焊接機器人，實現精確的高頻、高速焊接，從而進一步提高工作效率。

熔化極脈沖+短路混合焊（MUP）是雙脈沖氣體金屬弧焊GDP-GMAW的一種變體，MUP的電流波形如圖1所示。同DP-GMAW焊接工法相似，MUP與傳統的GMAW、脈沖GMAW相比同樣具備以下優點：更寬的焊接電流調整范圍，更大的焊縫間隙對應能力，較少的熱輸入，較少的孔隙率和裂紋敏感性。MUP的主要特性是脈沖與短路共存、頻率（單位時間內的周期個數）和占空比（一個周期內的短路階段持續時間占整個周期的百分比）共存。在整個過程中，脈沖階段高頻率脈沖的作用是保證填充金屬的熔化和每個脈沖周期下的熔滴平穩過渡；而短路階段的作用主要是降低焊接熱輸入和減少填充金屬的熔化，實現熔池的快速冷卻，并形成魚鱗紋。由于脈沖階段與短路階段電流大小差異較大，故其電弧力亦存在較大差異，而脈沖階段與短路階段的周期性切換會導致熔池受力不均，從而發生周期性振蕩，實現了攪拌熔池和釋放熔池中溶解氣體的目的，有利于提高焊接接頭的綜合力學性能。MUP工法中占空比的作用主要是調節高頻脈沖與短路的時間比值，進而實現攪拌熔池和控制焊接熱輸入的目的。在MUP工法焊接過程中，電弧力和熱輸入均隨占空比的增加而降低，可以有效地控制焊接熱輸入量和魚鱗紋成型，提高焊接接頭的力學性能，形成連續、美觀的魚鱗紋焊縫成形。

MUP由于焊接熱輸入較低，所以不宜焊接較厚的工件，一般推薦焊接2～4 mm板厚、不同接頭形式的鋁合金工件。其焊縫成形美觀、魚鱗紋清晰，通常最佳焊接電流范圍為120～220 A。由母材自身的特性所決定，軟鋁焊接時，由于熔池流動性好，魚鱗紋清晰，焊縫成形美觀；而硬鋁焊接時，由于熔池流動性相對較差，而且伴隨著嚴重的鎂氧化問題，所以焊縫表面經常會發暗，焊縫表面顏色及成形比軟鋁稍差，在氣體保護不佳時，焊縫還會明顯發暗、發黑。

圖1 脈沖+短路氣體金屬弧焊（MUP）的電流波形Fig.1 Current waveform of pulsed and short gas metal arc welding(MUP)

關于MUP工法的研究主要集中在不同焊接規范參數下焊接過程的電弧穩定性，以及不同焊接工藝參數對魚鱗紋焊縫成形的影響效果上。而MUP各參數對鋁合金焊縫成形、微觀結構演化（孔隙度和粒度）、顯微硬度、力學性能（拉伸、沖擊和彎曲）以及耐腐蝕行為的影響將在后續試驗中一一進行論證、研究。

1 實驗材料與方法

本次焊接試驗材料選擇商用AA6061-T6鋁合金薄板，工件尺寸200 mm×50 mm、不同板厚的試板進行角焊縫焊接。為了排除外圍因素影響，保證良好的焊接性能，焊接填充材料選擇進口的薩福ER4043軟鋁焊絲，保護氣體選擇純度為99.99%的林德進口純氬氣，氣體流量設定為18 L/min，焊接電源采用松下自主研發的500GP5數字焊機和TM1400機器人，進行精準的自動化焊接，焊絲干伸長設定為15mm；試驗用500GP5數字焊機提前通過軟件編程實現MUP工法。焊前先用鋼絲刷將鋁合金試板表面清理干凈，并用丙酮進行清洗，以防止油、氧化物或水等雜質的影響。母材金屬和填充焊絲的化學成分如表1所示。MUP主要焊接參數如表2所示。在整個實驗過程中采用波形記錄儀收集相關電信號，以便于進行離線分析。

2 試驗結果與分析

2.1 焊接過程穩定

由于MUP采用的是高脈沖電流與低短路電流周期性切換的模式，所以必然存在高送絲速度（脈沖電流）與低送絲速度（短路電流）的周期性切換。當由高送絲速度向低送絲速度切換時，焊接能量輸出會瞬間降低，而由于送絲機送絲的滯后性以及送絲慣性等原因，送絲速度很難瞬間降低，如果此時能量匹配稍有不適，就會出現扎絲、斷弧現象，其波形如圖2所示，由于送絲速度與能量輸出匹配不當，焊接過程中出現了多次斷弧現象，頂絲、斷弧會導致電弧嚴重不穩定，不利于正常焊接，這在焊接過程中是必須避免的；同理，當由低送絲速度向高送絲速度切換時，焊接能量輸出亦會瞬間升高，此時送絲速度亦不能瞬間提高，如果此時能量匹配不合適，就會出現電弧上燃的現象。頂絲、斷弧與上燃均會導致焊接過程中電弧的不穩定，是必須避免的。對此進行了試驗研究，開發出了精準的脈沖+短路波形控制技術，目前已可以實現脈沖階段與短路階段的平穩過渡，徹底避免扎絲與上燃的發生。

表1 母材金屬和焊絲的化學成分Table 1 Chemical compositions of base metal and filler w ire %

表2 MUP主要焊接參數Table 2 Main welding parameters of MUP

ER4043軟鋁焊絲在MUP焊接過程中采集比較普遍的1#數據焊接波形如圖3所示。由圖3可知，整個焊接過程順利完成。瞬態電流波形由一系列連續的、周期穩定的高頻脈沖和短路組成，脈沖過程和短路過程不斷地發生周期性平滑切換，避免了切換階段扎絲、斷弧或電弧上燃的發生，整個MUP焊接過程中電流平穩過渡。此外，穩定的熔滴過渡也與穩定的瞬態電壓波形一一對應。

圖2 MUP軟鋁4043焊接過程中的扎絲斷弧波形Fig.2 W ire breaking arc waveform during welding of MUP sof t aluminum4043

2.2 焊縫成形

圖3 MUP軟鋁4043焊接過程中的瞬態電信號波形Fig.3 Transient electrical signal waveform in MUP ER4043 welding process

MUP主要焊接參數與各參數下的魚鱗片間距如表2所示。其中各組參數均為實際焊接后篩選出的焊接效果比較理想的參數；各個魚鱗片間距均為其焊縫正中間相鄰30個魚鱗片間的平均距離。因為鋁熱導率較高，散熱較快，尤其進行2.0 mm薄板焊接時，如果采用小電流、低速焊接，那么外圍一點點差異就會造成焊接效果的明顯不同；為了盡量排除焊接夾具和周圍散熱條件的影響，保證焊接條件的一致性，試驗過程中采用較大電流進行高頻、高速焊接。其中第一組參數研究了不同電流、不同頻率對2mm板厚角接時的焊縫成形影響規律；第二組參數研究了相同頻率和焊接速度下，不同焊接電流對2.5 mm板厚角接時的焊縫成形影響規律；第三組與第五組參數分別研究了在一定電流情況下，不同頻率對3.0 mm、4.0 mm板厚角接焊縫成形的影響規律；第四組參數研究了在相同電流與頻率下，不同焊接速度對4.0 mm角接焊縫成形的影響規律；第六組參數主要用于驗證相鄰魚鱗片間距經驗公式的適用性以及焊接電流對魚鱗紋成型的影響規律。

第一組板厚為2.0 mm的角焊縫焊接效果示意如圖4所示。對比分析發現，當焊接頻率為3.0 Hz時，魚鱗片間距較大，焊縫有下凹的跡象；隨著焊接頻率由3.0 Hz增加到3.5 Hz，相鄰魚鱗片的間距由3.5 mm減小到3.0 mm，焊縫比之前相對飽滿；對比2.0 mm-150 A-3.5 Hz與2.0 mm-160 A-3.5 Hz的焊縫照片可知，當焊接頻率與焊接速度一定時，隨著焊接電流的增大，相鄰魚鱗片的間距基本保持在約3.0 mm不變，且焊接電流增大時，由于熔池溫度增高、流動性變好，焊縫熔合線邊緣熔合得也更好，但魚鱗紋成型略微變差。

圖4 板厚2.0 mm時不同電流與頻率下的焊接效果對比Fig.4 Comparison of welding results at different current and frequency when plate thickness is 2.0 mm

第二組板厚為2.5 mm時的角焊縫焊接效果示意如圖5所示。對比2.5 mm-180A-3.5Hz與2.5mm-190 A-3.5 Hz的焊縫照片發現，焊接電流為180 A與190 A時的魚鱗片間距大致一樣，均為3.1 mm，但焊接電流190 A時的焊縫更加平滑一致，成形更加美觀，試驗結果同樣說明當焊接頻率與焊接速度一定時，隨著焊接電流的增大，相鄰魚鱗片的間距基本保持不變，這與第一組試驗結果相吻合。綜合對比第一組（2#、3#）與第二組（4#、5#）試驗數據也可以說明，當焊接速度與焊接頻率一定時，即使板厚與焊接電流不同，相鄰魚鱗片的間距也基本相同，說明魚鱗片間距主要由焊接速度和焊接頻率決定。

圖5 板厚2.5 mm時不同電流與頻率下的焊接效果對比Fig.5 Comparison of welding results under different current and frequency when plate thickness is 2.5 mm

第三組板厚為3.0 mm時的角焊縫焊接效果示意如圖6所示。隨著焊接頻率的逐漸增大，相鄰魚鱗片的間距逐漸減小，焊縫呈現更加飽滿的趨勢。頻率為3.0 Hz、3.5 Hz、4.0 Hz時的魚鱗紋成形比較清晰一致，兩側熔合線比較整齊，熔合較好；而當焊接頻率增加到4.5 Hz時，魚鱗片成形雖然比較清晰，但由于焊接頻率較高，脈沖與短路階段的時間較短，整個焊接階段一直都處在脈沖與短路階段的高頻切換中，電弧很難穩定，從而導致熔滴脫落一致性較差，魚鱗紋成形出現大小不一致的情形，故一般推薦使用4 Hz以下的切換頻率。這也從側面反映出，當焊接參數選擇得當時，焊縫成形對MUP焊接頻率的適應效較好，調節閾值較高。

第四組板厚為4.0 mm時的角焊縫焊接效果示意如圖7所示。分析可知，隨著焊接速度的逐漸增大，相鄰魚鱗片的間距也逐漸增大，由0.4 m/min時的2.5 mm逐漸增加到0.6 m/min時的3.75 mm，魚鱗片的間距逐漸變大。焊接速度為0.4 m/min、0.5 m/min、0.6 m/min時的魚鱗紋成形比較清晰一致，兩側熔合線比較整齊，熔合較好，說明焊接參數選擇得當時，焊縫成形對MUP焊接速度的適應效較好，調節閾值較高。此外，板厚為4.0 mm時的焊縫表面有少量的黑灰出現，表面亮度降低，這主要是由于焊接試板較厚、焊接熱輸入較低所致，故MUP新工法最佳焊接板厚推薦在4.0 mm以下。

圖6 一定電流情況下、不同頻率對3.0 mm角接焊縫成形的影響規律Fig.6 Influence of different frequencies on the formation of 3.0 mm corner weld under certain current conditions

圖7 相同電流與頻率、不同焊接速度對4.0 mm角接焊縫成形的影響規律Fig.7 Influence of the same current，frequency and welding speed on the formation of 4.0 mm corner weld

第五組板厚為4.0 mm時的角焊縫焊接效果示意如圖8所示。此組參數皆在驗證板厚為4.0 mm時的焊接頻率對焊接魚鱗紋成形的影響規律，與第三組參數目的一致。經分析發現，隨著焊接頻率的逐漸增大，相鄰魚鱗片的間距逐漸減小，由0.3 m/min、0.35 m/min與0.4 m/min時的3.75 mm逐漸降低到3.2 mm與2.75 mm，焊縫成形逐漸變得飽滿，這與第三組焊接參數結果一致。

試驗結果表明，MUP軟鋁數據的最佳焊接板厚為2.0～4.0 mm，當板厚一定時，焊接電流與焊接頻率均有較大的調節閾值，適用性較廣；當焊接頻率與焊接速度一定時，隨著焊接電流的增大，相鄰魚鱗片的間距基本保持不變；相鄰魚鱗片的間距主要由焊接速度和焊接頻率決定，當焊接速度逐漸增大或焊接頻率逐漸減小時，相鄰魚鱗片的間距亦會出現逐漸遞增的趨勢。

圖8 一定電流情況下、不同頻率對4.0 mm角接焊縫成形的影響規律Fig.8 Influence of different frequencies on the formation of 4.0 mm corner weld under certain current conditions

2.3 相鄰魚鱗片間距經驗公式

通常一個MUP焊接周期會形成一個魚鱗片，故除了受母材板厚與焊接電流大小的輕微影響之外，相鄰魚鱗片的間距主要由MUP焊接頻率和焊接速度決定，對此專門推導了相鄰魚鱗片的間距經驗公式

式中 L為相鄰魚鱗片的間距（單位：mm）；K為常量，相鄰魚鱗片間距修正系數，K=1.136；f為MUP焊接頻率（單位：Hz）；V為焊接速度（單位：mm/s）。

為了驗證公式是否準確，設計了第六組試驗參數。如果為了在降低速度（0.3 m/min）時保證4.0mm-3 Hz-0.4 m/min參數時的魚鱗片間距不變，可計算出頻率f=2.2 Hz；然后保持焊接速度和焊接頻率不變，焊接電流降低至210 A，再次驗證焊接電流對魚鱗紋成形的影響規律，試驗結果如圖9所示。

根據式（1）計算圖9中相鄰魚鱗片的間距，其值大小如表3所示。

表3 魚鱗片間距實際值與計算值Table 3 Actual value and calculation value of the distance between fish scales

經計算可知，圖9a中240 A-3.0 Hz-0.4 m/min條件下實際測得的相鄰魚鱗片的間距La為2.5 mm，理論計算值為2.52 mm，理論值與實際值較接近。為了驗證公式的實用性，改變MUP焊接頻率與速度，而為了保證相鄰魚鱗片間距不變，當焊接速度為0.3 m/min時，可以計算出其MUP焊接頻率應為2.2 Hz，其實際焊接效果如圖9b所示，Lb實際測量值為 2.65 mm，理論計算值2.58 mm；保持其他條件不變，焊接電流再次降低至210 A，其焊接效果如圖9c所示，Lc實際測量值為 2.60 mm，理論計算值2.58 mm，理論值與實際值基本一致，說明該公式可以為實際焊接工藝的制定提供理論指導。

3 結論

（1）松下GP5焊機精準的脈沖+短路波形控制技術可以實現脈沖階段與短路階段的平穩過渡，徹底避免扎絲與上燃的發生，實現穩定的焊接過程。

（2）MUP在焊接軟鋁的過程中，可以實現2.0～4.0 mm板厚完美焊接，焊接電流和焊接頻率均有較大的調節閾值，焊縫成形較好，適用性較廣。

（3）當焊接頻率和焊接速度一定時，隨著焊接電流的增大，相鄰魚鱗片的間距基本保持不變，相鄰魚鱗片的間距主要由焊接速度和焊接頻率決定。

（4）當焊接速度增大或焊接頻率減小時，相鄰魚鱗片的間距均會出現遞增趨勢。

圖9 相同電流與板厚條件下，頻率、焊接速度對4.0 mm角接焊縫成形的影響規律Fig.9 Influence of different frequencies on the formation of 4.0 mmcorner weld under certain current conditions

（5）設計、推導相鄰魚鱗片的間距經驗公式，并進行了實際驗證，推導值與實際值相符，說明此公式具有極大的實用性，可以為實際焊接工藝的制定提供理論依據。