鋁合金T型HV焊縫焊接工藝研究

摘" 要：針對鋁合金T型HV焊縫易出現未熔合、未焊透、過度滲透等焊接缺陷，該文通過對T型HV焊縫坡口內的電弧行為分析可知，最小電壓原理與電弧穩定燃燒特性共同作用的結果使得電弧沿T型HV焊縫直邊坡口側攀升，導致焊縫根部或焊道與直邊坡口側壁之間產生未熔合、夾渣等焊接缺陷;焊槍角度和坡口形狀是2個重要的外界誘導因素。批次生產表明，優化坡口設計結構和熟練的焊工操作技能極大減少了焊接缺陷的產生，保證產品質量。

關鍵詞：T-HV焊縫;電弧行為;焊接缺陷;焊槍角度;坡口形狀

中圖分類號：TG444" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0100-04

Abstract： In view of the welding defects such as non-fusion， non-penetration and over-penetration of T-type HV weld of aluminum alloy， through the analysis of arc behavior in T-type HV weld groove， it is known that the joint action of minimum voltage principle and arc stable combustion characteristics makes the arc climb along the straight slope of T-type HV weld， resulting in welding defects such as non-fusion and slag inclusion between weld root or weld bead and straight groove side wall. Welding torch angle and groove shape are two important external inducing factors. Batch production shows that the optimization of groove design structure and skilled welder operation skills greatly reduce the occurrence of welding defects and ensure product quality.

Keywords： T-HV weld; arc behavior; welding defect; torch angle; groove shape

隨著軌道車輛的高速發展，鋁合金的使用越來越廣泛，而鋁合金本身熔點低、熱導率高、膨脹系數大的特點，使得其在焊接過程中相對難于控制，尤其對T型HV焊縫的焊接，更增加了操作難度，更易產生未熔合、未焊透、過度滲透等焊接缺陷。合適的焊槍角度是焊接可達性的必備保證，焊槍姿態的改變會導致熔池流動、受力和傳熱均發生改變，進而影響焊縫成形和焊縫質量[1]，因此各種焊接缺陷的原因除受本身材料的物理性能、焊縫坡口形狀、母材厚度和焊接參數影響外，更主要取決于合適的焊槍角度及熟練的焊工技能。本文通過對T型HV焊縫坡口內的電弧行為進行分析，指出焊槍角度和坡口設計形狀是重要的影響因素，對鋁合金T型HV焊縫的焊接生產具有一定的指導意義。

1" T型HV焊縫的結構介紹

鋁合金T型HV焊縫接頭（不帶焊接墊板）在軌道車輛車體結構設計中被廣泛使用，起到傳遞重要載荷的作用，對此焊縫接頭有較高等級的質量要求，以往研究資料表明：T型HV焊縫在良好焊接的情況下，垂直于焊縫方向的縱向殘余應力為拉應力，且由板寬兩側向中心逐漸增大，最大縱向殘余應力并非位于焊縫中心處，而是距離焊縫中心線約10 mm位置[2]，因此，T型HV焊縫的直邊坡口側將是最大殘余應力區域。T型HV焊縫接頭其主要有以下2種接頭型式，如圖1所示。根據EN 15085-3和ISO 9692-3標準，通常單邊V型坡口角度為55±5°，關于焊縫的熔深，t（mm）表示件1的材料厚度，s（mm）表示焊縫坡口鈍邊的厚度，焊縫熔深計為t-s（mm），對全熔透焊縫而言，單邊坡口鈍邊小于等于1 mm，焊縫間隙為0～0.5 mm，鑒于該焊縫的重要性和特殊性，對該焊縫組裝提出了精確的尺寸要求，同時對焊工技能提出了更高的要求。

2" T型HV型焊縫的工藝研究

2.1" T型HV焊縫坡口內的電弧行為

在實際生產過程中鋁合金T型HV焊縫的直邊坡口側常出現未熔合、未焊透、過度滲透等焊接缺陷，增加了焊接返修的難度，使焊縫質量難以保證。鋁合金本身物理性能、焊縫坡口形狀、母材厚度、焊接參數、焊槍角度和焊工技能等因素都是導致產生上述焊接缺陷的因素之一。而焊接是焊件局部瞬時加熱至高溫并快速冷卻的極其復雜的過程，首先T型HV焊縫坡口內的電弧的陰極斑點有效地作用于坡口根部和坡口兩側壁的區域內，這是得到高質量焊接接頭的前提。電弧是一種可壓縮的“彈性軟導體”，以往研究表明，在窄間隙焊接過程中，當焊縫的根部坡口寬度小于相同參數下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，在間隙長度方向上擴展，電弧易沿坡口側壁攀沿而產生未熔合等缺陷。常規的V型坡口焊縫，電弧在燃燒過程中能充分發揮自調節作用，充分表現出電弧穩定燃燒的特性。

穩定工作的電弧，具有確定的電弧半徑，電弧呈軸對稱分布，電弧半徑使得弧柱沿長度方向的電場強度具有最小值，即在環境條件一定時，燃燒的電弧將自動選擇一個適當的導電路徑[3]，以保證電弧的電場強度具有最小的數值，電場強度與電弧的長度成正比，也就是說電弧要選擇較短的導電路徑，即根據最小電壓原理，電弧會選擇一個相對較短的導電路徑進行導電，此時弧長穩定，電弧基本不受外界條件的干擾而自由燃燒。弧長的長短決定其電弧加熱的范圍，合適的弧長能保證電弧有效地加熱熔化焊縫坡口的根部和側壁，電弧長度與電壓成正比，在電弧自調節作用下，表現為電弧穩定燃燒，電壓相對穩定。對于鋁合金T型HV焊縫坡口，單邊55°的坡口使得焊槍角度具有不確定性，導致焊絲端部距離焊縫坡口兩側面的距離具有不確定性，即弧長在焊接過程中不斷發生變化。在圖2（a）中當焊槍角度偏離導致焊絲端部到坡口最低點的距離大于焊絲端部到直邊坡口側壁的距離，超出電弧自調節范圍，根據最小電壓原理，表現為電弧會沿坡口直邊側壁攀升燃燒，導致坡口根部或側壁不能得到加熱，而電弧具有穩定燃燒的特性，導致圖2（a）電弧必然由處于不穩定的狀態向穩定狀態過渡，電弧在坡口內沿側壁攀沿，如圖2（b）所示，此時在焊縫底部和直邊坡口側壁交角區域的電流密度始終趨于零，這是導致焊縫根部或根部與直邊坡口側壁之間產生未熔合、夾渣等焊接缺陷的主要原因，如圖2（c）所示。通過對T型HV焊縫坡口內電弧行為分析可知，焊槍角度不確定性導致焊接電弧出現攀升現象的原因是最小電壓原理與電弧穩定燃燒特性共同作用的結果。

2.2" 焊槍角度對焊接的影響

鋁合金本身具有熔點低、高熱導率、膨脹系數大的特點，相對于碳鋼而言焊接過程難于控制，而對于T型HV型焊縫本身的55°非對稱的坡口角度，又增加了焊接操控難度，導致在實際生產過程中更易出現未熔合、未焊透、過度滲透等焊接缺陷。與此同時，焊槍角度不合理使得焊接熱量分布不均勻，導致焊縫接頭局部熱量集中而導致溫度偏高，造成焊接熱影響區及附近熱應力高度集中，成為鋁合金焊縫搭接接頭焊趾處產生裂紋[4]。通常而言，在規范的焊接參數下，焊工經驗和技能的實質是焊槍角度與熔池的交互行為，熟練焊工通過觀察熔池表面三維形態實時調整焊槍姿態從而使熔池始終保持最佳狀態，保證在復雜工況下良好的焊縫成形[5]，因此，鋁合金T型HV焊縫的焊接更主要取決于合適的焊槍角度及熟練的焊工技能。

以圖1（a）所示全熔透T型HV焊縫進行焊槍角度分析，針對T型HV焊縫的根部焊接，在圖3（a）中，焊縫根部記為（G點），當焊槍與件2的夾角小于25°時，即焊絲端部偏離G點而偏向件1側，此時易導致焊縫根部過度滲透或焊穿，隨著焊接的進行，焊槍角度發生變化導致電弧失去自調節作用，還將會導致電弧沿T型HV焊縫的直邊坡口側壁攀沿，導致焊縫根部或根部與直邊坡口側壁之間產生未熔合、夾渣等焊接缺陷;在圖3（b）中，當焊槍與件2的夾角大于35°時，即焊絲端部偏離G點而偏向件2側，焊接溫度場及熱輻射能量分布不均，會導致焊縫根部未焊透。因此，針對圖1（a）所示的焊縫接頭，增強焊工質量意識和針對焊槍角度的實操練習是兩個必不可少的環節，與此同時，還需加強焊接過程中的監督與指導，參照標準ISO 6947及實際生產經驗，推薦焊槍與件2呈30±2°的夾角。

2.3" T型HV焊縫坡口對焊接的影響

T型HV焊縫的另外一種接頭型式如圖1（b）所示，此種接頭型式的特點是焊縫坡口兩側的母材平齊，且件2的厚度直接影響此焊縫的設計熔深，如件2厚度較小，而熔深較大，高能熱量集中而無法有效傳遞將會導致件2母材熔化或流淌，因此相對于圖1（a）的焊接接頭更難于施焊，焊槍角度不合適同樣會出現圖2（c）焊縫結構產生的焊接缺陷，即直邊坡口側未熔合或熔合不良。另一方面，焊縫的設計熔深間接影響到電弧燃燒的穩定性和電弧的作用范圍，通過大量的焊接試驗可知：當設計焊縫熔深大于等于8 mm時，焊接參數合適，焊槍角度合適，通常不會產生未熔合、未焊透、過度滲透等焊接缺陷;當設計焊縫熔深為3～8 mm時，焊縫根部易產生熔合不良或未熔合，如圖4（a）所示，分析原因：當設計焊縫熔深為3～8 mm時，根據最小電壓原理與電弧穩定燃燒特性，坡口內的電弧行為發生改變，電弧失去自調節作用，電弧未直接作用于焊縫底部的B區域，而直接作用于件2的A區域且保持穩定燃燒，如圖5（a）所示，此時在焊縫底部和直邊坡口側壁交角區域的電流密度始終趨于零，從而導致焊縫根部或根部與直邊坡口側壁之間產生未熔合、夾渣等焊接缺陷。

針對此種焊縫在熔深3～8 mm易出現未熔合、夾渣缺陷的問題，可在件2厚度滿足設計焊縫熔深的情況下，將此T型HV焊縫坡口角度由55°優化為70°，即將件2的直邊坡口側上的A點區域開15°坡口，如圖5（b）所示，工藝試驗宏觀顯示焊縫熔合良好，如圖4（b）所示。批次生產實際焊接表明，此種T型HV焊縫接頭坡口角度優化后，焊接質量穩定，大大減小了焊接返修工作量。

3" 結論

1）通過對T型HV焊縫坡口內的電弧行為分析可知，最小電壓原理與電弧穩定燃燒特性共同作用的結果使得電弧沿T型HV焊縫直邊坡口側攀升，導致焊縫根部或根部與直邊坡口側壁之間產生未熔合、夾渣等焊接缺陷。

2）針對T型HV焊縫，焊槍角度和坡口的設計形狀是產生焊接缺陷的2個重要誘導因素，推薦焊槍與工件的水平夾角呈30±2°，優化坡口設計結構和熟練的焊工操作技能極大減少了焊接缺陷的產生，保證了產品質量。此外，建議鋁合金T型HV焊縫盡可能采用帶凹槽焊接墊板的焊縫結構設計，焊接工藝制定前對T型HV焊縫坡口設計進行工藝審核和優化，可以起到防患于未然的作用。

參考文獻：

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[3] 顧玉芬，何冠宇，石玗，等.窄間隙約束下熔化極氣體保護焊的電弧形態和熔滴過渡分析[J].上海交通大學學報，2016，50（10）：1526-1529，1534.

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