軌道車輛用鋁合金厚板角接自動焊工藝

姚肖潔，侯振國，王陸釗，鈕旭晶，田忠利

（唐山軌道客車有限責任公司 制造技術中心，河北 唐山 063035）

0 前言

鋁合金具有密度低、強度高、塑性好和優良的導電、導熱性和抗蝕性等特點，逐漸成為工業上使用最多的結構材料，全鋁結構的鋁合金軌道車輛已經廣泛用于我國鐵路車輛制造業和城市軌道交通裝備制造業。其中，牌號為6082的鋁合金具有良好的熱擠壓成型性和焊接性能以及較高的強度，是軌道車體首選的鋁合金板材和型材原材料。

隨著生產中對焊接質量及焊接效率越來越高的要求，焊接機械手作為常見的一種自動焊設備，因為具有自動化程度高、焊接過程穩定和焊接狀態容易保證一致等優點，已經在鋁合金焊接中得到了較廣泛的應用，尤其是在厚板焊接或者長大焊縫的焊接中，利用焊接機械手代替手工模式進行焊接，在減小焊接接頭結構變形的同時，還能夠獲得較高的焊接質量，提高生產效率，改善勞動條件。但是機械手焊接時的冶金過程和手工焊有很大的不同，焊縫質量要受到焊接效率、焊接熔透性、焊接熱輸入、焊接氣孔和裂紋的特殊制約，同時非一元化的焊接電源特性，使得自動焊參數的制定比手工焊要多花幾十倍的時間[1]。以CLOOS機械手焊接厚板角焊縫為例，從解決焊接過程中的常見問題的角度，分析了機械手焊接時幾個主要焊接參數和外部因素對焊縫外觀尺寸及成形、焊縫內部質量的影響。

1 厚板角接自動焊常見問題

厚板焊接過程中，存在母材散熱較快、所需熱輸入較大等問題，在使用自動焊設備焊接角焊縫的焊接工藝試驗過程中，多次出現焊接缺陷，包括外觀形狀和尺寸缺陷及焊縫內部缺陷，延長了工藝試驗的周期，影響產品的生產進度。在實際生產過程中，焊接缺陷還會帶來相應的返修，影響產品的生產進度，6082-T6鋁合金作為（固溶熱處理+人工時效）固溶時效強化鋁合金，焊接產生的熱量會使焊接接頭發生軟化[2]，返修次數過多，工件整體熱輸入增加，會引起焊接熱影響區的母材強度急劇下降，進而對車體的整體強度有一定的影響，造成行車時的安全隱患。

在角接自動焊工藝試驗過程中，出現的主要問題包括：a.焊縫偏向某一側母材；b.焊角尺寸不能滿足設計要求及其他成形不良缺陷；c.焊縫根部出現裂紋。

針對上述問題進行綜合分析，將焊接工藝進行適度的調整與匹配，解決了上述問題，并對幾個主要影響因素進行了分析。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗用材料為6082鋁合金試板，規格15 mm×300 mm×500 mm和 15 mm×150 mm×500 mm，熱處理狀態為T6，即固溶熱處理+人工時效，其化學成分見表1。焊前先采用D40清洗劑對焊縫附近的母材上的油脂進行清洗，之后用風動打磨工具打磨去除焊縫附近的氧化皮。

表1 6082鋁合金的化學成分Tab.1 Chemical constituent of 6082%

焊絲采用ER5087，規格φ1.6 mm，化學成分見表 2，保護氣體采用三元混合氣 φ（Ar）70%+φ（He）29.985%+φ（N2）0.015%。

在進行焊接工藝試驗時，裝配簡圖如圖1所示，將15 mm×150 mm×500 mm規格的鋁板作為立板進行焊接，焊接角焊縫的尺寸為a6。

表2 5087焊材的化學成分Tab.2 Chemical constituent of 5087%

圖1 角焊縫裝配示意Fig.1 Sketch map of fillet weld assembling

2.2 試驗方法

采用德國生產的CLOOS焊接機器人進行焊接，焊后用鋸床切取宏觀金相試樣，將試樣兩斷面鋸平，在機械拋光機上打磨平整，采用10%的NaOH腐蝕液腐蝕，使用酒精洗凈，吹干后在放大鏡下觀察焊縫的宏觀組織形貌。

通過試驗得到了一組合理的工藝參數，觀察其宏觀金相，焊縫根部和側壁熔合良好，焊角尺寸符合要求，無焊接缺陷。

3 試驗結果與分析

3.1 焊接規范

如何合理匹配焊接速度、送絲速度、脈沖頻率、脈沖時間等焊接參數來滿足最佳的焊縫成形狀態和焊接效率，是應用機械手進行焊接的關鍵。在此主要從焊縫填充量和熱輸入量兩個角度分析上述焊接參數的主要作用，提取三組試驗采用的焊接工藝參數進行分析，如表3所示。

（1）焊縫填充。

在焊接厚板角焊縫的試驗初期，出現焊角尺寸不滿足設計要求的問題，而焊縫熔合良好，表明焊縫的金屬填充量不足。在焊接參數中，送絲速度主要控制單位時間內焊縫金屬的填充量，焊接速度則是通過控制單位時間焊槍沿焊道的行進速度來影響焊縫金屬的填充，合理選擇送絲速度和焊接速度并匹配其他焊接參數可以獲得相應的焊縫尺寸，并保證焊縫的外觀成形質量，如圖2c所示。如果兩者匹配不合理，比如送絲速度過小而焊接速度過大時，會造成焊縫表面拉斷，如圖2a所示。相反，則會導致角焊縫凸度過大，如圖2b所示。

表3 角接自動焊的工藝參數Tab.3 Welding parameter of automatic fillet welding

圖2 焊縫的外觀質量Fig.2 Appearance of welding seam

另外，焊接電壓決定了功率，當焊接電壓低時，焊縫寬度變小，電弧的硬度高，穿透力強，但是電壓過低容易引起飛濺，導致電弧不穩定。適當提高焊接電壓，會增加焊縫寬度，電弧也比較平穩，但是過大的電壓也會使得電弧發飄，不利于焊縫熔合效果。

（2）焊接熱輸入。

焊接熱輸入是影響焊接接頭組織晶粒大小、強度和韌性的重要因素，焊接熱輸入過大會導致熱影響區過時效而發生軟化，在晶粒粗大的焊接熱影響區，低熔點共晶相Al-Mg2Si以薄膜狀分布在晶粒界面上[3]，在焊接應力的誘導下產生裂紋，并伴隨裂紋向焊縫中間及周圍母材擴展，成為液化裂紋。因此，熱輸入過大是導致焊接接頭熱影響區軟化、晶粒粗化、焊接裂紋產生和擴展的根本原因[4]。根據鋁合金MIG焊接的焊接熱輸入計算式（Q=0.8UI/v），自動焊的速度、焊接電壓與電流直接關系到焊接熱輸入，焊接速度過低，焊接電壓與電流過高，都會使得熱輸入過大，導致熱處理鋁合金嚴重退火，進而在焊后收縮帶來的應力作用下產生根部裂紋并擴展。

根據表3中的三組參數進行了自動焊焊接試驗，采用第一組參數得到的焊角尺寸為5.3，不滿足設計的a6尺寸要求，采用第2組和第3組進行焊接，均獲得了滿足要求的焊角，焊角約為a6，但在使用第2組參數進行焊接時，焊縫根部出現了擴展裂紋，如圖3所示，結合上述分析，判斷為第2組的焊接熱輸入過大導致。第3組的焊接參數最為合理。

圖3 角焊縫根部出現裂紋Fig.3 Root crack of fillet weld

3.2 焊槍調整

在角焊縫的焊接過程中，通過調整焊槍可以得到良好的焊絲指向和位置，從而獲得良好的焊縫成形和根部熔合情況。在本研究的工藝試驗過程前期，由于焊槍調整不合理等因素作用，使得焊角多次偏向某一側母材，減小了焊角的有效厚度，并容易造成焊趾處熔合不良。

（1）焊槍角度。

理論上講，如果底板與立板的板厚相同時，焊絲指向以45°指向焊縫根部，如圖4a所示，即可保證焊縫上沿和下沿熔合良好，且偏角不大，宏觀金相如圖4c所示。如果焊槍角度過大，則焊絲過于偏向底板，如圖4b所示。在焊接過程中，由于底板的母材熔化和填充金屬熔敷過多，會導致立板處的焊縫金屬填充量不足，焊縫成形后偏向底板側，如圖4d所示，焊角偏移使得角焊縫的有效厚度小于要求尺寸，進而無法滿足設計的焊接強度要求。與此同時，如果焊前預熱溫度和焊接熱輸入控制不當，還可能會引起立板側焊縫熔合不良或者底板側母材過熱被燒穿的隱患。

圖4 焊槍角度對焊縫宏觀金相的影響Fig.4 Effect of welding torch angle on the macrofractography

反之，如果焊絲過于偏向立板，會導致成形后的焊縫過于偏向立板，也會帶來焊縫有效厚度不足、強度不夠等問題。

在實際焊接過程中，焊槍角度還會受到焊絲的撓度等的干擾，在調整焊槍角度時，要根據焊絲的彎曲情況對焊槍角度進行適當調整。

（2）焊槍前傾角。

通過調節焊槍前傾角的大小，可以控制焊接過程中保護氣體噴出的路線，進而影響其對焊接熔池及相鄰焊接區域的保護效果。過小的焊槍前傾角使得噴嘴氣體產生紊流，電弧周圍空氣進入，使熔池缺少保護而產生缺陷，過大的焊槍前傾角會使已成形但尚未完全凝固的焊縫區域由于缺乏保護而產生氧化，焊縫發黑[5]。

在使用機械手進行焊接時，為減小焊接熱輸入，多使用焊槍直拉的方式進行焊接，此時可以通過適當減小焊槍前傾角來減小焊縫的余高，同時也可有效解決焊縫窄、焊趾處不圓滑、蓋面焊縫成形差的問題。通常，機械手焊接的焊槍前傾角度選擇 75°~80°。

3.3 熱傳遞

與碳鋼、不銹鋼相比，鋁及鋁合金的重要特性之一就是熱導率較大，其導熱速度是鋼的3倍。當環境溫度較低或者母材的厚度較大時，鋁合金焊接需要的熱量更大。為了保證在一定的焊接工藝規范條件下，焊接接頭的熱循環曲線保持一定形狀，進而獲得滿意的焊接接頭性能，一般在焊接厚板之前要使用烤槍對焊接區域進行火焰預熱，以減小熱輸入和降低熱量損失，預熱溫度控制在100℃~120℃。

在焊接工藝試驗中，由于底板與平臺接觸，除去母材自身與空氣之間的熱傳遞之外，還與平臺之間存在熱傳導，而立板不與除空氣外的其他介質接觸。同時，試驗采用的立板尺寸為底板的一半，也有助于分析傳熱對焊縫熔合效果的影響。在焊接過程中，雖然立板與地板厚度相同，但是由于立板尺寸較小，散熱速度要遠低于底板，立板的焊縫根部熔合情況明顯好于底板。

另外，為避免立板與底板的焊前溫度相差過大，預熱時盡量多預熱底板，進而通過熱傳導的方式加熱立板，同時，將底板下方墊起，可減少底板與除空氣外其他介質之間的熱傳遞。

3.4 約束條件

（1）裝配間隙。

在角焊縫焊接的過程中，裝配質量對焊縫的焊接質量有決定性的影響，如果焊接前間隙過大，會形成角焊縫焊接的裂紋源，裂紋擴展形成焊縫缺陷，影響產品質量。同時，裝配間隙帶來的焊接應力可能誘使焊接裂紋的發生與發展。

在工藝試驗過程中，針對裝配間隙較大的焊縫，分別在點固段和未點固段進行取樣，通過對比發現，背后有點固焊縫的角焊縫根部出現裂紋的幾率明顯低于無點固焊縫處。因此，在裝配過程中，采用合理的壓卡，在標準規定范圍內盡量降低角焊縫的裝配間隙，能夠有效地降低焊接接頭應力，避免焊后接頭的應力過于集中，進而避免焊后裂紋的產生。

（2）工裝壓卡。

為了保證焊縫的裝配間隙，使用合適的工裝和卡具必不可少，同時應當注意的是，角焊縫焊接過程中，焊縫收縮會引起工件發生變形，其中以角變形為主。如果工裝壓卡不合理或不到位，在焊接過程中，靠近起弧端的焊縫收縮使工件發生變形，直接影響未焊段焊縫的焊槍角度，進而影響焊縫的外觀及內部質量，因此，應對工件的壓卡給予足夠重視。

4 結論

通過上述分析可知，焊縫的焊接質量受焊接規范、焊槍調整、工件熱傳遞及約束條件等因素的限制，而這幾個因素之間又相互制約。針對厚板角接自動焊試驗中出現的主要問題，對上述四個因素進行工藝分析并優化，為克服機械手焊接角焊縫乃至其他類型的焊縫時的缺陷提供了一定的參考，有助于提高生產效率。

（1）焊縫偏向某一側母材：調整焊槍角度，使焊絲以45°指向焊縫根部；同時，要使用有效的壓卡，控制焊接過程中角變形；預熱時盡量多預熱散熱較快的一側母材。

（2）焊角尺寸不能滿足設計要求及其他成形不良缺陷：合理匹配焊接參數，關鍵是送絲速度和焊接速度的調整；同時，盡量使焊槍前傾角度在75°~80°。

（3）焊縫根部出現裂紋：調整焊接參數，降低焊接熱輸入；在焊前盡量減小裝配間隙。

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[1]王炎金，丁國華.鋁合金車體制造關鍵技術研究[J].焊接，2007(7)：12-16.

[2]劉春寧，王秀義，鈕旭晶，等.補焊對6082鋁合金焊接接頭組織和性能的影響[J].焊接技術，2012，41(1)：5-7.

[3]劉仁培，董祖玨，潘永明.6082和ZL101鋁合金低熔共晶測試與分析[J].焊接學報，2005，26(10)：27-30.

[4]劉春寧，唐衡郴，王陸釗，等.軌道車輛用鋁合金自動焊搭接接頭裂紋研究[J].電焊機，2011，41(11)：39-43.

[5]王炎金.鋁合金車體自動焊技術研究[J].金屬加工，2009，（增刊）：99-104.