鋁合金脈沖MIG焊焊接工藝的設計分析

劉新新

（湘潭電機股份有限公司結構件事業部，湖南 湘潭 411101）

鋁合金是現階段工業生產常用的金屬材料，不僅強度與鋼相當，而且密度遠低于鋼。然而，鋁合金可焊性一般較差，采用常規焊接方法難以保證焊接效果與質量，所以鋁合金焊接越來越多的采用雙脈沖MIG焊工藝，而想要達到預期效果，需以正確規范的工藝設計為前提。

1 鋁合金綜合性能與雙脈沖MIG焊

1.1 鋁合金綜合性能

鋁是呈銀白色金屬光澤的輕金屬，有著很高的導電率，只比金、銀、銅差，排在所有金屬的第四位，而且對于純鋁，且熱導率可以達到鋼的2倍以上，而且鋁的密度還很小。鋁合金雖然密度較低，但強度很高，與優質鋼十分接近，具有良好塑性，能通過加工制成多種型材，抗蝕性、導電性及導熱性均良好，在當代工業領域得到廣泛應用，實際用量僅次于鋼。除此之外，還有一些鋁合金能通過熱處理得到符合要求的抗腐蝕性能、機械性能與物理性能。鋁、鋁合金主要物理性能如表1所示。

1.2 焊接性

焊接性即金屬對于焊接的適應性，也可稱之為可焊性。可焊性能充分反映出某種金屬在焊接過程中獲得理想焊接接頭的難易性。可焊性還可細分成工藝焊接性與使用焊接性。一般對金屬可焊性會造成影響的常見因素包括以下幾種。

（1）金屬材料類型、性質與特點。

（2）設計方面的因素。

（3）工藝方面的因素。

（4）環境因素。

在對金屬可焊性進行分析時，碳當量是一項十分重要的分析指標，一般采用以下公式計算得出：

式（1）中，表示碳當量；C表示碳元素含量；Mn表示錳元素含量；Ni表示鎳元素含量；Cr表示鉻元素含量；Cu表示銅元素含量；V表示釩元素含量。

根據LY19（2219）各項性質與特征，采用式（1）對其碳當量進行計算，結果為0.48%，說明其可焊性相對較差，對焊接方式有較高要求，必須選擇正確焊接方式，只有這樣才可以有效保證質量。

1.3 焊接方法

對雙脈沖MIG焊而言，它除了能得到魚鱗狀外觀，還能大幅提高實際生產率，對減小氣孔率及改善焊縫組織等均有重要作用。同時，考慮到LY19（2219）的碳當量只有0.48%，對焊接方式有著極高的要求，為保證焊接質量，達到理想的效果，應采用雙脈沖MIG焊。

2 基于雙脈沖MIG焊的鋁合金焊接工藝設計

2.1 試驗材料與方法

采用基于試驗的方法驗證這種焊接方式對鋁合金焊縫造成的影響，從而完成工藝設計，以達到理想的焊接效果。本次試驗主要采用LY19（2219）作為母材，其厚度為8mm，將熱處理狀態確定為T6態，分別進行固溶處理與時效處理。試驗材料的焊接主要使用由德國CLOOS公司研制的Qunito 503MIG焊機，焊絲選用ER2319，其直徑為1.6mm，將氬氣作為保護氣體，純度為99%。試驗材料各化學成分的質量分數為：Cu—6.28%、Mn—0.30%、Ti—0.048%、Zr—0.12%、V—0.07%、Fe—0.22%、Si—0.08%；焊絲各化學成分的質量分數為：Cu—5.96%、Mn—0.30%、Ti—0.17%、Zr—0.12%、V—0.06%、Fe—0.14%、Si—0.04%。

表1 鋁、鋁合金主要物理性能

在焊接過程中，先在試驗材料的表面進行堆焊，期間觀察焊縫與硬度實際變化，以此選定適宜的工藝參數。然后以正確工藝參數進行焊接，將坡口形式確定為“X”形，呈80°。焊接后使用光學顯微鏡對焊縫進行仔細觀察，再檢測焊縫實際硬度，將荷載確定為10kg，借助AG-250KNE電子拉伸實驗儀對接頭進行拉伸試驗。

2.2 結果與分析

2.2.1 試驗結果

經試驗發現，雙脈沖MIG焊過程中，如果低頻脈沖參數發生變化，則焊縫的組織與成型均會受到影響。基于此，分別將低頻脈沖的時間與頻率，以及高、低頻脈沖的峰值電壓實際差值視作進行正交試驗分析的元素，用于明確焊縫性能與組織受脈沖參數及其變化的影響。因焊縫晶粒大小對焊縫整體機械性能有直接影響，同時硬度還能真實反映出機械性能情況，所以將硬度視作判斷焊縫性能能夠達到要求的標準。以正交表的既定排序規律作為依據，確定正確的試驗順序及表頭，如表2所示。

表2 正交試驗水平表

雙脈沖MIG焊過程中，使高頻脈沖參數始終保持不變，具體的脈沖參數包括：

（1）脈沖頻率f為210Hz。

（2）脈沖時間t為2ms。

（3）基值電流為80A。

（4）峰值電壓為29.8V。

（5）送絲速度為5.2m/min。

試驗結果為：

（1）峰值電壓實際差值為3V。

（2）第二脈沖頻率為6Hz。

（3）第二脈沖時間為3ms。

（4）硬度為128.4HV。

接頭拉伸試驗結果為：

（1）單脈沖工藝條件下：①抗拉強度為296.4MPa；②屈服強度為191MPa；③延伸率為4.7%；④斷面收縮率為19.7%。

（2）雙脈沖工藝條件下：①抗拉強度為298.8MPa；②屈服強度為193.9MPa；③延伸率為5.0%；④斷面收縮率為23.8%。

其中，延伸率的計算公式為：

上式中，ΔL 表示材料拉伸斷裂后標距段總變形；L表示原標距長度。

2.2.2 結果分析與討論

對以上試驗結果進行分析，可得以下結果。

（1）經正交試驗，可確定采用雙脈沖MIG焊對LY19（2219）進行焊接時，應將各項工藝參數確定如下：①峰值電壓實際差值—3V；②第二脈沖頻率—6Hz；③第二脈沖時間—3ms。（2）在進行雙脈沖焊接的過程中，峰值電壓發生的具有一定周期性的實際變化，會為熔池液體提供攪拌作用，使焊縫組織被細化，從而增強焊縫強度與塑性。

3 結語

綜上所述，采用雙脈沖MIG焊對LY19（2219）進行焊接是可行的，只要工藝參數正確，即可達到理想的焊接效果，焊縫組織良好、強度大，接頭各項指標符合設計要求。

參考文獻：

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