焊縫厚度對鋁合金機器人焊接氣孔影響的研究

萬加新，李科穎

（1.比亞迪汽車工業有限公司，廣東 深圳 518118；2.株洲聯誠集團控股股份有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著高速列車和城市軌道交通的發展，國內外使用鋁合金制造車體已經很普遍。我國從引用德國西門子、法國阿爾斯通、日本川崎的車體生產技術，到目前車體生產的國產化，制造工藝和技術已經非常成熟。焊接是車體制造的主要工藝手段，機器人焊接更是一種焊接趨勢，對鋁合金焊接工藝的研究是提升車體制造技術的重中之重，機器人焊接工藝的研究就是一個突破口。

鋁合金焊接中最容易出現的缺陷是氣孔、熱裂紋、未融合、夾雜、咬邊等等。但在這些缺陷中，通過工藝優化或改進都能有效的進行控制。唯有氣孔是鋁合金焊接中難以消除的一個缺陷。目前，對于鋁合金焊接氣孔控制的主要工藝方法主要有：①有效控制焊接環境的溫濕度，一般來說環境溫度控制在5℃以上，環境濕度控制在60RH%；②將鋁合金表面的一層氧化膜清理干凈；③預熱，一般來說，預熱溫度控制在80℃～120℃左右；④調整焊接參數，適當減少電弧長度，控制焊接速度，不宜過快。本文將對株洲聯誠集團地鐵鋁部件事業部研究的通過控制焊縫熔敷厚度來減少氣孔的工藝進行闡述和分析。

1 實驗材料、設備及方法

1.1 實驗材料

實驗采用目前鋁合金車體應用最為廣泛的6082-T651鋁合金，其化學成分及力學性能見表1。6082鋁合金是能夠熱處理可強化的鋁合金板材，具有中等強度和良好的焊接性能、耐腐蝕性，主要用于交通運輸和結構工程工業。如橋梁、起重機、屋頂構架、運輸機、運輸船等。6082-T651是將6082的鋁合金板材進行固溶化熱處理，并通過一定控制量的拉伸以消除應力，然后進行人工時效，產品在拉伸后不再做進一步的校直。試驗用鋁板的厚度為18mm。

表1 6082-T651鋁合金的化學成分及力學性能

1.2 實驗設備及方法

（1）焊接設備及工藝介紹。機器人焊接設備是采用奧地利的IGM-K5焊接機器人。它采用的是Fronius TPS-5000的焊接電源，KUKA機器手臂，IGM伺服系統。

焊接工藝采用機器人MIG（熔化極惰性氣體保護焊）焊接。MIG焊是利用射滴過渡的方式實現無飛濺過渡的一種焊接方式。主要優點有：①焊絲與工件不接觸，沒有飛濺，無需清渣；②電流范圍大，能在小到20A，大到500A的范圍內穩定地焊接，而一般氣保焊穩定焊接的范圍交窄；③能實現全位置焊接；④晶粒細小，焊縫強度高；⑤熔深深。焊接材料采用的是AlMg4.5MnZr （ER 5087），φ1.6mm的鋁合金焊絲，5087 焊絲不僅抗裂性能好,抗氣孔性能優越,而且強度性能也很好。焊接保護氣體采用的是70%Ar+30%He+150ppmN2。采用混合氣是因為30%He能夠有效的增加焊縫的熔深，而是用70%Ar是在節約成本的基礎上，同樣能起到保護氣體的作用。

（2）實驗方法。實驗采用平板開坡口對接焊，背面帶永久性焊接墊板，如圖1；采用兩種不同的焊接層道數作對比的方法，分別采用4層5道和5層7道的機器人焊接工藝，如圖2、圖3。對焊接準備工作不做任何的改變，對焊接參數只針對層道數的區別做相應的調整。

圖1 焊接層道數示意圖

圖2 4層5道機器人焊接工藝示意圖

圖3 5層7道機器人焊接工藝示意圖

焊接工藝為4層5道的焊接參數見表2，焊接工藝為5層7道的焊接參數見表3。焊接前均采用焊前預熱，預熱溫度為100℃，焊接過程中對層間溫度進行控制，控制在80℃，并使用測溫筆對溫度進行測量。

表2 4層5道機器人焊接工藝參數

表3 5層7道機器人焊接工藝參數

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

采用4層5道機器人焊接工藝進行焊接的平板對接焊縫每一層焊道的熔敷厚度較厚，從X射線底片上可以看出，焊縫內氣孔較多，根據射線探傷評定標準EN12517評定，氣孔數量超標，焊縫不合格。4層5道工藝的宏觀金相圖如圖4所示，X射線檢測結果如圖6所示；采用5層7道機器人焊接工藝進行焊接的平板對接焊縫每一層焊道的熔敷厚度較薄，從X射線底片上可以看出，焊縫內氣孔較少，根據射線探傷評定標準EN12517評定，氣孔數量未超標，焊縫合格。4層5道工藝的宏觀金相圖如圖5所示，X射線檢測結果如圖7所示。

圖4 4層5道工藝的宏觀金相

圖5 5層7道工藝的宏觀金相

圖6 4層5道工藝的宏觀金相X射線檢測結果

圖7 5層7道工藝的宏觀金相X射線檢測結果

2.2 實驗結果分析

我們將宏觀金相上的每一層的焊縫熔敷厚度進行測量，測量后的結果見表4。根據表4中的對比數據，我們可以看出，5層7道的焊接工藝比4層5道的焊接工藝每一層熔敷金屬要薄1mm左右。而X射線底片上顯示的結果又是多層焊道中氣孔的累積結果。

表4 不同工藝焊縫熔敷厚度對比表

鋁合金焊接過程中所產生的氣孔，絕大部分都是氫氣孔。因為鋁合金在焊接過程中，熔融狀態下，氫氣在鋁合金熔池中的溶解度非常大。但在鋁合金焊縫熔池的冷卻過程中，氫氣的溶解度急劇下降，而且鋁合金焊接過程中的冷卻速度非?？?。氫氣隨著溶解度的急劇下降，鋁合金焊縫熔敷厚度過厚，冷卻速度過快，部分氣體來不及溢出焊縫熔池，而殘留在焊縫當中，就形成了焊縫氣孔。

所以在X射線底片中，我們看到采用4層5道機器人焊接工藝的焊縫，遠比5層7道機器人焊接工藝的焊縫中的氣孔要多得多，那就是因為4層5道焊接工藝的焊縫中，每一層焊道的熔敷金屬較厚，而導致部分氣體來不及溢出焊縫熔池，形成了大量的氣孔。而在采用5層7道焊接工藝的焊縫中也存在少量的氣孔，說明了在鋁合金焊接過程中，氣孔是很難完全根除的。

3 結論

（1）鋁合金機器人焊接過程中，通過調節焊接參數，主要是焊接功率和焊接速度，從而控制焊縫熔敷厚度，能夠達到減少焊縫氣孔的作用。

（2）鋁合金機器人焊接過程中，焊縫氣孔是很難根除的。