焊接速度對(duì)鋁合金薄板氣孔率影響的研究

吳傳濤

(中國(guó)船級(jí)社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

鋁合金MIG焊時(shí)焊縫處極易產(chǎn)生氣孔缺陷，氣孔影響產(chǎn)品壽命。長(zhǎng)期以來，解決由MIG焊接鋁合金所引起的氣孔缺陷一直很困難[1-2]。周立濤等[3]使用激光掃描鋁合金焊接過程的方法來揭示氣孔產(chǎn)生的原因，結(jié)果表明使用合理的焊接參數(shù)后焊縫的形狀能影響氣孔的產(chǎn)生，降低焊縫的熔深比可以減少氣孔的產(chǎn)生。韓德成等[4]研究在濕度作用環(huán)境下焊接5083鋁合金所產(chǎn)生的氣孔敏感性，結(jié)果表明氣孔對(duì)焊縫力學(xué)性能有影響作用。ZHANG等[5]研究了氣孔的形成原因以及氣孔對(duì)2219鋁合金焊縫應(yīng)力集中的影響。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)已使單熱源模擬研究中的焊接值更加完善。研究人員可使用高斯熱源模型模擬焊接熱循環(huán)曲線，或使用雙橢球熱源模型模擬熔深MIG焊接熱循環(huán)曲線和溫度場(chǎng)[6-7]。

本文以6 mm厚5083鋁合金薄板試驗(yàn)作為研究對(duì)象，采用脈沖熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)的焊接方法，探究在一定的焊接工藝參數(shù)下焊接速度對(duì)焊縫形成與孔隙率的影響，并且利用ANSYS軟件對(duì)6 mm厚5083鋁合金進(jìn)行焊接熱循環(huán)曲線模擬。5083鋁合金MIG焊接時(shí)，氣孔的位置主要位于焊縫中心，靠近焊縫熔化線[8]，故將焊接模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比來探究鋁合金在MIG焊接過程中焊接速度與孔隙率之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 焊接及檢驗(yàn)方法

本文選用Φ1.2 mm的ER5356焊絲焊接5083鋁合金，試驗(yàn)焊機(jī)為KEMPPI焊機(jī)，焊接參數(shù)見表1。焊接電源型號(hào)為FastMIG-Plus350，送絲機(jī)構(gòu)為KEMPPI-MXF65，焊接保護(hù)氣體為99.99%的氬氣。

表1 脈沖熔化極惰性氣體保護(hù)焊的焊接參數(shù)

采用XXQ-2005X射線探傷機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，探傷電壓為100 V，曝光時(shí)間為0.4 min。使用VHX-900超深度數(shù)字顯微鏡，截取焊縫截面測(cè)量焊縫的余高與熔寬。如圖1(a)所示，使用線切割機(jī)，沿焊縫中心縱向切割，截取焊縫中部，對(duì)截取樣進(jìn)行拋光腐蝕，然后拍攝焊縫界面形態(tài)。在CAD軟件中，繪制并計(jì)算了焊縫的孔隙率，如圖(b)所示。孔隙率是焊縫總面積和焊縫橫截面積的兩者之比。

圖1 焊縫宏觀形貌以及氣孔位置示意圖

1.2 焊接熱循環(huán)曲線模擬過程

使用ANSYS軟件對(duì)本試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，選用均勻體熱源模型。均勻體熱源假定是在焊接時(shí)熱模型上的加熱量均勻分布[9]。式(1)給出了熱源活動(dòng)區(qū)域中任意點(diǎn)的放熱率。

(1)

式中：q為放熱率；V為熱源的體積；η為焊接熱效率；U為電壓；I為焊接電流。

使用網(wǎng)格建立有限元模型時(shí)，將忽略焊縫余高，建立一個(gè)大區(qū)域可以同時(shí)包含焊縫、熱影響區(qū)、母材[10]。熱分析劃分網(wǎng)格參數(shù)為8節(jié)點(diǎn)六面體，焊接試板整體橫向單元為1 mm，縱向?yàn)? mm，厚度方向?yàn)? mm，試板總尺寸為150 mm×140 mm×6 mm。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，必定要考慮到材料本身的熱力學(xué)特性，本文實(shí)驗(yàn)采用5083鋁合金，其熱力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 5083鋁合金材料性能參數(shù)

焊接溫度場(chǎng)的邊界條件是對(duì)流和輻射散熱[11]。考慮到對(duì)流傳熱邊界條件因素，忽略輻射散熱對(duì)焊接模擬的影響，把暴露于空氣中的流邊界條件施加條件，即對(duì)流系數(shù)。焊接材料在焊接過程中需要進(jìn)行加熱換熱過程，對(duì)焊接材料的材料性能參數(shù)定義見表3。同時(shí)，需要簡(jiǎn)化焊接仿真過程中的非關(guān)鍵計(jì)算，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源[12]。對(duì)焊接模擬過程中的簡(jiǎn)化要點(diǎn)如下：

表3 ER 5356焊接材料不同溫度的性能參數(shù)

(1)初始溫度設(shè)定為293 K。

(2)忽略熔池熔滴過渡過程中攪拌作用影響以及冶金過程中的化學(xué)影響。

(3)忽略余高，假定焊縫表面是平坦的。

(4)母材在焊接過程中的外部傳熱環(huán)境為對(duì)流換熱。

(5)焊接材料和基礎(chǔ)材料是各向同性的，熱物理性能參數(shù)均勻地分布在整個(gè)材料中，而忽略掉位置關(guān)系，僅與溫度變化有關(guān)。

模擬溫度場(chǎng)分布見圖2。圖2(a)為完整焊接試板上各點(diǎn)的溫度分布圖，圖2(b)為焊縫橫向取點(diǎn)示意圖。該試驗(yàn)主要探究焊接速度與焊接孔隙率之間的關(guān)系和焊接中心與熔合線溫度變化之間的關(guān)系，因此在測(cè)試板的中心取2點(diǎn)：融合線上的A點(diǎn)和B點(diǎn)，如圖3所示。在網(wǎng)格劃分時(shí)，焊縫分別按橫向1 mm、縱向2 mm劃分，所以在取點(diǎn)時(shí)必須嚴(yán)格按照網(wǎng)格交點(diǎn)來取點(diǎn)。

圖2 模擬溫度場(chǎng)分布

圖3 焊接熱循環(huán)取點(diǎn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表4、圖4為焊接橫截面狀況與在不同速度下焊接熔覆金屬經(jīng)X射線照射后的底片形貌對(duì)比。熔覆金屬在焊速400 mm/min時(shí)，咬邊、焊渣少，焊縫成形不良，但焊縫余高過高且熔寬過大，成形上失去了焊接魚鱗紋。從X射線膠片看出，接近焊縫表面處存在大量且致密的氣孔。焊縫橫截面的金相樣品表明，焊縫表面附近有更多的氣孔，且焊接氣孔緊密覆蓋在焊縫中。當(dāng)焊速為500～600 mm/min時(shí)，焊縫成形良好且未發(fā)生咬邊現(xiàn)象。觀察底片后發(fā)現(xiàn)，焊縫出現(xiàn)氣孔的情況在速度為500 mm/min時(shí)較400 mm/min時(shí)有著明顯減少，焊縫中心上表面的氣孔數(shù)量與分布面積也有著明顯減少。焊接速度為600 mm/min時(shí)，焊接氣孔數(shù)量最少。焊接速度為700 mm/min時(shí)，熔寬變窄且焊縫成形好，焊接飛濺幾乎沒有附著于試板上。從底片分析發(fā)現(xiàn)，氣孔主要產(chǎn)生在母材與焊縫結(jié)合處，但是焊速大于600 mm/min焊的焊縫寬度變窄，氣孔聚集程度更為明顯。大部分氣孔集中在靠近熱影響區(qū)(HAZ)的焊縫一側(cè)并且焊縫頂部密集了均勻分布的氣泡。

表4 不同焊接速度下焊縫熔寬余高

圖4 各個(gè)焊接速度下焊縫與射線底片比對(duì)

根據(jù)上文定義的氣孔率來計(jì)算出每個(gè)焊接參數(shù)下的氣孔率結(jié)果。圖5為焊接速度在400 mm/min升至800 mm/min時(shí)熔覆金屬余高、熔寬、氣孔規(guī)律趨勢(shì)圖。由圖中知，熔寬和余高隨著焊速的提高呈下降趨勢(shì)，熔覆金屬中的氣孔率隨著焊速提高呈上升趨勢(shì)，在速度為600 mm/min附近時(shí)，出現(xiàn)氣孔率產(chǎn)生的最低值2.1%。

圖5 焊縫(熔寬和余高)、氣孔率與焊接速度的關(guān)系

根據(jù)圖2對(duì)焊縫中心位置的模擬發(fā)現(xiàn)了以下的規(guī)律：焊接過程初期，測(cè)量點(diǎn)升溫速率高，隨后溫度達(dá)到最高值1 500 ℃；溫度達(dá)到峰值后溫度開始有下降趨勢(shì)，但此時(shí)降溫速度小于升溫速度。焊接過程中的脈沖電流速度規(guī)律與溫度變化的規(guī)律大致相同，熔合線處的模擬情況與焊縫中心處的變化趨勢(shì)一致，但兩者峰值溫度與相變停留時(shí)間不同。這是由于電弧的中心溫度高于邊緣溫度，因此在峰值和相變溫度以上的停留時(shí)間比焊縫中心稍慢，熔合線處峰值溫度在950 ℃左右，遠(yuǎn)低于焊縫中心位置的1 500 ℃。

焊接熱輸入隨著焊接速度大小的改變會(huì)發(fā)生明顯變化。本文對(duì)在500、600、700、800 mm/min焊接速度下熱循環(huán)變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。在低焊接速度下，試板被完全加熱并且熔池更大，且熔池存在時(shí)間更長(zhǎng)，冷卻速度會(huì)更慢。這是由于隨著焊接時(shí)間的推后，熔合線與熔覆金屬中心的熱循環(huán)曲線越來越趨于無限接近。在較快的焊接速度下，熔池變窄并且其存在時(shí)間減少，圖中顯示兩條線越來越接近，見圖6。

圖6 焊接速度對(duì)熱循環(huán)曲線的影響

熱輸入與高溫停留時(shí)間、峰值溫度的關(guān)系見圖7。從圖7可以看出，焊縫中心處的峰值溫度幾乎不會(huì)隨焊接熱量輸入的增加而變化，并且溫度常駐在1 500 ℃附近，不小于1 480 ℃。熔合線處的溫度變化為：先由980 ℃緩慢降低至920 ℃后迅速增至950 ℃。焊縫金屬為熔融狀態(tài)時(shí)間從1.2 s增加至2.4 s，相變溫度以上停留時(shí)間(熔合線處)從0.9 s增加至1.8 s。熔寬從9 cm升至17 cm，焊接速度較慢時(shí)，熱輸入大，熔池較寬，熔合線距離焊縫中心較遠(yuǎn)，熱輸入對(duì)熔合線處的峰值溫度影響較小。焊接速度較大時(shí)，熱輸入會(huì)相應(yīng)變小，熔池變窄，熔合線離焊縫中心更近，焊接熱輸入對(duì)熔合線處峰值溫度會(huì)產(chǎn)生更大的影響。結(jié)合圖4焊接速度對(duì)熱循環(huán)曲線的關(guān)系分析：僅當(dāng)焊速為600 mm/min時(shí)，熱輸入大小和熔池大小對(duì)熔合線處峰值溫度的影響幾乎相同，氣孔率低。

圖7 熱輸入與高溫停留時(shí)間、峰值溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)采用脈沖MIG焊焊接5083鋁合金薄板時(shí)，隨著焊接速度的增加，焊縫的熔寬和余高減小，氣孔率先下降后上升；當(dāng)焊接速度在600 mm/min左右時(shí)，氣孔率低至2.1%。

(2)隨著焊接速度的增加，焊縫中心溫度不變，熔合線處峰值溫度變化明顯，熔池變窄；焊接速度較慢時(shí)，熱輸入大，熔池較寬，熔合線距離焊縫中心較遠(yuǎn)，熱輸入對(duì)熔合線處的峰值溫度影響較小。焊接速度較大時(shí)，焊接熱輸入小，熔池較窄，熔合線距離焊縫中心較近，熱輸入對(duì)熔合線處峰值溫度影響較大。只有當(dāng)焊接速度為600 mm/min時(shí)，熔池寬度和熱輸入大小對(duì)熔合線處峰值溫度的影響相差無幾時(shí)，氣孔率較低。