鋁合金強(qiáng)制冷卻焊接工藝研究

羅敏 劉川

摘要：簡要介紹了強(qiáng)制冷卻焊接工藝的研究現(xiàn)狀與意義，在常規(guī)自然冷卻鋁合金MIG焊接方法的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)制冷卻工藝，與相同條件下的常規(guī)自然冷卻MIG焊接方法進(jìn)行對比，研究強(qiáng)制冷卻焊接工藝對焊縫性能的影響。

關(guān)鍵詞：MIG焊;強(qiáng)制冷卻;焊縫性能;溫度場;抗拉強(qiáng)度

0 引言

城市軌道交通車輛的車體材料主要包括鋁合金、不銹鋼和碳素鋼。其中，采用鋁合金制作的車體具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀平整度好、可二次利用、環(huán)保、自動化焊接范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)。

鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均比碳素鋼高，在焊接鋁及鋁合金時，焊接過程中產(chǎn)生的大量熱量會迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，熱輸入量過多容易使焊件晶粒粗大。因此，如何在保證焊接接頭熔合良好的前提下控制熱輸入量，對于保障鋁合金材料的焊接質(zhì)量具有重要的意義。

本文對7 mm厚的6系鋁合金板材進(jìn)行MIG焊接，在焊縫下方，我們采用了在銅板內(nèi)部通冷卻水的方式對其進(jìn)行降溫;在相同條件下，通過對采用強(qiáng)制冷卻方式與常規(guī)自然冷卻方式得到的焊縫溫度場和力學(xué)性能值進(jìn)行對比，進(jìn)而研究強(qiáng)制冷卻焊接工藝對焊縫性能的影響。

1 強(qiáng)制冷卻焊接工藝的研究現(xiàn)狀與意義

目前已有眾多學(xué)者對強(qiáng)制冷卻焊接工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在采用強(qiáng)制冷卻焊接工藝后，焊縫的熱影響區(qū)范圍明顯縮小，焊核晶粒尺寸明顯減小，且焊接材料的抗拉強(qiáng)度和塑性延伸率明顯高于常規(guī)自然冷卻狀態(tài)下的焊接質(zhì)量。

由此可知，強(qiáng)制冷卻焊接工藝有助于降低鋁合金焊縫的熱影響區(qū)和晶粒尺寸，對于提高鋁合金材料焊接質(zhì)量具有重要的意義。

2 主要研究內(nèi)容

本文在常規(guī)自然冷卻鋁合金MIG焊接方法的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)制冷卻工藝，與相同條件下的常規(guī)自然冷卻MIG焊接方法進(jìn)行對比，探究強(qiáng)制冷卻工藝對焊縫性能的影響。

（1）在相同的焊接參數(shù)下，分別采用常規(guī)自然冷卻工藝的鋁合金MIG焊接試件與強(qiáng)制冷卻工藝的鋁合金MIG焊接試件，在焊接過程中對焊縫附近的溫度場進(jìn)行測定，對兩種試件的溫度場進(jìn)行分析和比較。

（2）將兩種試件分別制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

3 試驗材料及器材

3.1? ? 試驗材料

選用常用的6系鋁合金型材，規(guī)格尺寸為300 mm×140 mm×7 mm的鋁板，采用75°坡口角度;選用規(guī)格為？準(zhǔn)1.2 mm的ER5356鋁鎂合金焊絲;采用Ar和He混合氣保護(hù)氣體，鋁板及焊絲化學(xué)成分如表1所示。

3.2? ? 試驗器材

試驗所用到的焊接及采集器材如圖1所示。其中，焊接器材由福尼斯焊接電源、焊槍、自動送絲系統(tǒng)構(gòu)成，采集器材為YOKOGAWA測溫裝置。我們采用的強(qiáng)制冷卻裝置是在鋁板焊縫下部密貼放置一塊水冷墊板（圖2），此墊板為帶有4個通孔的銅墊板，這里的通孔作為冷卻水通道，利用此通道達(dá)到吸收熱量與降低熱輸入的目的。

4 焊接溫度場對比分析

焊接過程中采用熱電偶與數(shù)據(jù)記錄儀采集焊接溫度場數(shù)據(jù)。熱電偶通過點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊至焊道兩側(cè)測溫點(diǎn)處，4處測溫點(diǎn)在焊縫兩側(cè)對稱分布。測溫點(diǎn)位置距離坡口邊緣分別為5 mm、10 mm。

4處測溫點(diǎn)分別通過1號、2號、3號、4號通道進(jìn)行記錄。通道1、2和通道3、4對稱分布于焊縫兩側(cè)，其中通道1、3位置距焊縫中心約8 mm，通道2、4位置距焊縫中心約13 mm。圖3為強(qiáng)制水冷試件焊縫溫度場分布示意圖，圖4為自然冷卻試件焊縫溫度場分布示意圖。

圖5為自然冷卻試件焊縫溫度場和強(qiáng)制水冷試件焊縫溫度場3號通道的溫度變化對比圖。從圖中可以看出，強(qiáng)制水冷試件焊縫的溫度曲線整體低于自然冷卻試件焊縫的溫度曲線，其中自然冷卻試件焊縫的峰值溫度為380 ℃，而強(qiáng)制水冷試件焊縫的峰值溫度為330 ℃。此外，采用強(qiáng)制水冷方式在高溫區(qū)域內(nèi)持續(xù)的時間，約是自然冷卻方式的一半。

5 拉伸試驗結(jié)果分析

將兩種冷卻方式得到的試件按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4136—2001和ISO 6892-1—2009制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣并進(jìn)行拉伸試驗。

通過自然冷卻方式得到的試樣抗拉強(qiáng)度約為231 MPa，通過強(qiáng)制水冷方式得到的試樣抗拉強(qiáng)度約為250 MPa，將兩種方式的拉伸試驗結(jié)果進(jìn)行對比，可以看出，采用強(qiáng)制水冷方式得到的試樣抗拉強(qiáng)度高于自然冷卻方式得到的試樣抗拉強(qiáng)度19 MPa。

6 結(jié)語

本文通過對強(qiáng)制水冷焊接方式和常規(guī)自然冷卻焊接方式得到的溫度場和力學(xué)性能試驗結(jié)果進(jìn)行評估分析，說明強(qiáng)制水冷焊接方式對焊縫性能有著深遠(yuǎn)的影響，采用強(qiáng)制水冷焊接方式有助于試樣抗拉強(qiáng)度的提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1] WANG H Q，ZHANG B G，WANG T，et al.Effect of forced cooling on weld appearance and microhardness of electron beam welded QCr0.8 alloy[J].China Welding，2015，24（2）：63-68.

[2] DWIVEDI D K，KUMAR P，SHARMA C.Influence of in-process cooling on tensile behaviour of friction stir welded joints of AA7039[J].Materials Science & Engineering，A.Structural Materials：Properties，Misrostructure and Processing，2012，556：479-487.

[3] 劉會杰，張會杰，于雷.強(qiáng)冷介質(zhì)作用下的鋁合金攪拌摩擦焊焊接特征[J].焊接，2010（7）：8-11.

收稿日期：2020-07-22

作者簡介：羅敏（1978—），女，四川鄰水人，工程師，研究方向：車體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

劉川（1981—），男，江蘇宿遷人，高級工程師，研究方向：電氣自動化。