汽車輕量化鋁合金VP-TIG焊縫形貌影響研究

摘 要：在汽車的輕量化研究中鋁合金因具有比重量低、抗氧化性強等特點而得到廣泛應用，但在車身精細焊接或高效修復過程中仍面臨一定挑戰。本文采用變極性鎢極氬弧焊（VP-TIG）研究了鋁合金焊縫形貌受工藝參數影響的規律，探討了峰值電流、焊接速度與熔深、熔寬及陰極清理寬度的關聯性。研究發現熔寬對電流波動的反映更靈敏，且呈正相關增長；提升焊接速度會使得陰極清理寬度有所縮減，而富裕清理寬度的變化并不明顯；且熔寬對焊接速度的變化表現出快速的響應特性。在特定的焊接電流參數下，調整焊接速度可以用來優化焊縫的外觀及形態，同時提高焊接、修復的安全性和穩定性。

關鍵詞：鋁合金 VP-TIG 焊縫形貌 質量控制

1 緒論

鋁合金因具有比強度高、密度小、抗腐蝕性強等特性，可顯著減輕汽車重量，提升車輛操控性、提高燃油效率并減少排放[1-3]。焊接作為鋁合金加工的核心工藝環節，其技術成熟度對推動相關領域的發展及應用水平具有關鍵作用。鋁合金的焊接方式主要包括變極性鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊以及激光焊接等[4]。鋁合金在焊接時表面極易形成高熔點（2050℃）的氧化鋁膜（Al2O3），加工時該氧化膜是引發焊縫夾渣及熄弧的主要原因。因此，對于鋁合金焊接電源而言，在避免熱影響區過大導致材料性能下降的同時，具備陰極清理功能也是至關重要[5]。

本文主要采用TIG方波脈沖變極性電源，通過調整直流鎢極正極性（DCEP）階段的電流強度與時間確保了鋁合金焊接時擁有足夠的清理寬度而不致鎢極過度損耗，進而研究了汽車輕量化鋁合金VP-TIG焊縫形貌影響因素，全面分析了速度及電流與熔深、熔寬及清理寬度的作用關系，為提高鋁合金焊接、修復的安全性和穩定性奠定工藝基礎。

2 實驗材料及設備

鋁合金VP-TIG焊接實驗裝置由四部分構成，主要包括：工控機、焊接系統、運動控制單元以及輔助系統，如圖1所示。其中工控機是帶有PCI插槽的研華610L；焊接系統包括方波脈沖變極性鎢極氬弧焊電源、焊炬及送絲機等，其電源輸出波形如圖2所示；運動控制單元包括固高S-800-PV（G）-PCI運動控制卡、高精度三軸伏運動平臺等；輔助系統包括水冷裝置、圖像采集裝置等。在實驗開始前，使用丙酮和無水酒精去除2024鋁合金基板表面的油和其他雜質。鋁合金基板厚度為10mm，鋁板經消除應力處理，不會變形、翹曲，其化學成分如表1所示。

為使采樣圖像記錄焊接過程保持穩定性與完整性，應盡量控制采樣時間為脈沖頻率的整數倍。考慮到圖像的穩定性脈沖電流的實際頻率，為使電流形式與圖像采集具有較好的可調節性，本文將圖像采集裝置幀率設置為每秒200幀，焊接時采用脈沖頻率為5 Hz，數據處理軟件每隔200 ms進行抽樣計算，其余數據儲存在工控機服務器上，以便后期溯源。

3 試驗方法

鋁合金變極性復合焊接工藝實驗時，電弧熱源作用在鋁合金基板或者已焊接層上，為了獲得良好熱循環參數、陰極清理寬度、電弧作用寬度及焊接速度等相互影響關系，有必要研究電弧直接作用在鋁合金基板上的空焊效果，設計了電弧空行程實驗，研究焊接過程中電弧對基板的熱影響區，即熔合線處微觀顯示的基板半熔化區受熱影響的變化規律，如圖3所示。工藝參數見表2，為確保實驗條件的一致性，我們在實驗過程中固定了其他所有參數。

因為鋁合金表面易形成高熔點的氧化膜，氧化膜的破除關系到焊接能否順利進行，所以除了熔深、熔寬，清理寬度也是一個重要參數，對于每組工藝參數，焊接長度為70 mm，選取焊接穩定區域中表現較優的位置，對該位置的清理寬度Bcc精確測量。隨后，在該選定位置截取橫截面，并依次進行打磨、拋光及腐蝕處理，以便準確測量熔化區域的熔深Hwb與熔寬Bwb的具體尺寸。熔深、熔寬采用多點多次測量后取平均值的方式得到，測量方式如圖4所示。

4 實驗結果及分析

4.1 焊接速度對熔化區形貌及清理寬度的影響

采用圖3和圖4所示標識方法對熔池特征尺寸進行表征，獲得焊接速度V與熔深、熔寬及清理寬度的定量關系，如圖5、6所示。實驗結果表明，速度增加時熔寬、熔深均會減小，其主要原因在于焊接基板表面的單位時間內單位面積上熱吸收量減小，同時熔池凝固速率隨著焊接速度的增加而變大。電弧熱輸入、電弧力與焊接基板運動速度共同決定了熔池凝固形貌。

隨著焊接速度的提升，焊接波紋的間距顯著變寬，變得更加稀疏。具體而言，當V=1 mm·s-1時，波紋間距緊密，且出現了塌陷現象；而當V=4 mm·s-1時，相鄰焊點之間的搭接效果已不理想；當V=5 mm·s-1時，熔化區產生了明顯的斷點現象。在脈沖方波電流焊接中，熔池僅在脈沖電流作用期間形成，而基值電流則主要用于維持電弧穩定。當焊接速度與電流頻率達到良好匹配時，前一個脈沖電流所形成的熔池剛好完成其收縮過程，緊接著下一個脈沖電流迅速作用，再次形成新的熔池，從而實現熔池之間的良好搭接，形成理想的焊縫形貌。若焊接速度太慢，上一熔池尚未完全凝固，新的電流脈沖隨即觸發新熔池的產生，兩熔池間距過近，導致新熔池在電弧力的作用下對尚未凝固的熔池產生影響，使其發生變形。如圖5中V=1mm·s-1所示，出現了焊點塌陷的現象。相反，如果焊接速度過快，相鄰焊點之間的距離會過大，導致焊縫連續性不佳。因此，針對特定的焊接電流頻率，需要選定一個恰當的焊接速度區間，以避免焊點過度重疊或失去連續性。

清理寬度隨著焊接速度的提升而顯著減小，這一趨勢與熔寬的變化相似。陰極清理的效果是力和熱共同作用的結果，主要受電弧空間中陽離子對陰極表面的撞擊以及熱量積累的綜合影響，其中陽離子的撞擊作用占據主導地位。焊接速度加快時熱量的積累減弱，但單純的熱量減少并不足以導致清理寬度如此顯著的下降。同時，雖然陽離子對陰極表面的撞擊力在速度變化下影響不大，但撞擊的持續時間卻有所縮短，這表明陽離子對陰極的有效撞擊需要一定的時間來發揮其作用。

在熔化區內，陰極清理區寬度與熔池寬度之間的差值被定義為富裕寬度，只有當富裕寬度超過一定值時，才能滿足焊接的要求。從圖6可以觀察到，焊接速度的增加時清理寬度和熔寬均明顯減小，但兩者之間的差值，即富裕寬度并未發生顯著變化，這表明在所研究的焊接速度范圍內的變化并不會影響陰極清理效果。

4.2 峰值電流對焊縫形貌及清理寬度的影響

峰值電流對焊縫形貌及清理寬度的影響如圖7所示，由圖8可以看出，當峰值電流提升時，熔深與熔寬均呈現增長的趨勢。這是因為在保持其他參數恒定的情況下，峰值電流的增大意味著相同長度的區域會得到更多熱量，從而導致熔寬和熔深的相應增加。對比焊接電流對熔深與熔寬的影響曲線，可以觀察到熔寬對于峰值電流的表現出更快速的響應特性。

圖8展示了峰值電流對熔化區域形態的影響曲線，從圖中可以看出，當電流增大時陰極清理寬度Bcc呈現持續擴大的趨勢。這是因為峰值電流的增大導致單位時間內撞擊到氧化膜上的陽離子數量顯著增加，進而增強了撞擊的力度并擴大了撞擊的范圍，最終使得陰極清理的寬度隨著峰值電流的增強而不斷拓寬。

5 結論

（1）隨著焊接速度的增加，熔寬、熔深均會減小，其主要原因在于焊接基板表面單位時間單位面積上熱吸收量減小，同時熔池凝固速率隨著焊接速度的增加而變大。電弧熱輸入與焊接基板運動速度共同決定了熔池凝固形貌。

（2）熔寬對峰值電流的變化更為敏感，且隨著峰值電流的增大而相應增加，陰極清理寬度則隨著速度的提升而縮減，但值得注意的是，富裕清理寬度的變化并不顯著，且熔寬對焊接速度的變化表現出快速的響應特性。

（3）在特定參數下，可以通過適度增加電流，作為對焊縫形貌進行補償的有效手段，以保持較焊接及修復的高效穩定。

基金項目：一汽紅旗H9轎車 ADB前燈設計及制造工藝研究；國家新型顯示與戰略性電子材料專項；華為賽力斯問界M9 DLP投影大燈設計和開發；上汽智己DLP投影大燈制造工藝可行性研究。

參考文獻：

[1]劉鋒.新能源汽車車身輕量化設計理念探究[J].時代汽車，2021（10）：78-79.

[2]馬進.新能源汽車輕量化的關鍵技術研究[J].產業創新研究，2022（2）：45-47.

[3]宋超，匡兵，劉夫云，吳鵬興.基于靈敏度分析的商用車駕駛室白車身輕量化設計[J].現代制造工程，2021（3）：51+126.

[4]陳金榮，石永華，占愛文.縱向磁場對K-TIG焊接電弧形態及焊縫成形的影響[J].熱加工工藝，2023，52（05）：25-29+35.

[5]李潤欣.新能源汽車電池箱TIG和CMT焊接技術的研究[D].廣州：華南理工大學，2023.