铝合金T型HV焊缝焊接工艺研究.pdf

2023 年 25 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application铝合金 T 型 HV 焊缝焊接工艺研究刘志军，马燕，樊越，崔宪京，李嘉乐，张转宁（银川能源学院 机械与汽车工程学院，银川 750105）随着轨道车辆的高速发展，铝合金的使用越来越广泛，而铝合金本身熔点低、热导率高、膨胀系数大的特点，使得其在焊接过程中相对难于控制，尤其对 T型 HV 焊缝的焊接，更增加了操作难度，更易产生未熔合、未焊透、过度渗透等焊接缺陷。合适的焊枪角度是焊接可达性的必备保证，焊枪姿态的改变会导致熔池流动、受力和传热均发生改变，进而影响焊缝成形和焊缝质量1，因此各种焊接缺陷的原因除受本身材料的物理性能、焊缝坡口形状、母材厚度和焊接参数影响外，更主要取决于合适的焊枪角度及熟练的焊工技能。本文通过对 T 型 HV 焊缝坡口内的电弧行为进行分析，指出焊枪角度和坡口设计形状是重要的影响因素，对铝合金 T 型 HV 焊缝的焊接生产具有一定的指导意义。1T型HV焊缝的结构介绍铝合金 T 型 HV 焊缝接头（不带焊接垫板）在轨道车辆车体结构设计中被广泛使用，起到传递重要载荷的作用，对此焊缝接头有较高等级的质量要求，以往研究资料表明：T 型 HV 焊缝在良好焊接的情况下，垂直于焊缝方向的纵向残余应力为拉应力，且由板宽两侧向中心逐渐增大，最大纵向残余应力并非位于焊缝中心处，而是距离焊缝中心线约 10 mm 位置2，因此，T 型HV 焊缝的直边坡口侧将是最大残余应力区域。T 型HV 焊缝接头其主要有以下 2 种接头型式，如图 1 所示。根据 EN 15085-3 和 ISO 9692-3 标准，通常单边V 型坡口角度为 55依5毅，关于焊缝的熔深，t（mm）表示件 1 的材料厚度，s（mm）表示焊缝坡口钝边的厚度，焊缝熔深计为 t-s（mm），对全熔透焊缝而言，单边坡口钝边小于等于 1 mm，焊缝间隙为 00.5 mm，鉴于该焊缝的重要性和特殊性，对该焊缝组装提出了精确的尺寸要求，同时对焊工技能提出了更高的要求。2T型HV型焊缝的工艺研究2.1T 型 HV 焊缝坡口内的电弧行为在实际生产过程中铝合金 T 型 HV 焊缝的直边坡基金项目：国家大学生创新训练项目（G202113820005）第一作者简介：刘志军（1982-），男，高级工程师。研究方向为金属材料热加工、增材制造技术。摘要：针对铝合金 T 型 HV 焊缝易出现未熔合、未焊透、过度渗透等焊接缺陷，该文通过对 T 型 HV 焊缝坡口内的电弧行为分析可知，最小电压原理与电弧稳定燃烧特性共同作用的结果使得电弧沿 T 型 HV 焊缝直边坡口侧攀升，导致焊缝根部或焊道与直边坡口侧壁之间产生未熔合、夹渣等焊接缺陷；焊枪角度和坡口形状是 2 个重要的外界诱导因素。批次生产表明，优化坡口设计结构和熟练的焊工操作技能极大减少了焊接缺陷的产生，保证产品质量。关键词：T-HV 焊缝；电弧行为；焊接缺陷；焊枪角度；坡口形状中图分类号院TG444文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0100-04Abstract:In view of the welding defects such as non-fusion,non-penetration and over-penetration of T-type HV weld ofaluminum alloy,through the analysis of arc behavior in T-type HV weld groove,it is known that the joint action of minimumvoltage principle and arc stable combustion characteristics makes the arc climb along the straight slope of T-type HV weld,resultingin welding defects such as non-fusion and slag inclusion between weld root or weld bead and straight groove side wall.Weldingtorch angle and groove shape are two important external inducing factors.Batch production shows that the optimization of groovedesign structure and skilled welder operation skills greatly reduce the occurrence of welding defects and ensure product quality.Keywords:T-HV weld;arc behavior;welding defect;torch angle;groove shapeDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.024100-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期口侧常出现未熔合、未焊透、过度渗透等焊接缺陷，增加了焊接返修的难度，使焊缝质量难以保证。铝合金本身物理性能、焊缝坡口形状、母材厚度、焊接参数、焊枪角度和焊工技能等因素都是导致产生上述焊接缺陷的因素之一。而焊接是焊件局部瞬时加热至高温并快速冷却的极其复杂的过程，首先 T 型 HV 焊缝坡口内的电弧的阴极斑点有效地作用于坡口根部和坡口两侧壁的区域内，这是得到高质量焊接接头的前提。电弧是一种可压缩的“弹性软导体”，以往研究表明，在窄间隙焊接过程中，当焊缝的根部坡口宽度小于相同参数下自由电弧的导电直径时，将引起电弧电场的改变，电弧将不再是轴对称形状，而是在间隙宽度方向上电弧将被压缩，在间隙长度方向上扩展，电弧易沿坡口侧壁攀沿而产生未熔合等缺陷。常规的 V 型坡口焊缝，电弧在燃烧过程中能充分发挥自调节作用，充分表现出电弧稳定燃烧的特性。渊a冤焊缝坡口两侧母材不平齐渊b冤焊缝坡口两侧母材平齐图 1T 型 HV 焊缝的接头型式示意图稳定工作的电弧，具有确定的电弧半径，电弧呈轴对称分布，电弧半径使得弧柱沿长度方向的电场强度具有最小值，即在环境条件一定时，燃烧的电弧将自动选择一个适当的导电路径3，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，电场强度与电弧的长度成正比，也就是说电弧要选择较短的导电路径，即根据最小电压原理，电弧会选择一个相对较短的导电路径进行导电，此时弧长稳定，电弧基本不受外界条件的干扰而自由燃烧。弧长的长短决定其电弧加热的范围，合适的弧长能保证电弧有效地加热熔化焊缝坡口的根部和侧壁，电弧长度与电压成正比，在电弧自调节作用下，表现为电弧稳定燃烧，电压相对稳定。对于铝合金 T 型 HV 焊缝坡口，单边 55毅的坡口使得焊枪角度具有不确定性，导致焊丝端部距离焊缝坡口两侧面的距离具有不确定性，即弧长在焊接过程中不断发生变化。在图 2（a）中当焊枪角度偏离导致焊丝端部到坡口最低点的距离大于焊丝端部到直边坡口侧壁的距离，超出电弧自调节范围，根据最小电压原理，表现为电弧会沿坡口直边侧壁攀升燃烧，导致坡口根部或侧壁不能得到加热，而电弧具有稳定燃烧的特性，导致图2（a）电弧必然由处于不稳定的状态向稳定状态过渡，电弧在坡口内沿侧壁攀沿，如图 2（b）所示，此时在焊缝底部和直边坡口侧壁交角区域的电流密度始终趋于零，这是导致焊缝根部或根部与直边坡口侧壁之间产生未熔合、夹渣等焊接缺陷的主要原因，如图 2（c）所示。通过对 T 型 HV 焊缝坡口内电弧行为分析可知，焊枪角度不确定性导致焊接电弧出现攀升现象的原因是最小电压原理与电弧稳定燃烧特性共同作用的结果。渊a冤合适的焊枪角度渊b冤焊枪角度偏离渊c冤焊枪角度偏离导致的缺陷图 2T 型 HV 焊缝坡口内电弧行为示意图件 2焊缝缺陷根部未焊透约25毅件 1件 2件 2件 1件 130依2毅件 255毅件 1臆1 mm55毅件 1件 2101-2023 年 25 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2.2焊枪角度对焊接的影响铝合金本身具有熔点低、高热导率、膨胀系数大的特点，相对于碳钢而言焊接过程难于控制，而对于T 型 HV 型焊缝本身的 55毅非对称的坡口角度，又增加了焊接操控难度，导致在实际生产过程中更易出现未熔合、未焊透、过度渗透等焊接缺陷。与此同时，焊枪角度不合理使得焊接热量分布不均匀，导致焊缝接头局部热量集中而导致温度偏高，造成焊接热影响区及附近热应力高度集中，成为铝合金焊缝搭接接头焊趾处产生裂纹4。通常而言，在规范的焊接参数下，焊工经验和技能的实质是焊枪角度与熔池的交互行为，熟练焊工通过观察熔池表面三维形态实时调整焊枪姿态从而使熔池始终保持最佳状态，保证在复杂工况下良好的焊缝成形5，因此，铝合金T 型 HV 焊缝的焊接更主要取决于合适的焊枪角度及熟练的焊工技能。以图 1（a）所示全熔透 T 型 HV 焊缝进行焊枪角度分析，针对 T 型 HV 焊缝的根部焊接，在图 3（a）中，焊缝根部记为（G 点），当焊枪与件 2 的夹角小于 25毅时，即焊丝端部偏离 G 点而偏向件 1 侧，此时易导致焊缝根部过度渗透或焊穿，随着焊接的进行，焊枪角度发生变化导致电弧失去自调节作用，还将会导致电弧沿 T 型HV 焊缝的直边坡口侧壁攀沿，导致焊缝根部或根部与直边坡口侧壁之间产生未熔合、夹渣等焊接缺陷；在图3（b）中，当焊枪与件 2 的夹角大于 35毅时，即焊丝端部偏离G 点而偏向件 2 侧，焊接温度场及热辐射能量分布不均，会导致焊缝根部未焊透。因此，针对图 1（a）所示的焊缝接头，增强焊工质量意识和针对焊枪角度的实操练习是两个必不可少的环节，与此同时，还需加强焊接过程中的监督与指导，参照标准 ISO 6947 及实际生产经验，推荐焊枪与件 2 呈30依2毅的夹角。渊a冤焊枪与件 2 的夹角小于 25毅渊b冤焊枪与件 2 的夹角大于 35毅渊c冤推荐焊枪夹角图 3不同焊枪角度对焊接的影响示意图2.3T 型 HV 焊缝坡口对焊接的影响T 型 HV 焊缝的另外一种接头型式如图 1（b）所示，此种接头型式的特点是焊缝坡口两侧的母材平齐，且件 2 的厚度直接影响此焊缝的设计熔深，如件 2 厚度较小，而熔深较大，高能热量集中而无法有效传递将会导致件 2 母材熔化或流淌，因此相对于图 1（a）的焊接接头更难于施焊，焊枪角度不合适同样会出现图 2（c）焊缝结构产生的焊接缺陷，即直边坡口侧未熔合或熔合不良。另一方面，焊缝的设计熔深间接影响到电弧燃烧的稳定性和电弧的作用范围，通过大量的焊接试验可知：当设计焊缝熔深大于等于 8 mm 时，焊接参数合适，焊枪角度合适，通常不会产生未熔合、未焊透、过度渗透等焊接缺陷；当设计焊缝熔深为 3耀8 mm 时，焊缝根部易产生熔合不良或未熔合，如图 4（a）所示，分析原因：当设计焊缝熔深为 3耀8 mm 时，根据最小电压原理与电弧稳定燃烧特性，坡口内的电弧行为发生改变，电弧失去自调节作用，电弧未直接作用于焊缝底部的 B 区域，而直接作用于件 2 的 A 区域且保持稳定燃烧，如图 5（a）所示，此时在焊缝底部和直边坡口侧壁交角区域的电流密度始终趋于零，从而导致焊缝根部或根部与直边坡口侧壁之间产生未熔合、夹渣等焊接缺陷。针对此种焊缝在熔深 3耀8 mm 易出现未熔合、夹渣缺陷的问题，可在件 2 厚度满足设计焊缝熔深的情况下，将此 T 型 HV 焊缝坡口角度由 55毅优化为 70毅，即将件 2 的直边坡口侧上的 A 点区域开 15毅坡口，如图 5（b）所示，工艺试验宏观显示焊缝熔合良好，如图 4（b）所示。批次生产实际焊接表明，此种 T 型 HV 焊缝接头坡口角度优化后，焊接质量稳定，大大减小了焊接返修工作量。件 2件 1件 2件 2件 1件 130依2毅跃35毅约25毅GGG102-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期渊a冤坡口优化前渊b冤坡口优化后图 4T 型 HV 焊缝融合宏观示意图渊a冤坡口优化前渊b冤坡口优化后图 5T 型 HV 焊缝坡口优化前后示意图3结论1）通过对 T 型 HV 焊缝坡口内的电弧行为分析可知，最小电压原理与电弧稳定燃烧特性共同作用的结果使得电弧沿 T 型 HV 焊缝直边坡口侧攀升，导致焊缝根部或根部与直边坡口侧壁之间产生未熔合、夹渣等焊接缺陷。2）针对 T 型 HV 焊缝，焊枪角度和坡口的设计形状是产生焊接缺陷的 2 个重要诱导因素，推荐焊枪与工件的水平夹角呈 30依2毅，优化坡口设计结构和熟练的焊工操作技能极大减少了焊接缺陷的产生，保证了产品质量。此外，建议铝合金 T 型 HV 焊缝尽可能采用带凹槽焊接垫板的焊缝结构设计，焊接工艺制定前对T 型 HV 焊缝坡口设计进行工艺审核和优化，可以起到防患于未然的作用。参考文献院1 蒋凡，陈树君，王龙，等.焊枪行走角变化对等离子弧穿孔立焊焊缝成形的影响规律J.焊接学报，2013，34（2）：22-26，114援2 魏昭祎，杨少红.基于 ANSYS 的铝合金 T 型接头数值模拟分析J.热加工工艺，2019，48（21）：157-159援3 顾玉芬，何冠宇，石玗，等.窄间隙约束下熔化极气体保护焊的电弧形态和熔滴过渡分析J.上海交通大学学报，2016，50（10）：1526-1529，1534.4 刘仁培，董祖珏，潘永明援6082 和 ZL101 铝合金低熔共晶测试与分析J.焊接学报，2005（10）：27-30，2援5 王雪宙，石玗，朱明，等.基于焊枪姿态与熔池形貌的不同焊工焊接行为的测量与分析J机械工程学报，2017，53（18）：87-92.件 2件 2件 1件 155毅15毅55毅AB103-