朱勝，王啟偉，陳琳，王曉明

(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

由于鋁合金具有高的比強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕穩(wěn)定性及良好的成形工藝性和焊接性，已成為應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料［1］。鋁合金焊接構(gòu)件大量應(yīng)用，對(duì)鋁合金焊接質(zhì)量和成形精度提出了更高要求。通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)可控制焊道尺寸和熔池形狀，改善焊縫結(jié)晶組織，提高焊接質(zhì)量［2］。在焊接中加入磁場(chǎng)，可細(xì)化晶粒，降低裂紋敏感性，提高焊接接頭質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)磁場(chǎng)作用干預(yù)熔滴過(guò)渡、熔池金屬流動(dòng)和電弧的形狀，影響成形焊道的形貌尺寸及表面質(zhì)量［3］，但是磁場(chǎng)和焊接參數(shù)對(duì)焊道尺寸形貌影響的顯著性，以及磁場(chǎng)條件和焊接參數(shù)的合理匹配對(duì)焊道成形質(zhì)量的影響尚未見(jiàn)研究。本文研究了磁場(chǎng)作用下焊接工藝參數(shù)對(duì)焊道尺寸形貌和成形質(zhì)量的影響及其顯著性，對(duì)實(shí)現(xiàn)外加磁場(chǎng)條件下精確控制鋁合金MIG 焊道成形尺寸，提高焊接精度和裝備焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用6061 鋁合金板材，板材尺寸為300 mm×300 mm ×20 mm，焊絲選用ER5356，直徑為1.2 mm，母材及焊絲化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分Tab.1 Compositions of base metal and filler wire

1.2 試驗(yàn)方法

外加磁場(chǎng)由安裝在焊槍上的激磁線圈產(chǎn)生，匝數(shù)為230 匝，磁感應(yīng)強(qiáng)度0～30 mT，磁力線以電弧軸線為中心成軸對(duì)稱分布，與電弧軸線平行，如圖1所示。勵(lì)磁電流由勵(lì)磁電源提供，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小和頻率可控制外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率。

圖1 磁控焊接工作示意圖Fig.1 Diagram of welding equipment

采用TPS-4000 全數(shù)字化直流脈沖MIG 焊接電源，焊接工藝參數(shù)為“一元化”協(xié)同功能，調(diào)節(jié)送絲速度大小即確定焊接電流和電弧電壓，送絲速度對(duì)應(yīng)的焊接電流和電弧電壓如表2所示。保護(hù)氣體采用純度為99.99%氬氣，氣體流量為15 L/min.

表2 送絲速度對(duì)應(yīng)的焊接電流和電弧電壓Tab.2 Welding current and voltage corresponding to feed rate

采用L49(78)正交表考察焊接速度、送絲速度、弧長(zhǎng)修正、電弧吹力修正、勵(lì)磁電流和磁場(chǎng)頻率對(duì)余高和熔寬的影響，每個(gè)參數(shù)取7 個(gè)水平，并進(jìn)行方差分析。保持其它參數(shù)不變，改變勵(lì)磁電流和弧長(zhǎng)修正大小，考察參數(shù)的匹配對(duì)焊道的成形質(zhì)量和形貌尺寸的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磁場(chǎng)與焊接參數(shù)對(duì)余高的影響

表3 余高和熔寬方差分析Tab.3 Variance analysis of reinforcement and bead width

采用方差法分析磁場(chǎng)和焊接參數(shù)對(duì)余高和熔寬的影響及顯著性，如表3所示，通過(guò)方差比Fr和顯著性水平α 值可知各參數(shù)對(duì)焊道尺寸影響的主次順序和顯著水平。取參數(shù)作橫坐標(biāo)，余高和熔寬的平均值作縱坐標(biāo)，做出參數(shù)與余高和熔寬的關(guān)系如圖2所示。由表3和圖2可知，各參數(shù)對(duì)余高影響的主次順序?yàn)?焊接速度、送絲速度、弧長(zhǎng)修正、勵(lì)磁電流、電弧吹力修正、磁場(chǎng)頻率。其中，焊接速度對(duì)余高大小的貢獻(xiàn)率為83.25%，是決定成形焊道余高的最主要因素，余高隨焊接速度的增加而減小，原因是焊接速度提高時(shí)，焊縫的熱輸入量及金屬熔敷量均減少，余高減?。?］。其次，送絲速度對(duì)余高大小的貢獻(xiàn)率為4.08%，余高隨送絲速度的增加而增大，原因是當(dāng)送絲速度增大時(shí)，焊接電流增大，熱輸入量和熔覆量增大，焊道余高增大?；￠L(zhǎng)修正、勵(lì)磁電流、電弧吹力修正、磁場(chǎng)頻率對(duì)余高的影響不顯著。

圖2 磁場(chǎng)和焊接參數(shù)對(duì)焊道尺寸的影響Fig.2 Effects of magnetic field and welding parameters on geometry of bead

2.2 磁場(chǎng)與焊接參數(shù)對(duì)熔寬的影響

從表3中各列Fr的大小可知，各參數(shù)影響熔寬的主次順序?yàn)?送絲速度、焊接速度、電弧吹力修正、勵(lì)磁電流、磁場(chǎng)頻率、弧長(zhǎng)修正。其中，送絲速度和焊接速度影響熔寬變化的貢獻(xiàn)率分別為49.85%和18.04%，是影響熔寬的主要因素，熔寬隨送絲速度增大和焊接速度的減小而增大，其共同原因是送絲速度和焊接速度變化時(shí)，引起熱輸入量變化，輸入量增加時(shí)，熔寬增大［4］。電弧吹力修正對(duì)熔寬的貢獻(xiàn)率為15.48%，隨著電弧吹力的增加，熔寬增加，原因是電弧吹力增加，電弧對(duì)熔池的沖擊作用增大，熔池面積擴(kuò)張，導(dǎo)致熔寬增大。勵(lì)磁電流對(duì)成形熔寬的貢獻(xiàn)率為5.22%，隨著勵(lì)磁電流的增大熔寬增大，而熔深減小。因此，在不增加熱輸入和熔深的情況下，可以通過(guò)提高磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)增大熔寬。磁場(chǎng)頻率和弧長(zhǎng)修正對(duì)熔寬的影響不顯著。

2.3 磁場(chǎng)和焊接參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響

取磁場(chǎng)頻率f=10 Hz，電弧吹力修正Pc=4，焊接速度vw=24 mm/s，送絲速度vf=8 m/min 不變，改變勵(lì)磁電流和弧長(zhǎng)修正，分析其對(duì)焊道成形質(zhì)量的影響。由圖3、圖4可見(jiàn)，勵(lì)磁電流I =30 A，弧長(zhǎng)修正Lc=-3%時(shí)，焊道可成形，當(dāng)Lc=9%時(shí)，焊道不能成形，其原因是過(guò)渡熔滴在洛侖茲力作用下和帶電粒子的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，并偏離焊絲軸線［5］，當(dāng)電弧長(zhǎng)度增大時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)熔滴和帶電粒子的作用時(shí)間增加，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較大時(shí)，熔滴偏離焊絲軸線越遠(yuǎn)，不能順利地過(guò)渡到熔池中，形成了大量飛濺，不能成形。

由圖5、圖6可見(jiàn)，當(dāng)Lc=-3%時(shí)，焊道表面形成了魚(yú)鱗紋，隨著I=0 增加到30 A，魚(yú)鱗紋的寬度間距增大，焊道尺寸均勻，表面質(zhì)量變好，焊道熔深變淺，熔寬增大，余高略有減小，其原因是在外加磁場(chǎng)作用下，電弧中帶電粒子高速旋轉(zhuǎn)，隨著勵(lì)磁電流的增大，電弧不斷擴(kuò)張，電弧端部對(duì)基體的作用面積增大，熔寬增大;同時(shí)，電弧擴(kuò)張使得電弧電流密度降低，單位面積上的熱輸入減少，使熔深變小;在其它條件不變時(shí)，由于熔敷率不變，余高略有減小。但當(dāng)I=30 A 時(shí)，焊道邊部出現(xiàn)了未熔合缺陷，原因是勵(lì)磁電流過(guò)大，電弧擴(kuò)張程度大，電弧邊部熱流密度較低，不能提供足夠的熱量使基體熔化，熔滴下落后形成了未熔合缺陷。

圖3 弧長(zhǎng)修正對(duì)焊道表面形貌的影響Fig.3 Effect of arc length correction on surface morphologies

圖4 弧長(zhǎng)修正對(duì)焊道尺寸的影響Fig.4 Effect of arc length correction on geometry of bead

圖5 勵(lì)磁電流對(duì)焊道表面形貌的影響Fig.5 Effects of exciting current on surface morphologies

3 結(jié)論

1)焊接速度對(duì)焊道余高的貢獻(xiàn)率為83.25%，是決定余高的最主要因素，送絲速度對(duì)余高的貢獻(xiàn)率為4.08%，余高隨著焊接速度的減小和送絲速度的增加而增大;其它參數(shù)對(duì)余高的影響不顯著。

2)送絲速度、焊接速度、電弧吹力修正、勵(lì)磁電流對(duì)熔寬的貢獻(xiàn)率為分別為49.85%、18.04%、15.48%、5.22%，是影響熔寬的主要因素。熔寬隨著焊接速度的增加而減小，隨著送絲速度、電弧吹力和勵(lì)磁電流的增加而增大。

圖6 勵(lì)磁電流對(duì)焊道尺寸的影響Fig.6 Effects of exciting current on geometry of bead

3)隨著勵(lì)磁電流的增加，焊道熔深減小，表面質(zhì)量變好?；￠L(zhǎng)修正和勵(lì)磁電流應(yīng)有合理匹配，弧長(zhǎng)修正較大時(shí)，勵(lì)磁電流過(guò)大，焊道易形成未熔合缺陷或大量飛濺，焊道質(zhì)量變差或不能成形。

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