羅敏 劉川

摘要：簡(jiǎn)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(duì)比，研究強(qiáng)制冷卻焊接工藝對(duì)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(chǎng);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(dòng)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(shí)，焊接過程中產(chǎn)生的大量熱量會(huì)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(duì)于保障鋁合金材料的焊接質(zhì)量具有重要的意義。

本文對(duì)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(duì)其進(jìn)行降溫;在相同條件下，通過對(duì)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(chǎng)和力學(xué)性能值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而研究強(qiáng)制冷卻焊接工藝對(duì)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(duì)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(duì)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?jī)?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(duì)比，探究強(qiáng)制冷卻工藝對(duì)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(duì)焊縫附近的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)兩種試件的溫度場(chǎng)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(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)材料及器材

3.1? ? 試驗(yàn)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(yàn)器材

試驗(yàn)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(dòng)送絲系統(tǒng)構(gòu)成，采集器材為YOKOGAWA測(cè)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(gè)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(chǎng)對(duì)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(chǎng)數(shù)據(jù)。熱電偶通過點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊至焊道兩側(cè)測(cè)溫點(diǎn)處，4處測(cè)溫點(diǎn)在焊縫兩側(cè)對(duì)稱分布。測(cè)溫點(diǎn)位置距離坡口邊緣分別為5 mm、10 mm。

4處測(cè)溫點(diǎn)分別通過1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)通道進(jìn)行記錄。通道1、2和通道3、4對(duì)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(chǎng)分布示意圖，圖4為自然冷卻試件焊縫溫度場(chǎng)分布示意圖。

圖5為自然冷卻試件焊縫溫度場(chǎng)和強(qiáng)制水冷試件焊縫溫度場(chǎng)3號(hào)通道的溫度變化對(duì)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(shí)間，約是自然冷卻方式的一半。

5 拉伸試驗(yàn)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(yàn)。

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(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(duì)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(chǎng)和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，說明強(qiáng)制水冷焊接方式對(duì)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。

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收稿日期：2020-07-22

作者簡(jiǎn)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(jì)。

劉川（1981—），男，江蘇宿遷人，高級(jí)工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。