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(qiáng)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但在車身精細(xì)焊接或高效修復(fù)過程中仍面臨一定挑戰(zhàn)。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(shù)影響的規(guī)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(guān)聯(lián)性。研究發(fā)現(xiàn)熔寬對(duì)電流波動(dòng)的反映更靈敏，且呈正相關(guān)增長(zhǎng)；提升焊接速度會(huì)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(duì)焊接速度的變化表現(xiàn)出快速的響應(yīng)特性。在特定的焊接電流參數(shù)下，調(diào)整焊接速度可以用來優(yōu)化焊縫的外觀及形態(tài)，同時(shí)提高焊接、修復(fù)的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋁合金 VP-TIG 焊縫形貌 質(zhì)量控制

1 緒論

鋁合金因具有比強(qiáng)度高、密度小、抗腐蝕性強(qiáng)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(huán)節(jié)，其技術(shù)成熟度對(duì)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用水平具有關(guān)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(shí)表面極易形成高熔點(diǎn)（2050℃）的氧化鋁膜（Al2O3），加工時(shí)該氧化膜是引發(fā)焊縫夾渣及熄弧的主要原因。因此，對(duì)于鋁合金焊接電源而言，在避免熱影響區(qū)過大導(dǎo)致材料性能下降的同時(shí)，具備陰極清理功能也是至關(guān)重要[5]。

本文主要采用TIG方波脈沖變極性電源，通過調(diào)整直流鎢極正極性（DCEP）階段的電流強(qiáng)度與時(shí)間確保了鋁合金焊接時(shí)擁有足夠的清理寬度而不致鎢極過度損耗，進(jìn)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(guān)系，為提高鋁合金焊接、修復(fù)的安全性和穩(wěn)定性奠定工藝基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

鋁合金VP-TIG焊接實(shí)驗(yàn)裝置由四部分構(gòu)成，主要包括：工控機(jī)、焊接系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制單元以及輔助系統(tǒng)，如圖1所示。其中工控機(jī)是帶有PCI插槽的研華610L；焊接系統(tǒng)包括方波脈沖變極性鎢極氬弧焊電源、焊炬及送絲機(jī)等，其電源輸出波形如圖2所示；運(yùn)動(dòng)控制單元包括固高S-800-PV（G）-PCI運(yùn)動(dòng)控制卡、高精度三軸伏運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等；輔助系統(tǒng)包括水冷裝置、圖像采集裝置等。在實(shí)驗(yàn)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(zhì)。鋁合金基板厚度為10mm，鋁板經(jīng)消除應(yīng)力處理，不會(huì)變形、翹曲，其化學(xué)成分如表1所示。

為使采樣圖像記錄焊接過程保持穩(wěn)定性與完整性，應(yīng)盡量控制采樣時(shí)間為脈沖頻率的整數(shù)倍?？紤]到圖像的穩(wěn)定性脈沖電流的實(shí)際頻率，為使電流形式與圖像采集具有較好的可調(diào)節(jié)性，本文將圖像采集裝置幀率設(shè)置為每秒200幀，焊接時(shí)采用脈沖頻率為5 Hz，數(shù)據(jù)處理軟件每隔200 ms進(jìn)行抽樣計(jì)算，其余數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在工控機(jī)服務(wù)器上，以便后期溯源。

3 試驗(yàn)方法

鋁合金變極性復(fù)合焊接工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(huán)參數(shù)、陰極清理寬度、電弧作用寬度及焊接速度等相互影響關(guān)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(shè)計(jì)了電弧空行程實(shí)驗(yàn)，研究焊接過程中電弧對(duì)基板的熱影響區(qū)，即熔合線處微觀顯示的基板半熔化區(qū)受熱影響的變化規(guī)律，如圖3所示。工藝參數(shù)見表2，為確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中固定了其他所有參數(shù)。

因?yàn)殇X合金表面易形成高熔點(diǎn)的氧化膜，氧化膜的破除關(guān)系到焊接能否順利進(jìn)行，所以除了熔深、熔寬，清理寬度也是一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于每組工藝參數(shù)，焊接長(zhǎng)度為70 mm，選取焊接穩(wěn)定區(qū)域中表現(xiàn)較優(yōu)的位置，對(duì)該位置的清理寬度Bcc精確測(cè)量。隨后，在該選定位置截取橫截面，并依次進(jìn)行打磨、拋光及腐蝕處理，以便準(zhǔn)確測(cè)量熔化區(qū)域的熔深Hwb與熔寬Bwb的具體尺寸。熔深、熔寬采用多點(diǎn)多次測(cè)量后取平均值的方式得到，測(cè)量方式如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 焊接速度對(duì)熔化區(qū)形貌及清理寬度的影響

采用圖3和圖4所示標(biāo)識(shí)方法對(duì)熔池特征尺寸進(jìn)行表征，獲得焊接速度V與熔深、熔寬及清理寬度的定量關(guān)系，如圖5、6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，速度增加時(shí)熔寬、熔深均會(huì)減小，其主要原因在于焊接基板表面的單位時(shí)間內(nèi)單位面積上熱吸收量減小，同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(dāng)V=1 mm·s-1時(shí)，波紋間距緊密，且出現(xiàn)了塌陷現(xiàn)象；而當(dāng)V=4 mm·s-1時(shí)，相鄰焊點(diǎn)之間的搭接效果已不理想；當(dāng)V=5 mm·s-1時(shí)，熔化區(qū)產(chǎn)生了明顯的斷點(diǎn)現(xiàn)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(wěn)定。當(dāng)焊接速度與電流頻率達(dá)到良好匹配時(shí)，前一個(gè)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(gè)脈沖電流迅速作用，再次形成新的熔池，從而實(shí)現(xiàn)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(fā)新熔池的產(chǎn)生，兩熔池間距過近，導(dǎo)致新熔池在電弧力的作用下對(duì)尚未凝固的熔池產(chǎn)生影響，使其發(fā)生變形。如圖5中V=1mm·s-1所示，出現(xiàn)了焊點(diǎn)塌陷的現(xiàn)象。相反，如果焊接速度過快，相鄰焊點(diǎn)之間的距離會(huì)過大，導(dǎo)致焊縫連續(xù)性不佳。因此，針對(duì)特定的焊接電流頻率，需要選定一個(gè)恰當(dāng)?shù)暮附铀俣葏^(qū)間，以避免焊點(diǎn)過度重疊或失去連續(xù)性。

清理寬度隨著焊接速度的提升而顯著減小，這一趨勢(shì)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(jié)果，主要受電弧空間中陽(yáng)離子對(duì)陰極表面的撞擊以及熱量積累的綜合影響，其中陽(yáng)離子的撞擊作用占據(jù)主導(dǎo)地位。焊接速度加快時(shí)熱量的積累減弱，但單純的熱量減少并不足以導(dǎo)致清理寬度如此顯著的下降。同時(shí)，雖然陽(yáng)離子對(duì)陰極表面的撞擊力在速度變化下影響不大，但撞擊的持續(xù)時(shí)間卻有所縮短，這表明陽(yáng)離子對(duì)陰極的有效撞擊需要一定的時(shí)間來發(fā)揮其作用。

在熔化區(qū)內(nèi)，陰極清理區(qū)寬度與熔池寬度之間的差值被定義為富裕寬度，只有當(dāng)富裕寬度超過一定值時(shí)，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(shí)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(fā)生顯著變化，這表明在所研究的焊接速度范圍內(nèi)的變化并不會(huì)影響陰極清理效果。

4.2 峰值電流對(duì)焊縫形貌及清理寬度的影響

峰值電流對(duì)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(dāng)峰值電流提升時(shí)，熔深與熔寬均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诒３制渌麉?shù)恒定的情況下，峰值電流的增大意味著相同長(zhǎng)度的區(qū)域會(huì)得到更多熱量，從而導(dǎo)致熔寬和熔深的相應(yīng)增加。對(duì)比焊接電流對(duì)熔深與熔寬的影響曲線，可以觀察到熔寬對(duì)于峰值電流的表現(xiàn)出更快速的響應(yīng)特性。

圖8展示了峰值電流對(duì)熔化區(qū)域形態(tài)的影響曲線，從圖中可以看出，當(dāng)電流增大時(shí)陰極清理寬度Bcc呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。這是因?yàn)榉逯惦娏鞯脑龃髮?dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)撞擊到氧化膜上的陽(yáng)離子數(shù)量顯著增加，進(jìn)而增強(qiáng)了撞擊的力度并擴(kuò)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(qiáng)而不斷拓寬。

5 結(jié)論

（1）隨著焊接速度的增加，熔寬、熔深均會(huì)減小，其主要原因在于焊接基板表面單位時(shí)間單位面積上熱吸收量減小，同時(shí)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(yùn)動(dòng)速度共同決定了熔池凝固形貌。

（2）熔寬對(duì)峰值電流的變化更為敏感，且隨著峰值電流的增大而相應(yīng)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(duì)焊接速度的變化表現(xiàn)出快速的響應(yīng)特性。

（3）在特定參數(shù)下，可以通過適度增加電流，作為對(duì)焊縫形貌進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠行侄?，以保持較焊接及修復(fù)的高效穩(wěn)定。

基金項(xiàng)目：一汽紅旗H9轎車 ADB前燈設(shè)計(jì)及制造工藝研究；國(guó)家新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料專項(xiàng)；華為賽力斯問界M9 DLP投影大燈設(shè)計(jì)和開發(fā)；上汽智己DLP投影大燈制造工藝可行性研究。

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