機器人雙脈沖弧焊工藝模式對鋁合金焊縫質量的影響

姚 屏，許 敏，林 茜，黃韻怡，王曉軍

（1.廣東技術師范大學 培訓學院，廣東 廣州 510665；2.廣州理工學院 智能制造學院，廣東 廣州 510540；3.廣東技術師范大學 機電學院，廣東 廣州 510665；4.廣東技術師范大學 廣東工業實訓中心，廣東 廣州 510665）

0 引言

鋁合金具有較高的強度和良好的焊接能力，于交通運輸工具和其他結構件中廣泛應用[1]；同時其具有的熔點低、熱導率高等特性[2]，在鋁合金焊接過程中會影響其穩定性.焊接時熱輸入過小會造成焊縫難以熔合、熔透；熱量輸入過大會使試件焊接變形，焊接后續校形工作量大，降低整個焊接接頭的承載能力以及可靠性[3].不同類型的電流波形會影響鋁合金接頭的屈服強度[4].當熔池寬度和熱輸入大小對熔合線處峰值溫度的影響相差無幾時，焊縫接頭的氣孔率較低[5].因此為得到清晰連續的魚鱗狀焊縫外觀和提高焊接接頭的綜合性能，需要選擇合適的焊接工藝.

近年來，學者們研究了不同焊接過程對焊縫成形的影響.劉文敏等[6]分別在無脈沖、單脈沖、雙脈沖模式下進行焊接，發現在雙脈沖模式下，焊縫氣孔數量較少.黃忠利等[7]研究了單脈沖、雙脈沖模式下焊接件的微觀組織和力學性能，發現雙脈沖焊接工藝熔滴的過渡頻率更高、尺寸更小，鋁合金成型件的精度更高，焊接接頭的綜合性能更好.

吳雁等[8]研究焊接工藝參數對鋁激光焊縫成形的影響及規律，結果顯示，激光功率和焊接速度的增加均會導致魚鱗紋逐漸模糊.李落星等[9]研究焊接速度對鋁合金焊接質量的影響，發現焊接速度過高，將影響焊縫的成形性.

由于雙脈沖 MIG 焊接技術的寬電流調節范圍、易于實現全位置焊接、可有效控制輸入熱量等特點，且其平均電流變化產生的電弧力對熔池具有攪拌作用，能降低氣孔發生率、細化晶粒，在工業中應用廣泛[10]，因此鋁合金材料多采用雙脈沖焊接技術[11-12].目前，關于不同的雙脈沖焊接模式對鋁合金焊縫成形的相關研究較少.為此，本文將雙脈沖(TwinPulse)、高速雙脈沖(S-TwinPulse)、雙脈沖增強(TwinPulse-XT) 3種雙脈沖焊接模式和電流匹配進行焊接實驗，通過觀察電流波形、外觀形貌和金相組織等，分析焊縫成形規律，為雙脈沖焊接模式的選擇提供參考.

1 實驗

1.1 焊接平臺及材料

實驗平臺由FANUC 工業機器人、LORCH 電焊機、送絲機、小波分析儀、焊接工作平臺、計算機等設備組成（見圖1）.

圖1 工業機器人焊接平臺

實驗基板采用250mm×40mm×3mm 的6061鋁合金板；焊絲為直徑1.2 mm 的ER6061 鋁合金焊絲，保持12 mm 的焊絲伸出長度；保護氣體為純氬氣，氣體流量為15 L/min；焊接速度為55 cm/min.實驗通過FANUC 工業機器人編輯位置及行程指令，實現相同程序不同參數的電弧焊接.焊接前，試件采用機械打磨的方法去除表面氧化膜，并用酒精擦拭去除表面雜質.處理后的試件立即進行焊接，防止表面氧化膜再次產生.焊接過程中采用電弧小波分析儀實時采集焊接電弧的電壓和電流波形.

1.2 實驗工藝與設計

實驗采取單因素控制法，選取3 種雙脈沖焊接模式：雙脈沖(TwinPulse)、高速雙脈沖(STwinPulse)、雙脈沖增強(TwinPulse-XT)，分別匹配70 A、80 A、90 A 的電流進行9 組單道焊接實驗.焊接完成后，沿著垂直于焊縫方向通過線切割獲取試樣；試樣經過打磨拋光，用鋁合金金相腐蝕液腐蝕20 s，利用萊卡顯微鏡拍攝金相組織.

實驗采用雙脈沖電弧作為熱源，3 種模式脈沖周期的電流波形對比圖（見圖2）.

圖2 電流波形對比圖

由圖2 可知，不同焊接模式的脈沖周期內，強弱脈沖個數比不同.其中，S-TwinPulse 模式強弱脈沖個數最多，頻率最快；TwinPulse-XT 模式強弱脈沖個數最少，頻率最慢；TwinPulse 模式強弱脈沖個數和頻率居中.ωb1、ωb2、ωb3分別是TwinPulse 模 式、S-TwinPulse 模 式、TwinPulse-XT 模式的脈沖寬度.由圖2 可知，ωb3＞ωb1＞ωb2，即TwinPulse-XT 模式脈沖寬度最大.脈沖寬度過大會造成焊接過程飛濺嚴重，焊縫氧化，焊縫寬度極不均勻等情況[13].

焊接熱輸入會影響焊縫的成形和質量，對不同電流模式下的熱輸入進行分析有助于研究焊縫的成形規律，根據焊接熱輸入公式Q=ηUI/V[14]，(Q為焊接熱輸入，U為焊接電壓，I為焊接電流，η 為焊接電弧功率，V為焊接速度，η 取常數1)，得出 3 種電流模式的熱輸入值對比圖（見圖3）.

圖3 熱輸入對比圖

通過公式可以看出，焊接電流、焊接電壓和焊接速度是影響焊接熱輸入的主要參數，文中所用焊機的電壓與電流自動匹配，電壓無法手動調節，在焊接速度和焊接電流相同的情況下，TwinPulse-XT 模式熱輸入最大、S-TwinPulse 模式次之、TwinPulse 模式熱輸入最小.

2 結果與分析

2.1 焊縫形貌對比

不同模式下焊縫形貌如表1 所示.為了更好地觀察焊縫截面的內部形貌，在9 組試件焊縫7～9cm 的位置，沿著焊接面垂直方向切割出金相試件.利用工業相機測量金相試件的熔深、余高數值3 次，計算其平均值，結果如表2 所示.

表1 焊縫形貌

表2 熔深、余高參數

3 種模式均可得到成形完整的焊縫，但外觀形貌差異明顯.通過對比分析，選取3#、6#、9#焊縫來分析焊接模式給焊縫形貌帶來的影響.由表1 可知：3#采用TwinPulse 模式.焊縫整體外觀效果最好，焊縫熔寬均勻，魚鱗紋清晰規則，無咬邊現象.6#采用S-TwinPulse 模式，焊縫整體外觀效果較好，魚鱗紋清晰，部分接頭區域存在咬邊現象，飛濺增多.9#采用TwinPulse-XT 模式，焊縫整體外觀效果最差，焊縫熔寬不均勻，魚鱗紋不規則，表面存在明顯氣孔，飛濺較多.由此可發現，在電流相同的條件下，TwinPulse 模式焊縫外觀成形較好.這是因為TwinPulse 模式脈沖周期內強弱脈沖個數適中，熔池在周期內充分震蕩，有助于氣體逸出，晶粒細化[15].STwinPulse 模式的脈沖周期內強弱脈沖個數較多且熱輸入較大，攪拌區域的溫度過高，在焊絲和母材的擠壓作用下從熔池兩側擠出，導致飛濺增多[16].TwinPulse-XT 模式的脈寬較大，致使其焊接時脈寬不均勻，魚鱗紋有多處凸起現象.

由表1 可知，電流相同時，不同焊接模式的熔深、余高和變化規律不同.為了更好地對比模式之間的差異，根據表2 熔深、余高參數作出焊接模式與焊縫熔深、余高的變化曲線（見圖4）.

圖4 焊接模式與焊縫熔深、余高的變化曲線

熔深由平均電流和峰值電流決定[17].由圖4(a)可知，當電流加大時，3 種焊接模式的焊縫熔深均呈現逐漸升高的趨勢.當焊接電流為70 A時，焊縫熔深基本未達到母材厚度的50%，存在焊縫未熔透現象[18].因此對于3 mm 厚的板材，匹配70 A 的焊接電流時，熱輸入不足，無法達到良好的焊接效果，焊縫質量不達標.匹配80A 和90A 的電流時，焊縫熔深均超過了母材厚度的50%，說明對 于3mm 板 材，匹 配80 和90A 電 流時，熱輸入大小合適，焊縫在受力時，具有較好的力學性能.其中TwinPulse-XT 模式的焊縫熔深在三組電流下均大于TwinPulse、S-TwinPulse模式.

由熱輸入對比圖可知，TwinPulse-XT 模式的熱輸入值大于另兩種焊接模式.由此可知：當熱輸入越大時，單位時間內融化的焊絲越長，熔滴的溫度較高，使焊道的熱影響區加深，母材的向下熔透深度大，有利于熔化的液態金屬向下滲透；且當峰值功率一定時，隨著脈寬的增加，熔深也增加[13].

由圖4(b)可知，3 種焊接模式的焊縫余高隨電流的增加均呈現先降低又升高的趨勢.這是因為當電流為70 A 時，焊接熱量不足，不能完全融化母材，熔池大部分停留在母材表面，造成余高較大；當電流增加到80 A 時，焊絲的熔速不變，焊接能量隨著電流的增加，在單位時間內，熔化的焊絲數一定，熔深的增加會導致余高降低，所以余高隨脈沖電流的增加而顯著降低；當電流增大至90 A 時，焊接能量更大，使得熔深余高均不斷增加.其中S-TwinPulse 模式的余高數值最小，是因為余高在正常范圍內隨著強弱脈沖個數比率增大而逐漸降低導致的[19].TwinPulse 模式的余高數值最大，是因為其熱輸入最小，焊接過程中熔池多停留在母材表面，向下滲透程度較輕，使得其焊縫余高高度最高.

由此可知，參數相同時，不同焊接模式的焊縫熔深和余高效果均不相同.其中TwinPulse-XT 模式的焊縫熔深最大，TwinPulse 模式的焊縫余高最高.

2.2 電流波形對比

電流概率密度是分析焊接過程穩定性的重要衡量指標[20].用小波分析儀采集且經過濾波處理的3 種模式下的電流概率密度分布圖如圖5所示.

圖5 3 種模式下的電流密度概率

據圖5 所示，三種模式的電流分布區間在0～300 A 之間，全區無瞬間0 值，說明無斷弧現象，3 種焊接模式都具有良好的焊接完整性[21].集中對比100～200A 區間的密度曲線，發現TwinPulse模式的電流概率密度曲線分布更為平緩，沒有明顯電流密度尖峰，焊接過程更為平穩.STwinPulse 模式和TwinPulse-XT 模式的電流概率密度曲線分布較為崎嶇，其中S-TwinPulse 模式的曲線尖峰較為密集，說明其焊接過程中電流波動較多，不利于焊接穩定性.結合圖5 的焊縫對比圖可以看出，TwinPulse 模式的焊縫外觀較好，無明顯缺陷；S-TwinPulse 模式和TwinPulse-XT 模式焊道彎曲、熔寬不均勻，焊縫成形質量較差.

由此可推斷，當電流密度概率曲線較為平緩時，電流穩定性較好，焊縫飛濺較少，當電流密度曲線分布較為崎嶇時，電流穩定性較差，焊縫表面易產生氣孔，出現熔寬不均等現象[22].

2.3 微觀組織分析

焊接模式和電流不僅影響焊縫外部成形，還影響內部微觀組織，進而對焊縫力學性能造成影響.

圖6 顯示了TwinPulse 模式下不同電流的焊接件內部微觀組織.采用萊卡顯微鏡觀察試件的金相組織，發現6061 鋁合金母材的晶粒組織較大，焊縫組織為α-Al 基體和黑色析出相β-Mg2Si.焊接接頭包括焊縫區、熱影響區和融合區，由于電弧焊接速度快，熱輸入大，而鋁合金的熱導率大，散熱較快，導致熱源和母材之間的相互作用時間很短，晶粒來不及長大而進行細化，焊接接頭區晶粒尺寸明顯低于母材晶粒尺寸.晶粒會優先向散熱快的地方生長，在焊接過程中，熔合線附近是散熱最快的地方，所以熔合線附近的晶粒組織呈現出垂直于熔合線方向的生長方式，生長成粗大的柱狀晶形狀.在熔合線向內的方向，由于發生成分過冷現象，隨著與熔合線的距離增大，過冷度增大，熔池溫度降低，枝晶形狀會依次像胞狀晶、胞狀樹枝晶、樹枝狀晶發展.在焊縫中心，由于更大的過冷度產生，枝晶會自發形核最終形成大量的等軸晶.隨著焊接電流增大，熱輸入變高，晶粒組寸逐漸增大，當電流增加到90A 時，晶粒組織的尺寸最為粗大.這是因為當焊接熱輸入增大時，焊縫冷卻速度降低，對應的溫度梯度減小，柱狀晶的二次枝晶間距增大，焊縫組織變得粗大，焊接熱輸入與晶粒的尺寸呈正相關性.同時，熱輸入增大，使得輸入熔池的總能量增加，焊道兩側的輸入能量增多，從而使母材的熱影響區加寬.

圖6 TwinPulse 模式微觀組織

圖7 是電流 為 90A 時，TwinPulse、STwinPulse、TwinPulse-XT 3 種模式的焊縫微觀組織.由圖可知在輸入電流相同時，3 種焊接模式的枝晶形狀不同.TwinPulse 模式焊縫中心晶粒細化成等軸晶，枝晶排列更加整齊緊湊.STwinPulse 模式焊縫中心由部分等軸晶和樹枝晶構成，枝晶排列不整齊.TwinPulse-XT 模式晶粒細化程度低，所以焊縫中心呈現樹枝晶和細碎枝晶的形式.這是由于三種焊接模式的熱輸入值和單位脈沖周期不同引起的.由TwinPulse 模式至TwinPulse-XT 模式的微觀晶粒組織尺寸逐漸增大，也是因為一般熱輸入越大，晶粒細胞獲得更多的能量變形則越大，直至組織呈纖維狀[23]，符合焊接熱輸入與晶粒尺寸呈正相關性的規律.

圖7 不同模式焊接件微觀組織

綜上所述，在電流相同時，由于不同焊接模式的熱輸入值及電流穩定性不同，影響焊縫晶粒細化程度和組織形態.TwinPulse 模式的晶粒細化且生長時間長，根據斷裂理論，晶粒越細化，裂紋不易形成，且敏感性較低，焊縫的力學性能更好[24].

3 結論

（1）焊接模式不同，會導致熱輸入不同.當輸入電流相同時，TwinPulse-XT 模式的焊接熱輸入最大且脈寬最寬，易導致焊接過程中電弧不穩定.

（2）TwinPulse 模式單位脈沖群內強弱脈沖個數適中，在焊接時電流密度概率較為平緩，生成的魚鱗紋清晰均勻.

（3）焊接模式影響焊縫外部形態.TwinPulse模式焊縫魚鱗紋清晰規則，飛濺較少.STwinPulse 模式焊縫寬度不均勻，魚鱗紋較清晰，飛濺增多.TwinPulse-XT 模式焊縫表面有氣孔，魚鱗紋不規則，存在咬邊現象.

（4）焊接模式影響焊縫內部組織.參數相同時，TwinPulse 模式焊縫中心為排列規則的細化等軸晶，焊縫的力學性能更好.