高速列车铝合金型材MIG焊电流阶跃对缺陷的影响

万岳雄，于 龙，何晓龙，王传刚，杨瑞欣，陈 辉

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

高速列车铝合金型材MIG焊电流阶跃对缺陷的影响

万岳雄1，于 龙1，何晓龙1，王传刚1，杨瑞欣2，陈 辉2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

针对高速列车4 mm厚6N01大型铝合金挤压型材，进行四种形式的脉冲MIG焊电流阶跃试验，电流分别阶跃15A、20A、25A和30A。研究铝合金脉冲MIG焊电流阶跃对缺陷的影响，焊后对比分析焊缝的宏观成形、X射线探伤结果以及显微组织。试验结果表明，对于铝合金脉冲MIG焊，在平均电流185 A的基础上进行电流阶跃，当电流阶跃小于20 A时，焊接接头无明显缺陷；当焊接电流达到25 A时，由于焊接热输入突然增大，会出现气孔缺陷，伴随着电流的增大，气孔缺陷逐渐增多。

高速列车；铝合金；MIG焊；焊接电流；缺陷

0 前言

铝合金具有密度小、耐腐蚀性好、比强度高、加工性能好等特点，已成为用途最广、用量最大的轻量化材料之一[1]。随着我国高速铁路的不断发展，采用铝合金代替普通碳钢制造高速列车车体是实现车辆轻量化、高速化的有效途径之一。近年来，随着挤压技术的发展，各种高强度铝合金大断面型材、扁宽薄壁大断面大长度复杂的实心以及蜂窝状空心铝合金型材已被广泛应用于高速列车车体制造[2]。但是对于车体铝合金焊接质量问题，仍无法对焊接过程出现的缺陷及时发现和检测，事后无相应数据支持，分析难度较大。铝合金焊接过程是一个高度非线性的复杂过程，在焊接过程中会出现气孔、未焊透、未熔合等缺陷，这些问题与焊接工艺参数密切相关。焊接监测系统通过搭建铝合金MIG焊的多路传感器，可以实时监测气流量、电压、电流等焊接参数。焊后通过分析焊接参数监测曲线的波动，对焊接试件进行无损与破坏性的检验，可以分析焊接参数与缺陷的关系。

试验以高速列车常用的大型6系铝合金挤压型材为研究对象，对其进行自动化脉冲MIG焊，焊接过程中进行焊接电流的实时阶跃，研究焊接电流的动态变化对铝合金焊接接头缺陷的影响。本研究将为铝合金脉冲MIG焊工程应用中焊接电流与气孔、未焊透、未熔合等缺陷的关系提供一定的理论和技术支撑。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料采用高速列车车体常用的6N01铝合金型材，两侧板厚分别为3 mm和4mm。采用ER5356铝镁焊丝进行焊接，焊丝直径φ1.2 mm。保护气体氩气纯度99.99％。母材及填充焊丝的化学成分如表1所示。

表1 6N01铝合金及ER5356焊丝化学成分％

1.2 试验方法

采用ABB机械手配合福尼斯TPS4000焊机对型材4 mm厚侧进行脉冲MIG焊，并采用HKS焊接监测系统实时监测焊接电流，焊接试验设备如图1所示。

图1 试验设备

铝合金焊接时，坡口处的氧化膜很容易吸收空气中的水分而在接头处形成气孔，表面的油污和水分更是气孔的直接来源，焊前须严格清理焊缝坡口及其附近区域，坡口及两侧各50 mm范围内用不锈钢刷或风动设备认真清理表面氧化膜和杂质，然后用D40擦洗，除去油脂[3]。接头坡口型式如图2所示。

图2 坡口形状及尺寸

在平均电流185 A的基础上分别对电流进行15 A、20 A、25 A以及30 A的阶跃，同时过渡一定的时间，所用焊接工艺参数如表2所示。Devicenet是一种低成本的通讯总线装置，试验通过Devicenet连接福尼斯TPS4000焊机和ABB机械手，通过电参数的Job切换，配合机械手臂的运动，从而实现焊接电流的阶跃。

表2 焊接工艺参数

1.3 接头分析

焊后结合焊接参数监测曲线，观察电流阶跃处焊缝宏观成形；对电流阶跃处进行X射线数字成像探伤，检查内部缺陷情况，X射线探伤设备型号为XXQ2505D-XK3；对电流阶跃处的接头沿焊缝横截面制备金相试样，经打磨抛光后用混合酸进行腐蚀，采用蔡司Alm显微镜观察接头熔合区及焊缝中心的金相组织形貌。

2 试验结果和分析

2.1 焊缝宏观成形及无损探伤结果

在四种电流阶跃形式下获得的焊接电流监测曲线如图3所示。

可以看到起弧与熄弧时的焊接电流均未超过基值，焊接过程中电流突然发生相应的阶跃，分别增大至200A、205A、210A以及215A。焊缝宏观成形如图4所示，四种接头在电流阶跃处焊缝均有一定突起，这与焊接电流增大使得焊接热输入相对提高有关，正面成形连续均匀，没有明显的咬边、表面凹陷、未熔合等缺陷。四种形式下的射线探伤结果均未发现明显缺陷，结果如图5所示。焊缝内部未发现明显的气孔缺陷，表面无裂纹、未焊透、未熔合等缺陷，无损探伤情况良好。

图3 焊接电流监测曲线

图5 焊缝无损探伤

2.2 焊接接头微观形貌

对电流阶跃处的接头沿焊缝横截面制备金相试样，结果如图6所示。图6a为电流阶跃15 A时焊缝的微观组织，焊缝区为树枝晶组织，未发现明显的焊接缺陷。图6b为电流阶跃20 A时焊缝的微观组织，焊缝区为树枝晶组织，同样未发现明显的焊接缺陷。图6c为电流阶跃25 A时焊缝的微观组织，焊缝区为树枝晶组织，但是发现部分气孔缺陷，分析图2可知，这与焊接电流的突然阶跃使得热焊接输入提高有一定关系。图6d为电流阶跃30 A时焊缝的微观组织，焊缝区为树枝晶组织，接头熔合区近焊缝侧为垂直于熔合线生长的柱状晶，但是发现很明显的气孔缺陷，分析图2可知，这与焊接电流的突然阶跃有一定关系。气孔是焊接时熔池中的气泡在凝固时未能及时逸出而形成的空穴。MIG焊时，弧柱温度高，熔滴细，比表面积大，易于吸氢，且熔池深度大，不利于氢气逸出，同时由于铝的导热系数较大，熔池冷却快，不利于气泡的逸出[4]。由于电流阶跃较大，焊接热输入突然增大较多，熔池凝固的时间延长，在焊接过程中焊缝周围可能会存在水蒸气等杂质，增大H元素向熔池中扩散的可能性[5]，因此会在电流阶跃到一定值时出现气孔缺陷。

图6 焊缝微观组织

3 结论

（1）通过四种形式的脉冲MIG焊电流阶跃试验，当电流阶跃小于20 A时，焊接接头未发现明显的焊接缺陷。

（2）当电流阶跃达到25 A时，由于焊接热输入增大较多，焊接接头出现气孔缺陷，伴随着电流的增大，气孔缺陷明显增多。

[1]郑世达，易耀勇，易江龙.铝及铝合金焊接在工程中易出现的几种缺陷分析及预防[J].材料研究与应用，2012（03）：198-203.

[2]王立夫，唐衡郴，王金金.轨道车辆用铝合金焊接缺陷分析[J].焊接技术，2012（10）：14-17.

[3]徐海涛，唐衡郴，刘春宁．铝合金MIG自动焊焊接工艺[J]．电焊机，2011，41（11）：206－208.

[4]李会，郭继祥，何小勃.铝合金MIG焊常见焊接缺陷分析及预防措施[J].电焊机，2013，43（4）：72-76.

[5]张宏伟．铝合金常见焊接缺陷分析[J].轻合金加工技术，2010（01）：53-55.

Influence of current step on defect for high-speed train aluminum alloy with MIG welding

WANG Yuexiong1，YU Long1，HE Xiaolong1，WANG Chuangang1，YANG Ruixin2，CHEN Hui2
（1.CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

For the large-scale extruded section of 4 mm thickness 6N01 aluminum alloy applied in a high-speed train，four forms of weldingcurrent steps in pulse MIGexperiments are carried out.The current steps are 15 A，20 A，25 Aand 30 A respectively.The effect of welding current step on weld defect is studied by analyzing the macroscopic formation，result of X-ray radiographic inspection and microstructure ofwelds.The result shows that for pulse MIG weldingbased on the average weldingcurrent of185 A，no obvious defects are observed as the step current is less than 25 A.When the step current is more than 25 A，the weld defects are observed due to a large heat input.And weld pores increase as the weldingcurrent raises.

high-speed train；MIG welding;aluminum alloy；welding current；weld defect

TG444+.74

A

1001－2303（2016）06－0014-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.03

2015-11-27

中国博士后科学基金

万岳雄（1976—），男，山东人，高级工程师，硕士，主要从事焊接工艺的研究工作。