铝合金强制冷却焊接工艺研究

罗敏 刘川

摘要：简要介绍了强制冷却焊接工艺的研究现状与意义，在常规自然冷却铝合金MIG焊接方法的基础上，采用强制冷却工艺，与相同条件下的常规自然冷却MIG焊接方法进行对比，研究强制冷却焊接工艺对焊缝性能的影响。

关键词：MIG焊;强制冷却;焊缝性能;温度场;抗拉强度

0 引言

城市轨道交通车辆的车体材料主要包括铝合金、不锈钢和碳素钢。其中，采用铝合金制作的车体具有质量轻、耐腐蚀、外观平整度好、可二次利用、环保、自动化焊接范围大等诸多优点。

铝及铝合金的热导率和比热容均比碳素钢高，在焊接铝及铝合金时，焊接过程中产生的大量热量会迅速传导到基体金属内部，热输入量过多容易使焊件晶粒粗大。因此，如何在保证焊接接头熔合良好的前提下控制热输入量，对于保障铝合金材料的焊接质量具有重要的意义。

本文对7 mm厚的6系铝合金板材进行MIG焊接，在焊缝下方，我们采用了在铜板内部通冷却水的方式对其进行降温;在相同条件下，通过对采用强制冷却方式与常规自然冷却方式得到的焊缝温度场和力学性能值进行对比，进而研究强制冷却焊接工艺对焊缝性能的影响。

1 强制冷却焊接工艺的研究现状与意义

目前已有众多学者对强制冷却焊接工艺进行了研究，发现在采用强制冷却焊接工艺后，焊缝的热影响区范围明显缩小，焊核晶粒尺寸明显减小，且焊接材料的抗拉强度和塑性延伸率明显高于常规自然冷却状态下的焊接质量。

由此可知，强制冷却焊接工艺有助于降低铝合金焊缝的热影响区和晶粒尺寸，对于提高铝合金材料焊接质量具有重要的意义。

2 主要研究内容

本文在常规自然冷却铝合金MIG焊接方法的基础上，采用强制冷却工艺，与相同条件下的常规自然冷却MIG焊接方法进行对比，探究强制冷却工艺对焊缝性能的影响。

（1）在相同的焊接参数下，分别采用常规自然冷却工艺的铝合金MIG焊接试件与强制冷却工艺的铝合金MIG焊接试件，在焊接过程中对焊缝附近的温度场进行测定，对两种试件的温度场进行分析和比较。

（2）将两种试件分别制成标准拉伸试样进行拉伸试验，并对试验结果进行分析。

3 试验材料及器材

3.1    试验材料

选用常用的6系铝合金型材，规格尺寸为300 mm×140 mm×7 mm的铝板，采用75°坡口角度;选用规格为？准1.2 mm的ER5356铝镁合金焊丝;采用Ar和He混合气保护气体，铝板及焊丝化学成分如表1所示。

3.2    试验器材

试验所用到的焊接及采集器材如图1所示。其中，焊接器材由福尼斯焊接电源、焊枪、自动送丝系统构成，采集器材为YOKOGAWA测温装置。我们采用的强制冷却装置是在铝板焊缝下部密贴放置一块水冷垫板（图2），此垫板为带有4个通孔的铜垫板，这里的通孔作为冷却水通道，利用此通道达到吸收热量与降低热输入的目的。

4 焊接温度场对比分析

焊接过程中采用热电偶与数据记录仪采集焊接温度场数据。热电偶通过点焊机点焊至焊道两侧测温点处，4处测温点在焊缝两侧对称分布。测温点位置距离坡口边缘分别为5 mm、10 mm。

4处测温点分别通过1号、2号、3号、4号通道进行记录。通道1、2和通道3、4对称分布于焊缝两侧，其中通道1、3位置距焊缝中心约8 mm，通道2、4位置距焊缝中心约13 mm。图3为强制水冷试件焊缝温度场分布示意图，图4为自然冷却试件焊缝温度场分布示意图。

图5为自然冷却试件焊缝温度场和强制水冷试件焊缝温度场3号通道的温度变化对比图。从图中可以看出，强制水冷试件焊缝的温度曲线整体低于自然冷却试件焊缝的温度曲线，其中自然冷却试件焊缝的峰值温度为380 ℃，而强制水冷试件焊缝的峰值温度为330 ℃。此外，采用强制水冷方式在高温区域内持续的时间，约是自然冷却方式的一半。

5 拉伸试验结果分析

将两种冷却方式得到的试件按照国际标准ISO 4136—2001和ISO 6892-1—2009制成標准拉伸试样并进行拉伸试验。

通过自然冷却方式得到的试样抗拉强度约为231 MPa，通过强制水冷方式得到的试样抗拉强度约为250 MPa，将两种方式的拉伸试验结果进行对比，可以看出，采用强制水冷方式得到的试样抗拉强度高于自然冷却方式得到的试样抗拉强度19 MPa。

6 结语

本文通过对强制水冷焊接方式和常规自然冷却焊接方式得到的温度场和力学性能试验结果进行评估分析，说明强制水冷焊接方式对焊缝性能有着深远的影响，采用强制水冷焊接方式有助于试样抗拉强度的提升。

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收稿日期：2020-07-22

作者简介：罗敏（1978—），女，四川邻水人，工程师，研究方向：车体结构设计。

刘川（1981—），男，江苏宿迁人，高级工程师，研究方向：电气自动化。