热输入对铝合金双脉冲MIG焊气孔缺陷的影响

黄绍服，曹 鑫, 茅卫东，李盛良，李 君

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241009 )

6082铝合金属于可热处理强化的变形铝合金， 经轧制加工而成，因其密度小且具有中等强度、优 良的力学性能、较好的焊接性及良好的耐腐蚀性而成为目前我国新能源车辆实现材料轻量化的主要选材之一。但由于铝合金极易氧化且导热率和受热变形量大，焊接时气孔敏感性高，采用传统熔焊工艺极易产生气孔等焊接缺陷。双脉冲MIG焊作为一种较新的焊接方法通过在较低的基值电流上，周期性地叠加高低脉冲群的脉冲电流，可实现稳定持续的可靠热输入。且具有阴极清理作用能显著提高铝合金焊接质量和效率，缝晶粒细化和气孔敏感性较低等特点。目前该焊接技术在汽车、高铁、船舶等领域已经得到了一定的应用[1-6]。

焊接数值模拟在经过了数十年的发展，在单热源模拟的研究方面已经比较成熟，例如采用高斯分布热源应用于熔深较浅焊接温度场以及焊接热循环曲线，也可采用双椭球热源模型得出熔深较深的焊接温度场以及热循环曲线[7]。目前针对热输入对双脉冲MIG焊焊接缺陷的影响研究较少且方法单一主要以试验为主[8-10]，本文采用数值模拟与试验结论相结合的方法，从而得出焊接热输入对双脉冲MIG焊气孔缺陷形成的影响。

1 试验方法

试验采用基体材料为Al-Mg-Si系的6082铝合金，板厚3mm；焊接设备采用松下公司的自动化焊接机器人，焊接过程采用平焊的焊接姿势，接头形式为对接，试件坡口为I型，无间隙；焊接前先用不锈钢丝球清除坡口氧化膜，试验基体与焊接方向如图1所示。

图1 试验基体与焊接方向示意图 (单位：mm)

焊接填充材料为5356铝合金焊丝，直径为φ1.2mm，保护气体为纯度99.99%的氩气。6082铝合金和5356焊丝的化学成分如表1所示，试验参数如表2所示。调节焊接速度以改变热输入，两者关系为

E=ηUI/v

(1)

式中：E为热输入；U为焊接电压；I为焊接电流；v为焊接速度：η为焊接热效率(η=0.9)。在焊接过程中利用焊接电弧动态小波分析仪对热输入进行实时采集，焊接结束后对焊缝进行X射线检测，对探伤胶片按 NB/T47013 标准对气孔等缺陷进行判定。

表1 合金化学成分(质量分数) %

表2 双脉冲MIG焊焊接工艺参数

2 焊接温度场模拟

2.1 材料热物理性能参数

金属材料的物理性能参数如比热容、热导率、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化。在焊接过程中，焊件局部加热到很高的温度，整个焊件温度变化剧烈，如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化，那么计算结果一定会有很大的偏差。所以在焊接温度场的模拟计算中，一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值。

6082铝合金材料的热物理性能参数如表3所示，它们是温度的函数。

表3 材料的物理及性能参数参数

2.2 三维有限元模型的建立

三维非线性瞬态热传导问题的控制方程为

(2)

利用所建立的三维焊接热传导过程的数学模型，对6082铝合金材料进行了计算分析，模型尺寸与试验板材尺寸相一致，由于焊接是一个温度随着空间和时间都急剧变化的过程，温度梯度很大，因此在网格划分时为了确保计算的准确性故在焊缝区域进行了网格细分，网格划分如图2所示。

图2 有限元网格初始划分

2.3 焊接热源

由焊接热源所提供的热能为整个焊接过程提供主要驱动力，焊接热源的不同以及热源所带来的热输入的不同会引发金属相变、热应变、残余应力的变化。在研究焊接热输入的过程中，需要对焊接过程的每个瞬时温度场进行精确计算。本试验选用高斯热源模型进行模拟计算。高斯热源分布是一种比点状热源和线热源更切实际的一种热源分布函数，因为它将热源按高斯函数在一定的范围内分布。高斯模型热流密度为

(3)

2.4 边界条件

焊件边界与周围介质进行换热，热量的散失主要通过热辐射换热和对流换热方式进行的，高温下散失的热量以辐射为主，低温下以对流为主。在模型的对称面处取绝热边界条件。与此同时为了节约运算时间和资源，需要对焊接模拟过程中的一些不重要运算进行简化，简化如下：

1)焊接的初始温度约定为室温 20℃；

2)忽略焊接过程中熔滴过渡对熔池的冲击作用和焊接熔池中所发生的化学反应、搅拌作用等；

3)焊材与母材各向同性，其热物理参数在材料内部分布均匀，与位置无关，只与温度的变化有关；

4)忽略焊接实际所产生的余高，假设熔池表面为平面。

3 温度场与气孔分布关系

铝合金双脉冲MIG焊气孔缺陷的形成主要与焊缝中存在的氢有密切联系。氢的溶解度随着温度的下降而剧烈减小，因此在焊缝熔池凝固过程中氢从焊缝中析出形成气泡上浮，当熔池的凝固速度过快，气泡来不及浮出焊缝金属表面时就会形成气孔。表4为对焊缝进行X射线无损探伤检测得到的试验结果。分别为不同热输入参数下的双脉冲MIG焊的焊缝表面气孔分布、熔合线宽度。图3为金相显微镜下观察的焊缝横截面气孔分布情况。

表4 焊缝表面气孔分布及熔合线宽度

从实验结果来看气孔(焊缝中白色不规则球状)出现的位置大多在焊缝熔合线以及 焊缝的中心线附近，这两处的气孔数量以及尺寸都较其他位置有明显增多，且随着热输入的增大气孔有明显的减少。

(a) 1.67kJ/cm (b) 1.83kJ/cm (c) 2.03kJ/cm图3 焊缝横截面气孔分布

图3为焊接过程中的整个温度场的动态变化情况及焊缝中心线和焊缝熔合线附近的温度变化曲线。在该图中，主要体现的参数是高于熔点温度停留时间(熔点为650℃)和最高加热温度，这两个参数是影响焊接熔池存在与气孔停留时间长短的主要影响因素。可以看出在中间的稳定时刻，等温线分布形状基本上是一样的，只是热源中心位置随着热源的移动有所变化。焊接过程中热源沿焊接方向移动时，焊件上某点的温度由低到高，达到最大值后，又由高到低，随时间而变化。

图4 温度场分布及温度曲线变化

图4为结合温度场模拟与试验结果得到的热输入参数与峰值温度、气孔数量之间的关系示意图。

图5 热输入与气孔数量、峰值温度关系

结合以上结论分析可得随着焊接热输入的增加，在焊缝中心处的峰值温度也跟着增加，意味着焊缝中心处的熔池存在时间会增加。熔合线处的模拟情况和焊缝中心的趋势是一致的，区别在于峰值温度和高于熔点温度以上的停留时间，其升温速率和冷却速率略慢于焊缝中心位置，故焊缝中心线处气孔数量相比较熔合线处气孔数量较少。随着时间的增加，熔合线处的高温停留时间明显增长，所以熔合线与焊缝中心的温度变化曲线靠得越紧。焊接速度越小则热输入越高，熔池存在时间增加。在熔合线处，其最高温度随热输入的增加有较大变化，相变温度以上的停留时间也随之增加。在熔池凝固后，冷却速度趋于平缓，其冷却速度对焊缝金属的晶粒大小有影响而对气孔的形成基本无影响，所以不做研究分析。理论上，熔宽越宽则熔合线处的温度就越低，但热输入的增加对其温度的影响会一定程度上弥补距离位置对其温度的影响，故当热输入在一定范围内增加时，气孔率可以降到较低水准，此时的高温熔池既有利于气泡的外逸也能控制外部杂质气体的入侵。

4 结论

(1)基于ANSYS软件平台，采用经典高斯热源模型作为输入热源，较好的模拟了焊接电弧移动加热过程以及整个温度场的瞬态变化。

(2)气孔出现的位置大多在焊缝熔合线以及焊缝的中心线附近，这两处的气孔数量以及尺寸都较其他位置有明显增多。

(3) 在一定热输入范围内，适当增加焊接热输入，一方面可以促进气泡逃逸，另一方面也减少外部杂质气孔在焊缝中残留的可能性，达到抑制气孔缺陷的形成的效果。