引言
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和城市人口較快增長(zhǎng)，交通擁堵及大氣污染等問(wèn)題日益嚴(yán)峻，加速軌道交通發(fā)展已成為必然。鋁合金車(chē)體［1-2］作為軌道車(chē)輛的關(guān)鍵構(gòu)件，其焊接質(zhì)量和效率直接關(guān)聯(lián)到車(chē)輛的整體品質(zhì)、制造成本與生產(chǎn)周期［3-4］。在眾多焊接方法中，熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）［5］具有成本低、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于軌道車(chē)輛車(chē)體焊接制造中。然而，由于鋁合金的高熱敏感性、強(qiáng)導(dǎo)熱性等因素影響，MIG焊接速度普遍低于0.8m/min，以避免出現(xiàn)熱裂紋、咬邊、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊接效率不高，制約了軌道車(chē)輛制造技術(shù)的發(fā)展。
盡管采用特殊專(zhuān)利保護(hù)氣技術(shù)（如T.I.M.E焊）或復(fù)合熱源技術(shù)（如激光-MIG、多絲焊等）可在一定程度上提高鋁合金MIG焊焊接速度，但這些改進(jìn)型工藝在升級(jí)車(chē)體弧焊產(chǎn)線(xiàn)時(shí)存在改造成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、焊接參數(shù)調(diào)控繁雜等問(wèn)題，限制了其在制造業(yè)的大面積推廣應(yīng)用。此外，CMT、CMT-A、Cold Arc等低熱輸入焊接技術(shù)的送絲速度較低，不適用于4mm厚車(chē)體對(duì)接焊縫全熔透高效焊接；而交流脈沖MIG熔深較淺［6］，難以滿(mǎn)足長(zhǎng)大薄壁件（4mm厚）全熔透要求。交流MIG熔深淺的原因是：鋁合金傳統(tǒng)脈沖MIG焊采用直流反接，陰極產(chǎn)熱多（電子為場(chǎng)致發(fā)射），母材熔深大；當(dāng)采用交流時(shí)，周期性出現(xiàn)直流正接，工件產(chǎn)熱少，母材熔深變淺。因此，AC MIG或AC P MIG均不適合4mm厚鋁合金車(chē)體全熔透焊接，企業(yè)均采用傳統(tǒng)DCEP 脈沖MIG焊。因此，如何在保證生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，通過(guò)原理、技術(shù)、工藝創(chuàng)新，改進(jìn)在役鋁合金車(chē)身MIG焊接裝備，低成本地大幅度提高其焊接速度與生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)降本增效，是提升軌道交通焊接工藝的制造價(jià)值，促進(jìn)我國(guó)軌道交通行業(yè)的發(fā)展、提高市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵助推器之一。
近年來(lái)研究表明，利用外加磁場(chǎng)改善電弧焊焊接工藝，具有成本低、附加耗能少、易操作等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一［7-10］。王林［11］等人發(fā)現(xiàn)，橫向磁場(chǎng)可增加MIG電弧下方液態(tài)金屬層厚度，降低液態(tài)金屬流縱向速度并增加其橫向流動(dòng)速度；在2.4m/min焊速下，仍可有效抑制駝峰焊道的產(chǎn)生。樊?。?2］等人通過(guò)引入縱向磁場(chǎng)，有效降低了熔化極氣體保護(hù)焊焊接飛濺，優(yōu)化了焊縫成形。張培磊［13］等人發(fā)現(xiàn)外加縱向磁場(chǎng)可促使鋁合金冷金屬過(guò)渡焊接電弧一定程度旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)其熔池產(chǎn)生攪拌作用。該作用不僅能顯著抑制焊縫氣孔缺陷，而且細(xì)化了接頭組織、改善了焊縫成形。Yue［14］等人研究發(fā)現(xiàn)，外加橫向磁場(chǎng)可通過(guò)壓縮電弧，以提高電弧穩(wěn)定性，抑制未焊透、咬邊等焊縫成形缺陷。特別是橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到24mT時(shí)，其原短路過(guò)渡演變?yōu)閬喩淞鬟^(guò)渡，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定。然而，上述研究研究均采用單一外加磁場(chǎng)，難以充分結(jié)合多種電磁場(chǎng)的各自?xún)?yōu)勢(shì)，綜合調(diào)控熔體金屬在各方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Nomura［15］等人將尖角磁場(chǎng)應(yīng)用到高速TIG焊，通過(guò)將電弧等離子體的橫截面由圓形變?yōu)闄E圓形，顯著改善焊縫外觀成形。武傳松團(tuán)隊(duì)［16］提出了新型脈沖復(fù)合磁場(chǎng)輔助MIG高速焊接技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，研制的勵(lì)磁電源能夠提供足夠高精確的勵(lì)磁頻率和勵(lì)磁電流，以調(diào)節(jié)電弧和熔滴的行為，抑制咬邊缺陷，同時(shí)也避免因液態(tài)金屬流動(dòng)寬度的變窄而導(dǎo)致后向液體流動(dòng)速度增加。
為此，本文結(jié)合軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體焊接產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際需求，對(duì)磁場(chǎng)發(fā)生裝置及勵(lì)磁電源進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以產(chǎn)生高質(zhì)量的脈沖復(fù)合磁場(chǎng)。通過(guò)開(kāi)展焊接工藝試驗(yàn)，優(yōu)化勵(lì)磁參數(shù)，抑制了焊縫缺陷。結(jié)合焊接接頭的外觀成形、金相組織、晶粒尺寸、顯微硬度、抗拉強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，深入分析勵(lì)磁參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響。
磁控弧焊設(shè)備及原理
試驗(yàn)系統(tǒng)由龍門(mén)式機(jī)器人、焊機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)和焊接參數(shù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁電源和勵(lì)磁磁頭構(gòu)成。其中，勵(lì)磁電源產(chǎn)生的雙脈沖電流波形，相位差180°，勵(lì)磁電流波形的占空比為50%，勵(lì)磁電流0~50A，勵(lì)磁頻率10~150Hz。
圖1 軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體焊接試驗(yàn)系統(tǒng)示意
新型脈沖復(fù)合磁場(chǎng)勵(lì)磁裝置包括鐵心、3個(gè)勵(lì)磁磁頭和2組勵(lì)磁線(xiàn)圈。勵(lì)磁線(xiàn)圈由漆包銅線(xiàn)纏繞制成，通電方向及勵(lì)磁電流波形如圖2所示。勵(lì)磁磁頭共3個(gè)，磁極連線(xiàn)按0°-90°-180°分布。2組獨(dú)立的勵(lì)磁線(xiàn)圈（300匝/組）感抗為0.14mH/組，繞組方向相同。在保護(hù)殼體作用下，勵(lì)磁裝置可在350℃的環(huán)境溫度下連續(xù)長(zhǎng)期工作。勵(lì)磁電源采用SiC串聯(lián)移相全橋方案，經(jīng)第三方檢測(cè)，當(dāng)置信因子為2時(shí)，其勵(lì)磁頻率的測(cè)量不確定度（Urel）為1%，勵(lì)磁電流（2~10A）測(cè)量不確定度為4.5%。
圖2 新型脈沖復(fù)合磁場(chǎng)勵(lì)磁裝置示意
當(dāng)1號(hào)線(xiàn)圈通電（Ie）時(shí)，2號(hào)線(xiàn)圈處于基值（0A）。此時(shí)，磁頭1、磁頭2、磁頭3產(chǎn)生的磁極分別為N極、S極、S極。脈沖復(fù)合磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電磁力如圖3a所示，這種復(fù)合磁場(chǎng)的作用下，電弧和熔滴會(huì)產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)和沿焊接方向前傾。當(dāng)2號(hào)線(xiàn)圈通電時(shí)，1號(hào)線(xiàn)圈處于基值（0A），此時(shí)通電磁頭1、磁頭2、磁頭3產(chǎn)生的磁極分別為N極、N極、S極。復(fù)合磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電磁力如圖3b所示，所產(chǎn)生的復(fù)合磁場(chǎng)促使電弧和熔滴產(chǎn)生與1號(hào)線(xiàn)圈通電時(shí)相反的橫向偏轉(zhuǎn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生前傾狀態(tài)。如圖4所示，當(dāng)焊接速度為0.75m/min時(shí)，電弧既不后托也不左右變動(dòng)（見(jiàn)圖4a、4b）；而當(dāng)焊接速度提高到1.2m/min時(shí)，電弧發(fā)生嚴(yán)重后托，此時(shí)仍不發(fā)生左右變動(dòng)（見(jiàn)圖4b、4c）；當(dāng)勵(lì)磁線(xiàn)圈通入雙脈沖電流波形后，電弧及熔滴將在復(fù)合電勵(lì)磁作用下會(huì)周期性左右擺動(dòng)，并沿焊接方向前傾（見(jiàn)圖4d~4f）。
圖3 新型脈沖復(fù)合磁場(chǎng)調(diào)控原理
（a）0.75m/min （b）無(wú)磁場(chǎng)時(shí)電弧左右擺動(dòng)
（c）1.2m/min （d）8A、120Hz
（e）t=3.668 2s （f）t=3.6732s
圖4 不同參數(shù)下MIG焊接電弧
試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料為6N01-T5鋁合金，工件尺寸1500mm×50mm×4mm，實(shí)際坡口如圖5所示，下方留有2mm凹槽襯底。焊前采用激光清洗設(shè)備對(duì)型材坡口及兩側(cè)40mm內(nèi)區(qū)域預(yù)處理直至呈現(xiàn)金屬光澤。焊接保護(hù)氣體為99.99%工業(yè)氬氣，氣流量30L/min。焊接填充金屬為ER5356鋁焊絲，焊絲及母材化學(xué)成分如表1所示。
試驗(yàn)采用脈沖高效磁控弧焊開(kāi)展高速焊接（>1.0m/min［17］），傳統(tǒng)弧焊參數(shù)作為對(duì)比。焊接試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，勵(lì)磁電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系如表3所示。
圖5 工件坡口示意
表1 6N01鋁合金及 ER5356焊絲化學(xué)成分
（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
表2 焊接試驗(yàn)參數(shù)
表3 勵(lì)磁電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系
結(jié)論
本文針對(duì)6N01鋁合金車(chē)體高速M(fèi)IG焊接過(guò)程中焊縫成形不良及焊接接頭質(zhì)量差等問(wèn)題，研究了外加脈沖復(fù)合磁場(chǎng)對(duì)焊接工藝的影響。通過(guò)優(yōu)化勵(lì)磁參數(shù)和焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁合金車(chē)體長(zhǎng)大薄壁型材對(duì)接接頭的高效焊接，并得出以下結(jié)論：
（1）磁控弧焊能夠降低熱輸入，同時(shí)將焊接速度從0.75m/min提高到1.2m/min，焊接效率提高了71.4%。
（2）通過(guò)脈沖復(fù)合磁場(chǎng)調(diào)控電弧擺動(dòng)，使得熔融金屬橫向鋪展進(jìn)而降低溫度梯度，采用磁控弧焊時(shí)焊接接頭的熔合區(qū)寬度減小，熱影響區(qū)晶粒細(xì)化。
（3）傳統(tǒng)弧焊時(shí)焊縫區(qū)的最大晶粒尺寸為123.27μm，磁控弧焊時(shí)焊縫區(qū)的最大晶粒尺寸為127.83μm；而磁控高速焊的平均晶粒尺寸68.96μm略小于傳統(tǒng)弧焊的74.31μm。
（4）傳統(tǒng)弧焊時(shí)，焊接接頭的平均硬度值為71.97HV，平均抗拉強(qiáng)度為193MPa；磁控弧焊接頭的平均硬度為70.07HV，平均抗拉強(qiáng)度為187 MPa。兩種焊接條件下的硬度與抗拉強(qiáng)度相差甚微。
（5）磁控弧焊疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，存活率50%中值疲勞極限σ50%=132.5MPa；工程誤差δ≤5%，置信度95%，失效概率1%的安全疲勞極限σ（0.01，0.95）=108MPa；工程誤差δ≤5%，置信度90%，失效概率1%的安全疲勞極限σ（0.01，0.95）=110MPa，接頭疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足工藝要求。
