脉冲频率对焊缝成形及性能 影响的研究
作者：褚玉佳，丁志成，张向均，陈刚辉，谭旺有
来源：《金属加工（热加工）》杂志
1.概述
高速城际动车组车体主结构 选材为铝合金型材，其中车顶、 侧墙、边梁属6000系热处理强化 Al-Mg-Si合金。长大焊接结构选 用福尼斯Fronius-5000 脉冲MIG 设备焊接，机械手焊接最大的优 点是持枪结构牢固，焊接过程稳定，焊接状态一致性容易保证，焊接质量好，通过调节不同的焊接参数可以得到不同焊接特性，优化焊接性能和成形质量。因此在使用脉冲MIG焊时，各参数之间对接头性能的影响需进一步通过相应对比试验获得，以焊接产品性能检验结果验证工艺可行性。本文主要针对不同脉冲频率下A6N01S-T5铝合金焊接接头力学性能（包括拉伸性能、弯曲性能和硬度性能）对比分析。
2.试验材料及方法
（1）试验材料及设备试验材料由A6N01S-T5铝型材加工成 的300mm×150mm×3mm铝板，焊接沿长度方向进行，化学成分和力学性能如表1、表2所示。采用φ1.2mmER5356焊丝，化学成分如表1所示。采用IGM焊接机器人焊接。
（ 2 ）试验方法选取 （3+3）mm对接接头为研究对象。焊前坡口及两侧各30mm范围内，先用丙酮进行清洗除去脏污及油脂等有机物，然后用不锈钢刷清理表面氧化膜。因MIG焊机电源特性为平特性，设计对比试验中以在相同热输入下改变脉冲频率。实际焊接参数如表3所示。
3.试验结果及分析
（ 1 ）外观检测及无损探伤
①参照标准 ISO 17637《焊 缝无损检测-熔化焊接头外观检 测》，对焊缝进行目视检测，不 同脉冲频率焊接所获得的焊缝均 无明显的咬边。
②参照标准 ISO 17635《焊缝无损检测-金属材料 熔化焊一般原则》对焊缝表面及 近表面的焊缝缺陷通过渗透探伤 （PT）进行检测评价，渗透探伤 结果发现不同脉冲频率的焊缝除了表面存在个别气孔外，并未发现有明显的其他焊接缺陷。
③参照标准 ISO 17636《焊缝无损检测－熔化焊接头的射线检测》对于焊缝内部缺陷通过X射线探伤（RT）进行检测，检测发现不同脉冲频率所获得的焊缝内部均存在气孔缺陷，其中局部区域气孔数量较为集中，如表4所示。
（2）焊接接头截面形貌参照标准 ISO 17639《金属材料焊 缝的破坏性试验-焊缝宏观和微 观检测》对于焊缝横断面进行检 测，检测发现所有的焊缝截面都可以发现气孔的存在，有些气孔 存在于焊缝内部，有些气孔分布在焊缝表面或者近表面，其中背 面焊缝的气孔要多于正面焊缝，如表5所示。
（3）焊接接头拉伸性能参照标准GB/T 2651－2008 《焊接接 头拉伸试验方法》 和GB/T 228－ 2010《金属材料室温拉伸试验方法》测试对接接头的抗拉强度。母材的抗拉强度为 285MPa，要比焊接接头高了不少，说明焊接接头比母材薄弱。脉冲频率fx=0～5Hz焊接接头的抗拉强度平均值分别为191MPa、194MPa、181MPa、192MPa、189MPa和187MPa， 其中fx=1Hz的焊接接头抗拉强度平均值最高，f x=2Hz的最低，相差13MPa。而脉冲频率fx=0～5Hz的焊接接头的断后伸长率平均值分别为12.0%、11.7%、8.9%、11.6%、9.3%和10%，其中fx=0Hz的焊接接头断后伸长率平均值最高，fx=2Hz的最低。在焊接接头的拉伸试验过程中，基本上所有拉伸试样的断裂部位都在焊接接头的热影响区，说明热影响区是整个铝合金焊接接头最薄弱的部位。
（4）焊接接头弯曲性能弯曲试验参照GB/T 2653－2008 《焊接接头弯曲试验方法》进行取样与试验。fx=0Hz、f x=2Hz、fx=4Hz和fx=5Hz的焊接接头面弯和背弯性能都比较良好，试验区域未出现开裂，也未发现气孔、夹渣、未熔合、未焊透、裂纹等影响焊接接头弯曲性能的缺陷。而fx=1Hz和f x=3Hz的焊接接头均有部分试样未通过抗弯试样，试验过程中出现裂纹甚至断裂现象，经观察，主要是由于焊缝内部存在比较多的焊接气孔缺陷所导致。
（5）焊接接头硬度性能不同脉冲频率焊接接头的硬度分布 曲线如附图所示。从图中可以看出，不同脉冲频率焊接获得的焊接接头的硬度分布趋势基本相同，都以焊缝为中心两边近似对称分布，随着远离焊缝中心，硬度值呈现先增大后减小，再增高的趋势。其中焊缝硬度值最低，在60～70HV 之间，这是因为焊缝（W）所用的焊丝为Al-Mg焊丝，硬度较低。母材（B M）的硬度最高， 在100～110HV之间，且分布较为均匀。热影响区（HAZ）硬度值先降低后升高，呈现比较大的梯度，硬度值比焊缝要高，分布 在65HV～95HV之间，但低于母材。从图中还可以发现在靠近焊缝侧的热影响区的硬度出现了最低值，即热影响区出现了软化现象，在距离焊缝中心7～12mm 处，不同脉冲频率的接头出现的位置不一致，同一焊接接头左右两边出现的位置也不一定对称。
4.结语
本文采用无损探伤、显微镜观察、基本性能试验等试验方法，对高速城际动车组用A6N01S-T5铝合金不同脉冲频率的焊接接头进行静力学性能试验，得到了以下结论。
（1）不同脉冲频率接头焊缝无明显的咬边、未焊透以及未 熔合等缺陷。X射线无损检测结 果显示所有脉冲频率焊缝内部均 发现有焊接气孔缺陷，局部区域比较密集，数量较多。
（2）fx=1Hz的焊接接头抗拉强度平均值最高，fx=2Hz的最低；fx=0Hz的焊接接头断后伸长率平均值最高，fx=2Hz的最低；fx=0Hz的强塑积平均值最高，fx=2Hz的最低，fx=0Hz的焊接接头的综合强韧水平最好，fx=2Hz的最低；fx=1Hz的焊接接头强度系数平均值最高，fx=2Hz的最低。所有拉伸试样的断裂部位基本都在热影响区，说明热影响区是整个铝合金焊接接头最薄弱的部位。
（3）fx=0Hz、fx=2Hz、fx=4Hz和fx=5Hz的焊接接头面弯。