机器人双脉冲弧焊工艺模式对铝合金焊缝质量的影响

姚 屏，许 敏，林 茜，黄韵怡，王晓军

（1.广东技术师范大学 培训学院，广东 广州 510665；2.广州理工学院 智能制造学院，广东 广州 510540；3.广东技术师范大学 机电学院，广东 广州 510665；4.广东技术师范大学 广东工业实训中心，广东 广州 510665）

0 引言

铝合金具有较高的强度和良好的焊接能力，于交通运输工具和其他结构件中广泛应用[1]；同时其具有的熔点低、热导率高等特性[2]，在铝合金焊接过程中会影响其稳定性.焊接时热输入过小会造成焊缝难以熔合、熔透；热量输入过大会使试件焊接变形，焊接后续校形工作量大，降低整个焊接接头的承载能力以及可靠性[3].不同类型的电流波形会影响铝合金接头的屈服强度[4].当熔池宽度和热输入大小对熔合线处峰值温度的影响相差无几时，焊缝接头的气孔率较低[5].因此为得到清晰连续的鱼鳞状焊缝外观和提高焊接接头的综合性能，需要选择合适的焊接工艺.

近年来，学者们研究了不同焊接过程对焊缝成形的影响.刘文敏等[6]分别在无脉冲、单脉冲、双脉冲模式下进行焊接，发现在双脉冲模式下，焊缝气孔数量较少.黄忠利等[7]研究了单脉冲、双脉冲模式下焊接件的微观组织和力学性能，发现双脉冲焊接工艺熔滴的过渡频率更高、尺寸更小，铝合金成型件的精度更高，焊接接头的综合性能更好.

吴雁等[8]研究焊接工艺参数对铝激光焊缝成形的影响及规律，结果显示，激光功率和焊接速度的增加均会导致鱼鳞纹逐渐模糊.李落星等[9]研究焊接速度对铝合金焊接质量的影响，发现焊接速度过高，将影响焊缝的成形性.

由于双脉冲 MIG 焊接技术的宽电流调节范围、易于实现全位置焊接、可有效控制输入热量等特点，且其平均电流变化产生的电弧力对熔池具有搅拌作用，能降低气孔发生率、细化晶粒，在工业中应用广泛[10]，因此铝合金材料多采用双脉冲焊接技术[11-12].目前，关于不同的双脉冲焊接模式对铝合金焊缝成形的相关研究较少.为此，本文将双脉冲(TwinPulse)、高速双脉冲(S-TwinPulse)、双脉冲增强(TwinPulse-XT) 3种双脉冲焊接模式和电流匹配进行焊接实验，通过观察电流波形、外观形貌和金相组织等，分析焊缝成形规律，为双脉冲焊接模式的选择提供参考.

1 实验

1.1 焊接平台及材料

实验平台由FANUC 工业机器人、LORCH 电焊机、送丝机、小波分析仪、焊接工作平台、计算机等设备组成（见图1）.

图1 工业机器人焊接平台

实验基板采用250mm×40mm×3mm 的6061铝合金板；焊丝为直径1.2 mm 的ER6061 铝合金焊丝，保持12 mm 的焊丝伸出长度；保护气体为纯氩气，气体流量为15 L/min；焊接速度为55 cm/min.实验通过FANUC 工业机器人编辑位置及行程指令，实现相同程序不同参数的电弧焊接.焊接前，试件采用机械打磨的方法去除表面氧化膜，并用酒精擦拭去除表面杂质.处理后的试件立即进行焊接，防止表面氧化膜再次产生.焊接过程中采用电弧小波分析仪实时采集焊接电弧的电压和电流波形.

1.2 实验工艺与设计

实验采取单因素控制法，选取3 种双脉冲焊接模式：双脉冲(TwinPulse)、高速双脉冲(STwinPulse)、双脉冲增强(TwinPulse-XT)，分别匹配70 A、80 A、90 A 的电流进行9 组单道焊接实验.焊接完成后，沿着垂直于焊缝方向通过线切割获取试样；试样经过打磨抛光，用铝合金金相腐蚀液腐蚀20 s，利用莱卡显微镜拍摄金相组织.

实验采用双脉冲电弧作为热源，3 种模式脉冲周期的电流波形对比图（见图2）.

图2 电流波形对比图

由图2 可知，不同焊接模式的脉冲周期内，强弱脉冲个数比不同.其中，S-TwinPulse 模式强弱脉冲个数最多，频率最快；TwinPulse-XT 模式强弱脉冲个数最少，频率最慢；TwinPulse 模式强弱脉冲个数和频率居中.ωb1、ωb2、ωb3分别是TwinPulse 模 式、S-TwinPulse 模 式、TwinPulse-XT 模式的脉冲宽度.由图2 可知，ωb3＞ωb1＞ωb2，即TwinPulse-XT 模式脉冲宽度最大.脉冲宽度过大会造成焊接过程飞溅严重，焊缝氧化，焊缝宽度极不均匀等情况[13].

焊接热输入会影响焊缝的成形和质量，对不同电流模式下的热输入进行分析有助于研究焊缝的成形规律，根据焊接热输入公式Q=ηUI/V[14]，(Q为焊接热输入，U为焊接电压，I为焊接电流，η 为焊接电弧功率，V为焊接速度，η 取常数1)，得出 3 种电流模式的热输入值对比图（见图3）.

图3 热输入对比图

通过公式可以看出，焊接电流、焊接电压和焊接速度是影响焊接热输入的主要参数，文中所用焊机的电压与电流自动匹配，电压无法手动调节，在焊接速度和焊接电流相同的情况下，TwinPulse-XT 模式热输入最大、S-TwinPulse 模式次之、TwinPulse 模式热输入最小.

2 结果与分析

2.1 焊缝形貌对比

不同模式下焊缝形貌如表1 所示.为了更好地观察焊缝截面的内部形貌，在9 组试件焊缝7～9cm 的位置，沿着焊接面垂直方向切割出金相试件.利用工业相机测量金相试件的熔深、余高数值3 次，计算其平均值，结果如表2 所示.

表1 焊缝形貌

表2 熔深、余高参数

3 种模式均可得到成形完整的焊缝，但外观形貌差异明显.通过对比分析，选取3#、6#、9#焊缝来分析焊接模式给焊缝形貌带来的影响.由表1 可知：3#采用TwinPulse 模式.焊缝整体外观效果最好，焊缝熔宽均匀，鱼鳞纹清晰规则，无咬边现象.6#采用S-TwinPulse 模式，焊缝整体外观效果较好，鱼鳞纹清晰，部分接头区域存在咬边现象，飞溅增多.9#采用TwinPulse-XT 模式，焊缝整体外观效果最差，焊缝熔宽不均匀，鱼鳞纹不规则，表面存在明显气孔，飞溅较多.由此可发现，在电流相同的条件下，TwinPulse 模式焊缝外观成形较好.这是因为TwinPulse 模式脉冲周期内强弱脉冲个数适中，熔池在周期内充分震荡，有助于气体逸出，晶粒细化[15].STwinPulse 模式的脉冲周期内强弱脉冲个数较多且热输入较大，搅拌区域的温度过高，在焊丝和母材的挤压作用下从熔池两侧挤出，导致飞溅增多[16].TwinPulse-XT 模式的脉宽较大，致使其焊接时脉宽不均匀，鱼鳞纹有多处凸起现象.

由表1 可知，电流相同时，不同焊接模式的熔深、余高和变化规律不同.为了更好地对比模式之间的差异，根据表2 熔深、余高参数作出焊接模式与焊缝熔深、余高的变化曲线（见图4）.

图4 焊接模式与焊缝熔深、余高的变化曲线

熔深由平均电流和峰值电流决定[17].由图4(a)可知，当电流加大时，3 种焊接模式的焊缝熔深均呈现逐渐升高的趋势.当焊接电流为70 A时，焊缝熔深基本未达到母材厚度的50%，存在焊缝未熔透现象[18].因此对于3 mm 厚的板材，匹配70 A 的焊接电流时，热输入不足，无法达到良好的焊接效果，焊缝质量不达标.匹配80A 和90A 的电流时，焊缝熔深均超过了母材厚度的50%，说明对 于3mm 板 材，匹 配80 和90A 电 流时，热输入大小合适，焊缝在受力时，具有较好的力学性能.其中TwinPulse-XT 模式的焊缝熔深在三组电流下均大于TwinPulse、S-TwinPulse模式.

由热输入对比图可知，TwinPulse-XT 模式的热输入值大于另两种焊接模式.由此可知：当热输入越大时，单位时间内融化的焊丝越长，熔滴的温度较高，使焊道的热影响区加深，母材的向下熔透深度大，有利于熔化的液态金属向下渗透；且当峰值功率一定时，随着脉宽的增加，熔深也增加[13].

由图4(b)可知，3 种焊接模式的焊缝余高随电流的增加均呈现先降低又升高的趋势.这是因为当电流为70 A 时，焊接热量不足，不能完全融化母材，熔池大部分停留在母材表面，造成余高较大；当电流增加到80 A 时，焊丝的熔速不变，焊接能量随着电流的增加，在单位时间内，熔化的焊丝数一定，熔深的增加会导致余高降低，所以余高随脉冲电流的增加而显著降低；当电流增大至90 A 时，焊接能量更大，使得熔深余高均不断增加.其中S-TwinPulse 模式的余高数值最小，是因为余高在正常范围内随着强弱脉冲个数比率增大而逐渐降低导致的[19].TwinPulse 模式的余高数值最大，是因为其热输入最小，焊接过程中熔池多停留在母材表面，向下渗透程度较轻，使得其焊缝余高高度最高.

由此可知，参数相同时，不同焊接模式的焊缝熔深和余高效果均不相同.其中TwinPulse-XT 模式的焊缝熔深最大，TwinPulse 模式的焊缝余高最高.

2.2 电流波形对比

电流概率密度是分析焊接过程稳定性的重要衡量指标[20].用小波分析仪采集且经过滤波处理的3 种模式下的电流概率密度分布图如图5所示.

图5 3 种模式下的电流密度概率

据图5 所示，三种模式的电流分布区间在0～300 A 之间，全区无瞬间0 值，说明无断弧现象，3 种焊接模式都具有良好的焊接完整性[21].集中对比100～200A 区间的密度曲线，发现TwinPulse模式的电流概率密度曲线分布更为平缓，没有明显电流密度尖峰，焊接过程更为平稳.STwinPulse 模式和TwinPulse-XT 模式的电流概率密度曲线分布较为崎岖，其中S-TwinPulse 模式的曲线尖峰较为密集，说明其焊接过程中电流波动较多，不利于焊接稳定性.结合图5 的焊缝对比图可以看出，TwinPulse 模式的焊缝外观较好，无明显缺陷；S-TwinPulse 模式和TwinPulse-XT 模式焊道弯曲、熔宽不均匀，焊缝成形质量较差.

由此可推断，当电流密度概率曲线较为平缓时，电流稳定性较好，焊缝飞溅较少，当电流密度曲线分布较为崎岖时，电流稳定性较差，焊缝表面易产生气孔，出现熔宽不均等现象[22].

2.3 微观组织分析

焊接模式和电流不仅影响焊缝外部成形，还影响内部微观组织，进而对焊缝力学性能造成影响.

图6 显示了TwinPulse 模式下不同电流的焊接件内部微观组织.采用莱卡显微镜观察试件的金相组织，发现6061 铝合金母材的晶粒组织较大，焊缝组织为α-Al 基体和黑色析出相β-Mg2Si.焊接接头包括焊缝区、热影响区和融合区，由于电弧焊接速度快，热输入大，而铝合金的热导率大，散热较快，导致热源和母材之间的相互作用时间很短，晶粒来不及长大而进行细化，焊接接头区晶粒尺寸明显低于母材晶粒尺寸.晶粒会优先向散热快的地方生长，在焊接过程中，熔合线附近是散热最快的地方，所以熔合线附近的晶粒组织呈现出垂直于熔合线方向的生长方式，生长成粗大的柱状晶形状.在熔合线向内的方向，由于发生成分过冷现象，随着与熔合线的距离增大，过冷度增大，熔池温度降低，枝晶形状会依次像胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶发展.在焊缝中心，由于更大的过冷度产生，枝晶会自发形核最终形成大量的等轴晶.随着焊接电流增大，热输入变高，晶粒组寸逐渐增大，当电流增加到90A 时，晶粒组织的尺寸最为粗大.这是因为当焊接热输入增大时，焊缝冷却速度降低，对应的温度梯度减小，柱状晶的二次枝晶间距增大，焊缝组织变得粗大，焊接热输入与晶粒的尺寸呈正相关性.同时，热输入增大，使得输入熔池的总能量增加，焊道两侧的输入能量增多，从而使母材的热影响区加宽.

图6 TwinPulse 模式微观组织

图7 是电流 为 90A 时，TwinPulse、STwinPulse、TwinPulse-XT 3 种模式的焊缝微观组织.由图可知在输入电流相同时，3 种焊接模式的枝晶形状不同.TwinPulse 模式焊缝中心晶粒细化成等轴晶，枝晶排列更加整齐紧凑.STwinPulse 模式焊缝中心由部分等轴晶和树枝晶构成，枝晶排列不整齐.TwinPulse-XT 模式晶粒细化程度低，所以焊缝中心呈现树枝晶和细碎枝晶的形式.这是由于三种焊接模式的热输入值和单位脉冲周期不同引起的.由TwinPulse 模式至TwinPulse-XT 模式的微观晶粒组织尺寸逐渐增大，也是因为一般热输入越大，晶粒细胞获得更多的能量变形则越大，直至组织呈纤维状[23]，符合焊接热输入与晶粒尺寸呈正相关性的规律.

图7 不同模式焊接件微观组织

综上所述，在电流相同时，由于不同焊接模式的热输入值及电流稳定性不同，影响焊缝晶粒细化程度和组织形态.TwinPulse 模式的晶粒细化且生长时间长，根据断裂理论，晶粒越细化，裂纹不易形成，且敏感性较低，焊缝的力学性能更好[24].

3 结论

（1）焊接模式不同，会导致热输入不同.当输入电流相同时，TwinPulse-XT 模式的焊接热输入最大且脉宽最宽，易导致焊接过程中电弧不稳定.

（2）TwinPulse 模式单位脉冲群内强弱脉冲个数适中，在焊接时电流密度概率较为平缓，生成的鱼鳞纹清晰均匀.

（3）焊接模式影响焊缝外部形态.TwinPulse模式焊缝鱼鳞纹清晰规则，飞溅较少.STwinPulse 模式焊缝宽度不均匀，鱼鳞纹较清晰，飞溅增多.TwinPulse-XT 模式焊缝表面有气孔，鱼鳞纹不规则，存在咬边现象.

（4）焊接模式影响焊缝内部组织.参数相同时，TwinPulse 模式焊缝中心为排列规则的细化等轴晶，焊缝的力学性能更好.