引言
隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和城市人口較快增長，交通擁堵及大氣污染等問題日益嚴峻，加速軌道交通發(fā)展已成為必然。鋁合金車體［1-2］作為軌道車輛的關(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焊（MIG）［5］具有成本低、可靠性高和適應(yīng)性強等優(yōu)點被廣泛用于軌道車輛車體焊接制造中。然而，由于鋁合金的高熱敏感性、強導(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，制約了軌道車輛制造技術(shù)的發(fā)展。
盡管采用特殊專利保護氣技術(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，但這些改進型工藝在升級車體弧焊產(chǎn)線時存在改造成本高、耗時長、焊接參數(shù)調(diào)控繁雜等問題，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厚車體對接焊縫全熔透高效焊接；而交流脈沖MIG熔深較淺［6］，難以滿足長大薄壁件（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（電子為場致發(fā)射），母材熔深大；當(dāng)采用交流時，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)進度及產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，通過原理、技術(shù)、工藝創(chuàng)新，改進在役鋁合金車身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，實現(xiàn)降本增效，是提升軌道交通焊接工藝的制造價值，促進我國軌道交通行業(yè)的發(fā)展、提高市場核心競爭力的關(guān)鍵助推器之一。
近年來研究表明，利用外加磁場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，已成為當(dāng)今研究的熱點之一［7-10］。王林［11］等人發(fā)現(xiàn)，橫向磁場可增加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］等人通過引入縱向磁場，有效降低了熔化極氣體保護焊焊接飛濺，優(yōu)化了焊縫成形。張培磊［13］等人發(fā)現(xiàn)外加縱向磁場可促使鋁合金冷金屬過渡焊接電弧一定程度旋轉(zhuǎn)，進而對其熔池產(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)，外加橫向磁場可通過壓縮電弧，以提高電弧穩(wěn)定性，抑制未焊透、咬邊等焊縫成形缺陷。特別是橫向磁場強度達到24mT時，其原短路過渡演變?yōu)閬喩淞鬟^渡，焊接過程更加穩(wěn)定。然而，上述研究研究均采用單一外加磁場，難以充分結(jié)合多種電磁場的各自優(yōu)勢，綜合調(diào)控熔體金屬在各方向運動狀態(tài)。Nomura［15］等人將尖角磁場應(yīng)用到高速TIG焊，通過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。武傳松團隊［16］提出了新型脈沖復(fù)合磁場輔助MIG高速焊接技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，研制的勵磁電源能夠提供足夠高精確的勵磁頻率和勵磁電流，以調(diào)節(jié)電弧和熔滴的行為，抑制咬邊缺陷，同時也避免因液態(tài)金屬流動寬度的變窄而導(dǎo)致后向液體流動速度增加。
為此，本文結(jié)合軌道車輛鋁合金車體焊接產(chǎn)線實際需求，對磁場發(fā)生裝置及勵磁電源進行設(shè)計優(yōu)化，以產(chǎn)生高質(zhì)量的脈沖復(fù)合磁場。通過開展焊接工藝試驗，優(yōu)化勵磁參數(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、抗拉強度及疲勞強度，深入分析勵磁參數(shù)對焊接接頭性能的影響。
磁控弧焊設(shè)備及原理
試驗系統(tǒng)由龍門式機器人、焊機、勵磁系統(tǒng)和焊接參數(shù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。勵磁系統(tǒng)主要由勵磁電源和勵磁磁頭構(gòu)成。其中，勵磁電源產(chǎn)生的雙脈沖電流波形，相位差180°，勵磁電流波形的占空比為50%，勵磁電流0~50A，勵磁頻率10~150Hz。
圖1 軌道車輛鋁合金車體焊接試驗系統(tǒng)示意
新型脈沖復(fù)合磁場勵磁裝置包括鐵心、3個勵磁磁頭和2組勵磁線圈。勵磁線圈由漆包銅線纏繞制成，通電方向及勵磁電流波形如圖2所示。勵磁磁頭共3個，磁極連線按0°-90°-180°分布。2組獨立的勵磁線圈（300匝/組）感抗為0.14mH/組，繞組方向相同。在保護殼體作用下，勵磁裝置可在350℃的環(huán)境溫度下連續(xù)長期工作。勵磁電源采用SiC串聯(lián)移相全橋方案，經(jīng)第三方檢測，當(dāng)置信因子為2時，其勵磁頻率的測量不確定度（Urel）為1%，勵磁電流（2~10A）測量不確定度為4.5%。
圖2 新型脈沖復(fù)合磁場勵磁裝置示意
當(dāng)1號線圈通電（Ie）時，2號線圈處于基值（0A）。此時，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)合磁場產(chǎn)生的磁場和電磁力如圖3a所示，這種復(fù)合磁場的作用下，電弧和熔滴會產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)和沿焊接方向前傾。當(dāng)2號線圈通電時，1號線圈處于基值（0A），此時通電磁頭1、磁頭2、磁頭3產(chǎn)生的磁極分別為N極、N極、S極。復(fù)合磁場產(chǎn)生的磁場和電磁力如圖3b所示，所產(chǎn)生的復(fù)合磁場促使電弧和熔滴產(chǎn)生與1號線圈通電時相反的橫向偏轉(zhuǎn)，同時也會產(chǎn)生前傾狀態(tài)。如圖4所示，當(dāng)焊接速度為0.75m/min時，電弧既不后托也不左右變動（見圖4a、4b）；而當(dāng)焊接速度提高到1.2m/min時，電弧發(fā)生嚴重后托，此時仍不發(fā)生左右變動（見圖4b、4c）；當(dāng)勵磁線圈通入雙脈沖電流波形后，電弧及熔滴將在復(fù)合電勵磁作用下會周期性左右擺動，并沿焊接方向前傾（見圖4d~4f）。
圖3 新型脈沖復(fù)合磁場調(diào)控原理
（a）0.75m/min （b）無磁場時電弧左右擺動
（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
試驗材料及方法
試驗材料為6N01-T5鋁合金，工件尺寸1500mm×50mm×4mm，實際坡口如圖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。
試驗采用脈沖高效磁控弧焊開展高速焊接（>1.0m/min［17］），傳統(tǒng)弧焊參數(shù)作為對比。焊接試驗參數(shù)如表2所示，勵磁電流與磁場強度關(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)量分數(shù)，%）
表2 焊接試驗參數(shù)
表3 勵磁電流與磁場強度關(guān)系
結(jié)論
本文針對6N01鋁合金車體高速MIG焊接過程中焊縫成形不良及焊接接頭質(zhì)量差等問題，研究了外加脈沖復(fù)合磁場對焊接工藝的影響。通過優(yōu)化勵磁參數(shù)和焊接參數(shù)，實現(xiàn)了鋁合金車體長大薄壁型材對接接頭的高效焊接，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）通過脈沖復(fù)合磁場調(diào)控電弧擺動，使得熔融金屬橫向鋪展進而降低溫度梯度，采用磁控弧焊時焊接接頭的熔合區(qū)寬度減小，熱影響區(qū)晶粒細化。
（3）傳統(tǒng)弧焊時焊縫區(qū)的最大晶粒尺寸為123.27μm，磁控弧焊時焊縫區(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，焊接接頭的平均硬度值為71.97HV，平均抗拉強度為193MPa；磁控弧焊接頭的平均硬度為70.07HV，平均抗拉強度為187 MPa。兩種焊接條件下的硬度與抗拉強度相差甚微。
（5）磁控弧焊疲勞試驗結(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，接頭疲勞強度滿足工藝要求。
