基于非熔化极惰性气体保护电弧焊的铝合金车身维修研究
（淮安生物工程高等职业学校，江苏淮安，223000）
摘要：基于提高铝合金车身维修水平的目的，本文从焊接工艺视角出发，提出将非熔化极惰性气体保护电弧焊应用于铝合金车身维修中，着重分析非熔化极惰性气体保护电弧焊工艺中焊接速度、焊接峰值电流对焊缝形貌的影响。结果表明，车身焊缝熔深受焊接速度的影响较小，熔宽和清理宽度受此影响较大；熔深受峰值电流变化的影响较小，熔宽和清理宽度受此影响较大。建议车身维修期间，设定TIG焊接速度为10～12mms，峰值电流为180～200A。另外，本文针对TIG焊接在铝合金车身维修中的应用给出了一些指导性建议。
关键词：非熔化极惰性气体保护电弧焊；车身维修；铝合金
铝合金具有导热导电性能强、材料密度较小、强度高、耐腐蚀性好的优势，符合车身加工需求，因而在车辆生产中应用比较广泛。随着我国经济水平的不断提升，汽车行业发展速度不断加快，道路车辆数量逐渐增加，导致交通安全事故时有发生。铝合金车身维修作为交通事故车辆维修的主要内容之一，对焊接技术水平的要求较高。传统焊接工艺在焊缝形貌把控方面有待改进。为此，本文提出运用非熔化极惰性气体保护电弧焊技术，采用试验分析的方式，探究该技术在铝合金车身维修中的应用。
1 试验设备与材料
1.1 试验设备
本次试验搭建铝合金车身焊接信息采集与控制系统，并将其作为TIG焊接技术应用中焊缝形貌把控的依据。试验期间使用到的设备包括焊接子系统、中心控制计算机、送丝子系统、固高端子板、图像采集子系统、运动控制子系统。其中，焊接子系统配备的主要设备有起弧设备、水冷设备、弧焊电源；送丝系统配备的主要设备有送丝控制设备、送丝机；图像采集子系统配备的主要设备有补光灯、图像采集卡、摄像机；运动控制子系统配备的主要设备有固高运动控制卡、三维运动平台。
1.2 试验材料
本次试验选择2022铝合金作为试验材料。该材料具有焊接性能优、抗腐蚀性强、成本较低等优势，是当前车辆生产加工中车身加工的主要材料。本次试验过程中，在焊接期间，向铝合金所处环境内增加氩气，作为焊接保护气体。其中，氩气的浓度为99.99%。
2 试验方法
2.1试验原理
利用TIG焊接工艺对铝合金车身的基板进行空焊。在此过程中，以运动平台的上方作为焊枪固定位置。通过控制三维平台，实现对车身基板的运动控制。本次试验以焊接速度、焊接峰值电流作为变量，探究这两个变量对焊缝形貌的影响。考虑到焊接操作过程中受到的影响因素较多，为了避免这些因素对试验造成干扰，在焊接过程中需要实时监测焊接参数变化情况，只有保证非自变量稳定，才能保证试验结果的可靠性［5］。
2.2试验设计
大量研究结果表明，铝合金焊接影响因素包括保护气体流量、散热、钨针顶端与基板之间的距离等，将与这些因素相关的焊接作业参数作为监测对象［6］。在保证焊接期间其他参数不变的情况下，开展试验测试。本次试验主要分为两部分，分别是焊接速度试验、焊接峰值电流试验。
①焊接速度试验。本次试验以焊接速度作为变量，其他参数保持不变，测量不同焊接速度下的焊缝形貌，包括焊缝宽度和熔深。焊接过程中，焊接峰值电流固定200A不变，保证变量的唯一特性。试验组数为5组，每组焊接速度设置为6mms、8mms、10mms、12mms、14mms。测量不同焊接速度条件下的熔宽、熔深、清理宽度，并绘制变化曲线，以便观察分析。
②焊接峰值电流试验。本次试验以焊接峰值电流作为变量，其他参数保持不变，测量不同焊接峰值电流下的焊缝形貌，包括焊缝宽度和熔深。焊接过程中，焊接速度固定在10mms不变，保证变量的唯一特性。试验组数为5组，每组焊接峰值电流设置为60A、180A、200A、220A、240A。测量不同焊接速度下的熔宽、熔深、清理宽度，并绘制变化曲线，以便观察分析。
除上述参数外，其余参数在试验中保持不变，设置情况如表1所示。
表1焊接参数设置
如果焊接参数中长度超过了70mm，则以中间位置作为最佳焊接位置，测量清理宽度数值，而后截取横截面，对此处采取打磨处理，而后经过剖光和腐蚀后，测量当前焊缝的熔宽、熔深、清理宽度，记录测量结果，利用数据整理软件，将测量结果以曲线方式输出。3 试验结果分析
3.1 TIG焊接速度对铝合金车身维修中焊缝形貌的影响
按照试验方案，设置不同的焊接速度，测量车身维修中焊缝形貌的熔宽、熔深、清理宽度，结果见图1。
图1 焊接速度变化条件下的铝合金车身维修中焊缝形貌影响情况由图1可知，车身焊缝熔深受焊接速度的影响最小，随着焊接速度的增加，熔深呈现出极小幅度的下降变化趋势，变化幅度在0.5mm以内。相比之下，清理宽度和熔宽两项参数受焊接速度的影响比较大，变化趋势相近，随着焊接速度的增加，数值逐渐减小。其中，在焊接速度为8-12mms时，熔宽变化较小，其他焊接速度条件下，熔宽呈现出较为明显的下降变化趋势。当焊接速度为14mms时，熔宽约为3.3mm。对于清理宽度，焊接速度为10mms是一个转折点，当焊接速度超出该数值后，随着焊接速度增加，焊缝清理宽度下降幅度明显减小。综合考虑熔宽、熔深、清理宽度变化趋势，结合车身维修的焊接速度控制难度和技术需求，建议车身维修期间焊接速度控制在10-12mms。
3.2 TIG焊接峰值电流对铝合金车身维修中焊缝形貌的影响
按照设定的试验方法，固定非变量以外的参数数值，在保证单一变量的条件下，测量不同峰值电流冲击下产生的熔宽、熔深、清理宽度，统计结果见图2。
图2 焊接峰值电流变化条件下铝合金车身维修中焊缝形貌影响情况由图2可知，熔深受峰值电流变化的影响最小，其始终保持在0.5-1.5mm范围内。熔宽和清理宽度两个参数受峰值电流变化的影响较大，均呈现出上升的趋势。其中，清理宽度的上升幅度更大一些。之所以会出现此类情况，主要是原因峰值电流增加引发了氧化膜撞击，阳离子数量大幅度增加，致使阴极的清理宽度逐渐变大。为了保证铝合金车身维修质量，在运用TIG焊接技术时，尽量增加熔深，减小熔宽和清理宽度。从当前变化特点来看，建议将峰值电流控制在180-200A。
4 TIG焊在铝合金车身维修中的应用建议
4.1 焊前清理
为了充分发挥TIG焊的作用，必须做好焊前清理工作。油污、氧化膜、铁锈是金属表面的重要清理对象，一般利用化学机械或者化学试剂清理金属表面。通常情况下，用砂纸、钢丝打磨金属表面，可以有效去除铁锈。如果遇到表面氧化膜破坏问题，需要借助刮刀将其铲除。对于本文研究的铝合金车身，如果焊接处存在氧化膜破坏，或者金属表面出现铁锈问题，都可以运用这些方法加以处理，确保焊接表面无杂质后，开始运用TIG焊工艺焊接车身，以提高维修质量。
4.2 TIG焊接速度控制建议
通过试验分析可知，熔宽、熔深、清理宽度是影响焊接速度的主要参数，需要根据铝合金车身实际情况及维修需求，对熔宽、熔深、清理宽度进行合理取值，在此基础上设定焊接速度范围。本文的试验研究所得结果只能确定一个大概的焊接控制速度范围，无法得到更为精确的速度控制范围。为了提高铝合金车身的维修质量，建议引入软件模拟分析方法，利用软件构建针对某一款铝合金车身的模型，将基本参数代入模型中，经过计算得到焊接速度控制相关数值，经过综合因素分析，缩小速度控制范围。一般情况下，车身模型的构建需要结合力学理论，所以在接下来的研究中，需要加深力学理论与汽修等多项专业知识的融合。
4.3 TIG焊接峰值电流控制建议
从试验结果来看，TIG焊接中峰值电流对熔宽、熔深、清理宽度均具有一定影响，需要尽量增加熔深，减小熔宽和清理宽度。在TIG焊接技术应用中，熔深与技术应用效果呈正相关关系，而熔宽、清理宽度与技术应用效果呈负相关关系，需要收集各项因素信息，合理调整参数数值。本次试验给出了最佳峰值电流范围为180-200A，由于此范围考虑因素较多，预留了一定调节空间。在实际应用TIG焊接的过程中，建议先确定焊接影响参数及环境因素，然后给出不确定因素的控制空间，在此基础上缩小峰值电流范围。目前，模拟应用分析方法在车身焊接分析中的应用较多，模型构建方案较为成熟，可以运用模型构建方法，尝试构建一套以焊接峰值电流为变量的焊接控制模型，根据模拟结果缩小峰值电流范围。
5 结语
本文围绕铝合金车身维修中的焊接工艺展开探究，选择TIG焊接作为研究对象，采用试验分析的方式，探究TIG焊接中峰值电流和焊接速度对车身焊缝形貌的影响。结果显示，车身焊缝熔深受焊接速度的影响较小，熔宽和清理宽度受此影响较大；熔深受峰值电流变化的影响较小，熔宽和清理宽度受此影响较大。建议车身维修期间，设定TIG焊接速度为10-12mms，峰值电流为180-200A。另外，本文针对TIG焊接在铝合金车身维修中的应用给出了一些指导性建议。
参考文献：
［1］杨超，王英君，徐艳利，等.含Sc高强铝合金薄板TIG焊与FSW接头组织与性能对比研究［J］.机械工程学报，2020（6）：235-242.
［2］张山，魏正英，杜军，等.铝合金变极性TIG焊焊接参数对焊缝形貌的影响［J］.机械设计与制造，2020（2）：182-185.
［3］张琨，刘政军.固溶处理对7075铝合金同质TIG焊接头显微组织及力学性能的影响研究［J］.热加工工艺，2019（3）：83-88.
［4］韩国良，王惠苗，刘含伟，等.不同焊接工艺下2219铝合金TIG焊接头性能分析［J］.焊接，2019（5）：48-51.
［5］马雨晴，王红阳，刘黎明.基于Ni中间层的铝合金与高强钢激光诱导TIG复合焊接［J］.中国激光，2019（8）：90-96.
［6］韩国良，宋建岭，丁吉坤，等.焊接热输入对2219薄板铝合金焊接接头性能的影响［J］.焊接，2020（1）：51-54.
收稿日期：2021-10-05
作者简介：张影（1990—），女，本科，助理讲师，研究方向：汽车检测与维修。
