2219-T87高強(qiáng)鋁合金HPVP-GTAW焊縫成形參數(shù)

李玉龍 從保強(qiáng) 楊明軒 齊鉑金

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

2219高強(qiáng)鋁合金因其良好的物理和化學(xué)性能，作為常用結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域.與常規(guī)連續(xù)電流焊相比，采用高頻脈沖電流進(jìn)行高強(qiáng)鋁合金焊接，可顯著減小焊縫晶粒尺寸，提高接頭力學(xué)性能[1－3].其中，脈沖電流參數(shù)如脈沖頻率、占空比、峰值電流等，對(duì)焊縫組織及性能會(huì)產(chǎn)生顯著影響，合理地調(diào)節(jié)電流參數(shù)將有利于提高接頭質(zhì)量[4].

實(shí)際焊接生產(chǎn)中，焊縫成形是評(píng)判焊縫質(zhì)量的基本要素，直接反映出焊接工藝參數(shù)匹配的合理性.焊縫的熔透成形參數(shù)將影響其顯微組織分布，進(jìn)而對(duì)接頭性能產(chǎn)生重要影響，有效地控制焊縫成形，將有利于獲得組織均勻、力學(xué)性能高的接頭.為此，研究并掌握脈沖電流參數(shù)對(duì)2219-T87高強(qiáng)鋁合金復(fù)合超高頻脈沖方波變極性鎢極氬弧焊(HPVP-GTAW，Hybrid ultrahigh frequency Pulse Variable Polarity Gas Tungsten Arc Welding)焊縫成形的影響規(guī)律，可為優(yōu)化匹配焊接工藝參數(shù)、提高鋁合金脈沖焊接質(zhì)量提供依據(jù)，研究結(jié)果將具有重要的理論價(jià)值及工程意義.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用平板堆焊工藝，焊接試件選用厚度為4.5 mm的2219-T87鋁合金板材，試件規(guī)格為120 mm×60 mm.焊前經(jīng)砂紙打磨后用化學(xué)清理方法(首先10%NaOH堿洗，然后采用35%HNO3溶液酸洗)，去除表面氧化膜.填充焊絲選用φ2.4 mm的ER2319，用砂紙打磨去除氧化膜.

試驗(yàn)用復(fù)合超高頻脈沖變極性方波電流波形如圖1所示.在正極性電流持續(xù)時(shí)間TEN內(nèi)，疊加高頻脈沖方波電流，單個(gè)周期內(nèi)，脈沖基值電流Ib和脈沖峰值電流Ip的持續(xù)時(shí)間分別為tb和tp.脈沖頻率fH=1/(tb+tp)，脈沖占空比δ=tp/(tb+tp).

圖1 復(fù)合超高頻脈沖變極性電流波形

試驗(yàn)研究2219-T87鋁合金HPVP-GTAW焊縫成形參數(shù)，旨在分析脈沖電流參數(shù)對(duì)2219-T87焊縫成形參數(shù)的影響.研究表明，在一定范圍內(nèi)增加脈沖電流幅值，提高脈沖頻率，可增強(qiáng)焊縫組織細(xì)化作用，提高接頭力學(xué)性能[5].為此設(shè)計(jì)了表1所示的工藝參數(shù)，參數(shù)包括:脈沖電流頻率、峰值電流與基值電流的比值及脈沖占空比:

1)脈沖頻率fH:0～80 kHz選5個(gè)水平，并與常規(guī)VP-GTAW工藝對(duì)比，如表1中1～6號(hào)試驗(yàn);

2)脈沖峰值電流與基值電流的比值Ip/Ib:試驗(yàn)在增加脈沖電流幅值的同時(shí)，減小與之匹配的基值電流，以脈沖峰值電流與基值電流的比值為對(duì)象，在不同脈沖頻率條件下改變Ip/Ib，對(duì)應(yīng)表1中7～14號(hào)試驗(yàn);在不同占空比條件下改變Ip/Ib值試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)表1中11～23號(hào)試驗(yàn).

表1 試驗(yàn)主要焊接電流參數(shù)

為盡量減小熱輸入差異對(duì)焊縫成形的影響，保證負(fù)極性電流均為160 A，正極性平均電流Iavg在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)(Iavg=95A±5A)，其計(jì)算公式如式(1):

其他參數(shù)分別為:變極性頻率100 Hz，正負(fù)極性導(dǎo)通比4∶1，焊接速度180 mm/min，送絲速度200 mm/min，保護(hù)氣流量15 L/min，弧長 3 mm，鎢極WC20的直徑為φ2.4 mm.

圖2為焊縫的熔深及熔寬測量方法示意圖.垂直于焊縫方向切割制備金相試樣，采用Keller試劑(HNO3:2.5 mL;HCl:1.5 mL;HF:l mL;H2O:95 mL)侵蝕試樣，使用OLYMPUS BX51M型金相顯微鏡觀察焊縫，測量焊縫的熔深H和熔寬B，進(jìn)而計(jì)算焊縫深寬比R(R=H/B×100%)，即研究脈沖電流對(duì)2219-T87高強(qiáng)鋁合金焊縫的H，B，R 3個(gè)成形參數(shù)的影響.

圖2 焊縫熔深、熔寬測量示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 脈沖頻率對(duì)焊縫成形的影響

焊縫熔深、熔寬及深寬比隨fH的變化趨勢如圖3所示，圖4為部分焊縫橫截面金相圖.由圖3a可知，隨著脈沖頻率的增加，焊縫的熔深、熔寬變化趨勢基本一致.隨著fH從0～60 kHz變化，熔深及熔寬均呈平緩的上升趨勢;當(dāng)fH=60kHz時(shí)，熔深和熔寬均達(dá)到最大值Hmax=2.4 mm，Bmax=7.39 mm，其中熔深漲幅相比更大，最大熔深是常規(guī)VP-GTAW焊縫的2倍以上(圖4);脈沖頻率繼續(xù)增加到80 kHz，熔深、熔寬有所下降.

圖3b可明顯看出，未加入脈沖電流的1號(hào)試樣焊縫深寬比R僅為20.2%;采用脈沖電流焊接，2～6號(hào)試樣焊縫的深寬比均有顯著提高.焊縫深寬比隨fH的變化趨勢與熔深保持一致.隨著fH從0增加到60 kHz，R由20.2%平緩增大到最大值32.5%，增長幅度超過60%;繼續(xù)提高fH至80 kHz，深寬比下降到較小值24.7%，與常規(guī)VPGTAW焊縫相比，仍提高了22%.

圖3 脈沖電流頻率對(duì)焊縫成形的影響

圖4 部分焊縫橫截面金相圖

2.2 Ip/Ib對(duì)焊縫成形的影響

圖5a、圖5b分別為fH=40kHz，60 kHz條件下焊縫熔深、深寬比隨Ip/Ib值變化的趨勢圖.由圖5a可知，隨著Ip/Ib的提高，兩脈沖頻率條件下焊縫熔深整體上均呈增長趨勢:fH=60 kHz時(shí)，焊縫熔深由1.24 mm(Ip/Ib=1.24)近似線性增大到最大值2.4 mm(Ip/Ib=2.17)，之后回落到2.06mm(Ip/Ib=3.22);當(dāng)fH=40kHz時(shí)，隨著Ip/Ib從1.24提高到3.22，焊縫熔深由最小值1.32mm(Ip/Ib=1.53)波動(dòng)增大到最大值1.99mm.

圖5b深寬比的變化曲線同樣顯示，隨著Ip/Ib的提高，兩脈沖頻率下焊縫深寬比整體提高.當(dāng)fH=60 kHz，Ip/Ib≤1.92 時(shí)，焊縫深寬比變化范圍較小;當(dāng) Ip/Ib從 1.92增大到 2.17，深寬比出現(xiàn)大幅提高，并達(dá)到最大值32.5%;繼續(xù)提高Ip/Ib，深寬比基本保持不變，最大深寬比比Ip/Ib=1.24對(duì)應(yīng)的焊縫提高40%.而fH=40 kHz時(shí)焊縫深寬比隨Ip/Ib的變化關(guān)系與fH=60 kHz時(shí)類似，當(dāng)Ip/Ib在1.53～1.92變化時(shí)，深寬比出現(xiàn)一定幅度的提高，Ip/Ib=2.17對(duì)應(yīng)的最大深寬比29.7%比Ip/Ib=1.24時(shí)僅提高不足20%.

在相同的占空比和平均電流條件下，欲提高Ip/Ib的比值，則需要增加脈沖幅值電流，同時(shí)減小基值電流，此時(shí)在正極性電流持續(xù)期間疊加的超高頻脈沖電流顯著增加.圖5所示提高Ip/Ib值，焊縫熔深和深寬比均呈現(xiàn)增長趨勢，表征在正極性電流持續(xù)期間增大脈沖電流，減小基值電流，將有利于提高焊縫深寬比.

在δ=20%，50%，80%條件下，隨著Ip/Ib的增大，焊縫深寬比的變化關(guān)系如圖6所示，部分焊縫橫截面的金相圖如圖7所示.從整體變化趨勢可知，各占空比水平下焊縫的深寬比均隨Ip/Ib的增大而出現(xiàn)不同程度的提高.

圖5 不同脈沖頻率下Ip/Ib對(duì)焊縫成形的影響

圖6 不同占空比下Ip/Ib對(duì)焊縫成形的影響

圖7 不同Ip/Ib對(duì)應(yīng)的部分焊縫橫截面金相圖

此外，當(dāng)Ip/Ib處于1.2附近時(shí)，δ=80%對(duì)應(yīng)的焊縫深寬比最低，不足20%;其他兩占空比對(duì)應(yīng)的焊縫深寬比相對(duì)較高，達(dá)到25%.當(dāng)Ip/Ib＞1.6，δ=20%對(duì)應(yīng)焊縫的深寬比顯著增加，與Ip/Ib=1.24時(shí)相比至少提高了67%;而δ為50%和80%下獲得的焊縫，盡管深寬比略有增大，但是相對(duì)δ=20%的焊縫增加較小，最大僅提高30%左右.顯然，δ=20%獲得的焊縫深寬比水平遠(yuǎn)高于其他兩占空比對(duì)應(yīng)的焊縫，δ=50%次之，δ=80%最小.圖6中3條箭頭的指向表明，減小占空比，提高脈沖電流比例，可以有效改提高焊縫熔透性，獲得更大的焊縫深寬比.

2.3 分析與討論

焊接電弧作用于工件表面的電弧力包括電磁力、等離子流力和斑點(diǎn)壓力等，電磁力和等離子流力是電弧力的主要組成部分，且等離子流力占據(jù)80%以上，等離子流力對(duì)工件表面的作用更為顯著[6－7].電磁力的徑向分量(垂直于電弧軸向)主要造成電弧形態(tài)的變化，壓縮電弧至穩(wěn)定狀態(tài);電磁力的軸向分量與等離子流力的軸向分量共同作用于熔池表面，造成熔池中心的沉降，引起焊縫熔深的變化，其中等離子流力的軸向分量作用效應(yīng)相比更強(qiáng).

HPVP-GTAW焊接過程中，正極性電流持續(xù)期間疊加高頻脈沖電流后，當(dāng)電流由基值向峰值狀態(tài)躍變時(shí)，由于電弧等離子體尺寸是漸變的，脈沖電流沿的快速變化(di/dt≥50 A/μs)將引起電弧電流密度的急劇增加，導(dǎo)致電弧的電磁收縮力增強(qiáng);另外，變化的電場產(chǎn)生磁場，電流躍變時(shí)會(huì)產(chǎn)生自磁壓縮附加壓力[8].兩者共同作用使HPVP-GTAW電弧的電磁力與常規(guī)電弧相比出現(xiàn)顯著提高[9].此外，在一定范圍內(nèi)提高脈沖頻率，將增大電弧自磁壓縮附加壓力;增加脈沖峰值電流與基值電流的比值，電流躍變時(shí)電流密度的增加幅度越大，將導(dǎo)致電弧電磁力增強(qiáng)越顯著.

由上述分析可知，HPVP-GTAW電弧的電磁力顯著提高，電磁力的徑向分量相應(yīng)提高，導(dǎo)致電弧收縮效應(yīng)加劇，電弧在工件表面的作用面積減小;同時(shí)，隨著電弧收縮效應(yīng)增強(qiáng)，等離子流力的軸向分量得到提高，造成熔池中心沉降深度增加，熱源下移，焊縫熔深相應(yīng)提高.綜上分析，高頻脈沖電流的加入，使電弧力顯著提高，電弧沿徑向壓縮加劇[10]，使電弧能量密度及挺度提高，穿透性增強(qiáng)，引起焊縫熔深和深寬比的顯著增加;合理地調(diào)節(jié)脈沖電流參數(shù)，可有效改善焊縫熔透性，這與2.1節(jié)和2.2節(jié)所得到的試驗(yàn)結(jié)果是吻合的.

3 結(jié)論

1)與常規(guī)VP-GTAW工藝相比，采用HPVPGTAW工藝焊接2219-T87高強(qiáng)鋁合金，有利于提高焊縫熔深及深寬比;

2)保證正極性期間平均電流基本不變，焊縫熔深、深寬比隨著脈沖電流頻率的增加整體提高，當(dāng)脈沖頻率達(dá)到60 kHz時(shí)，深寬比與常規(guī)VPGTAW工藝相比增加了60%;

3)增大脈沖峰值電流與基值電流的比值，有利于提高焊縫深寬比;占空比20%條件下深寬比隨比值的提高增幅最明顯，至少提高了67%.

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