鋁合金脈沖電弧焊接技術(shù)進展*

從保強，蘇 勇，齊鉑金，祁澤武，王 強，楊明軒

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院， 北京100191）

由于節(jié)能及某些特殊應用的需要，要求構(gòu)件產(chǎn)品盡可能輕量化，使得以鋁合金為代表的輕金屬材料在航空飛機、發(fā)動機和航天器的研制生產(chǎn)中得到了廣泛應用，同時由于焊接結(jié)構(gòu)輕、加工效率高等優(yōu)點，焊接技術(shù)也已成為鋁合金構(gòu)件產(chǎn)品制造的主導工藝方法之一，但在鋁合金實際焊接制造過程中，傳統(tǒng)焊接加工已經(jīng)成為制造中的薄弱環(huán)節(jié)，存在的諸多工藝關(guān)鍵和難點（如接頭軟化、氣孔缺陷、裂紋等）導致構(gòu)件使用性能和可靠性等方面顯著降低。隨著航空航天鋁合金產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜化，對焊接頭的性能、可靠性及其使用壽命等要求越來越高，迫切需要研發(fā)新的焊接方法，如何實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的鋁合金焊接加工已成為亟需解決的關(guān)鍵問題之一[1-2]。盡管固態(tài)焊、高能束流及其復合焊等新的焊接方法取得了較大進步，但鎢極氬弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）、熔化極惰性氣體保護焊（Metal Inert-gas Welding，MIG）等傳統(tǒng)電弧焊接工藝因其成本低、操作簡便、適應性強等特點仍被廣泛應用。同時，在傳統(tǒng)GTAW或GMAW電弧焊接過程中加入脈沖電流的調(diào)制作用，已被證明具有良好的焊接工藝性能，對焊接過程的穩(wěn)定性、焊縫成形及接頭組織性能等均表現(xiàn)出明顯的改善效果[3-5]，因而針對鋁合金材料高效、高質(zhì)量脈沖電弧焊接技術(shù)的研究已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外諸多學者的研究熱點之一。

鋁合金高頻脈沖GTAW焊接技術(shù)

變極性GTAW（Variable Polarity GTAW，VP-GTAW）是一種比較理想的用于鋁合金材料的焊接方法，通過適當調(diào)控正負極性電流大小及其持續(xù)時間，在有效減少鎢極燒損的同時獲得滿意的陰極清理寬度，焊縫成形良好[6-10]。采用常規(guī)VP-GTAW工藝進行高強度鋁合金焊接時，盡管可降低焊縫氣孔、裂紋等缺陷，但仍存在接頭嚴重軟化、產(chǎn)品一次合格率低等問題。為控制金屬凝固組織和提高金屬材料性能，施加脈沖電流成為金屬材料制備過程中的重要技術(shù)[11-12]。為此，有關(guān)學者提出并開展將高頻脈沖電流引入鋁合金VPGTAW焊接過程的研究，已取得了很好的成果。

圖1 超音頻方波脈沖變極性氬弧焊電源電路拓撲及電流波形圖Fig.1 Schematic diagram of HPVP-GTAW power topology and its current waveforms

圖2 HPVP-GTAW焊接電源系統(tǒng)Fig.2 HPVP-GTAW power supply

圖3 2219-T87焊縫中心區(qū)微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure for 2219-T87 welds in the central region

北京航空航天大學齊鉑金教授研究團隊提出并深入開展了超音頻方波脈沖變極性氬弧焊接（Hybrid Pulsed VP-GTAW， HPVP-GTAW）新方法的研究，發(fā)明了高頻脈沖切換電路、恒流源電路串并聯(lián)復合主電路拓撲，實現(xiàn)了超音頻方波大功率脈沖電流的快速變化與精確控制，脈沖電流變化率dI/dt≥50A/μs；發(fā)明了一種新型的變極性全橋逆變電路及其驅(qū)動控制技術(shù)，實現(xiàn)了變極性電流快速極性變換，可顯著提高變極性電弧的穩(wěn)定性。超音頻方波脈沖變極性氬弧焊接電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)及其輸出的實際焊接電流波形如圖1中所示。

基于研究開發(fā)出的新型超音頻方波脈沖變極性焊接電源系統(tǒng)見圖2，齊鉑金教授研究團隊對HPVPGTAW焊接不同系列鋁合金材料（鋁銅系2219、2A14；鋁鎂系5A06等）的工藝適用性及使用性能進行了較為全面而深入的研究[13-20]。研究結(jié)果表明，超音頻方波脈沖變極性氬弧焊是一種全新的優(yōu)質(zhì)高效焊接方法，與常規(guī)傳統(tǒng)VP-GTAW相比，HPVPGTAW有效降低了鋁合金焊縫的氣孔敏感性，焊縫晶粒組織明顯細化（圖3），焊接接頭抗拉強度、延伸率等性能顯著提高（表1），可滿足航空航天關(guān)鍵鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接加工需求。同時，通過對鋁合金焊縫成形行為、微觀組織特征、接頭拉伸力學性能及其斷口特征的詳細研究和對比分析，確定了影響鋁合金HPVPGTAW電弧焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)，提高脈沖方波電流頻率，降低脈沖占空比，增加脈沖電流幅值，有利于增強電弧的收縮效應，提高電弧挺度，增強焊接過程的穩(wěn)定性，可保證獲得滿意的焊接質(zhì)量，圖4所示為采用HPVP-GTAW工藝焊接加工的某型號鋁合金（5A06+3A21）滑油箱構(gòu)件。

哈爾濱工業(yè)大學的邱靈等[21]采用雙電源并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計了一套復合電流輸出特性的焊接電源，并針對高頻脈沖電流（脈沖電流頻率最高20kHz）對變極性焊接電弧特性、焊接工藝及焊縫性能的影響進行了研究，結(jié)果表明，高頻脈沖電流能夠較大幅度地提高變極性焊接的電弧力和電弧挺度，增大焊接過程中的焊縫熔深，減小焊縫余高，脈沖頻率為10kHz的焊接電流能夠最大限度地提高焊縫的抗拉強度和斷后伸長率。北京工業(yè)大學的李顯等[22]采用常規(guī)脈沖GTAW焊機與高頻電源組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)建立高頻耦合脈沖GTAW焊接系統(tǒng)，對2219鋁合金進行高頻耦合脈沖GTAW焊接工藝試驗研究，通過在變極性基礎(chǔ)上疊加高頻能量產(chǎn)生電磁攪拌作用，具有促進結(jié)晶與晶粒細化、加速熔池內(nèi)氣體逸出、減少鋁合金焊接接頭冶金缺陷等工藝效果。

上述研究成果表明，高頻方波脈沖變極性氬弧焊接技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)高效電弧焊接方法，高頻脈沖方波電流的加入對提高電弧挺度和穩(wěn)定性、改善焊縫成形、細化組織晶粒和提高焊接接頭性能等方面有顯著效果，在我國航空、航天及國防工業(yè)關(guān)鍵鋁合金產(chǎn)品的焊接加工領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芎玫耐茝V應用前景。

表1 2219、2A14和5A06焊接接頭力學性能（焊態(tài)條件下）

圖4 某型號鋁合金滑油箱HPVP-GTAW焊接構(gòu)件Fig.4 Lubricant tank samples produced by HPVP-GTAW process

鋁合金脈沖GMAW焊接技術(shù)

脈沖GMAW（Pulsed GMAW，P-GMAW）是近些年快速發(fā)展的一種較先進的工藝方法，其焊接電流和熔滴過渡均具有較好的脈動可控性，能有效改善熔池冶金性能，進而提高鋁合金材料的焊接質(zhì)量[23-24]。在P-GMAW焊接過程中，如何實現(xiàn)對其熔滴過渡的精確控制是獲得滿意焊接質(zhì)量的關(guān)鍵和難點，國內(nèi)外學者對此開展深入研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)P-GMAW周期性變化的脈沖電流實現(xiàn)對熔滴過渡過程的有效控制[25-31]，且焊接電流波形的模式（矩形波、梯形波、弦波等）及其特征參數(shù)（電流幅值及其持續(xù)時間、電流沿速率等）對焊接過程熱作用以及熔滴過渡過程等方面都將產(chǎn)生顯著影響，優(yōu)化脈沖波形的控制是獲得滿意鋁合金P-GMAW焊接質(zhì)量的關(guān)鍵[32-36]。盡管P-GMAW技術(shù)具有相對較好的焊接適用性（過程穩(wěn)定、效率高等），但仍存在焊縫組織較粗大、氣孔缺陷較嚴重等不足，尤其是用于鋁合金薄板焊接時存在熱輸入高、易焊透、變形嚴重等一系列問題。

為減小P-GMAW的熱量輸入并進一步提高焊絲的熔敷效率，有學者采用交流P-GMAW技術(shù)（AC-PGMAW或VP-P-GMAW）進行鋁合金焊接[37-38]，對其電弧行為、熔滴過渡及過程穩(wěn)定性等方面開展研究發(fā)現(xiàn)，通過合理控制交流電流波形以及電流極性變換時的過零速率，可實現(xiàn)AC（VP）-P-GMAW焊接過程的穩(wěn)定工作，該工藝在有效降低熱量輸入的同時提高了焊絲熔敷效率，有效控制鋁合金薄板焊接中存在的易燒穿問題，在薄板變間隙搭接中提高搭接能力，適用于薄板鋁合金材料的焊接加工[39-44]。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，美、德、日等發(fā)達國家相繼開發(fā)出了基于精確電流波形控制（如Lincoln STT、Miller RMD、EWM ColdArc、Merkle ColdMIG、Migatronic IAC、OTC Daihen AC-MIG等）或?qū)⑺徒z機械運動與熔滴過渡過程相結(jié)合（如Fronius CMT等）的適于鋁合金的GMAW改型工藝，獲得了較好的焊接效果，但由于其通過電流波形控制顯著降低了焊接熱量輸入，使得焊縫熔深較淺，一般只適用于薄板鋁合金的焊接加工[45-46]。

為進一步提高鋁合金GMAW的焊接質(zhì)量，一些學者[47-53]在P-GMAW 過程中、Kumar等[54]在VP-P-GMAW過程中采用高頻脈沖低頻調(diào)制的雙脈沖波形控制模式（頻率范圍為幾至幾百Hz），在高頻的基礎(chǔ)上，對高頻電流波形進行低頻調(diào)制，使單位脈沖的強度在強和弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強弱脈沖群，如圖5所示。其中：Ips、tps、Ipw、tpw分別為強脈沖的峰值電流、峰值時間、基值電流和基值時間，Ibs、tbs、Ibw、tbw分別為弱脈沖的峰值電流、峰值時間、基值電流和基值時間，ts為強脈沖群時間，tw為弱脈沖群時間。研究結(jié)果表明，采用該工藝，強、弱脈沖的周期性轉(zhuǎn)換引起熔池尺寸及受力的周期性變化，有利于魚鱗狀焊縫的形成，且焊縫外形美觀；通過控制弱脈沖在整個周期中的比例可有效控制熔寬；雙脈沖GMAW焊接對熔池的攪拌作用使得焊縫組織晶粒細密，氣孔缺陷明顯減少，接頭力學性能提高。

魏仲華[55]等提出了采用正弦波調(diào)制P-GMAW的電流波形控制方法，通過優(yōu)化控制正弦波形參數(shù)實現(xiàn)了對焊接熱量輸入、焊縫成形等的有效控制。Fronius公司開發(fā)的變極性脈沖CMT工藝，在變極性CMT電流基礎(chǔ)上加入上百Hz的脈沖電流，實現(xiàn)在提高焊絲熔敷效率的同時，顯著減少氣孔缺陷，但熔深太淺僅適于鋁合金薄板的焊接[56]。以上研究表明，對GMAW焊接電流波形進行脈沖調(diào)制會顯著影響鋁合金焊接的工作過程，在精確控制波形條件下將有利于改善和提高鋁合金的焊接質(zhì)量，但氣孔缺陷、接頭軟化等系列問題仍然存在。

圖5 雙脈沖GMAW焊接電流波形示意圖Fig.5 Schematic diagram for double pulsed GMAW current waveform

結(jié)束語

針對鋁合金輕金屬材料開展高效率高質(zhì)量電弧焊接新工藝的研究，對提升我國制造業(yè)的焊接技術(shù)水平具有重要意義。為此，基于精確波形調(diào)控技術(shù)，將kHz以上高頻脈沖方波電流引入GMAW過程，研究開發(fā)適于鋁合金材料的高頻脈沖GMAW優(yōu)質(zhì)高效焊接制造新工藝將成為今后鋁合金脈沖電弧焊技術(shù)研究開發(fā)的重要方向之一，該新工藝在我國國防、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域高強鋁合金特殊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件的制造和連接中必將具有重要的工程應用價值和推廣應用前景。

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