雙絲三電弧鋁合金熔絲成形性*

劉 丹

(1. 沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 遼寧機電職業(yè)技術學院 材料工程系， 遼寧 丹東 118000)

隨著世界制造業(yè)的快速發(fā)展，作為制造業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)的焊接技術已進入高速發(fā)展階段，新的焊接工藝方法不斷涌現(xiàn)，水平不斷提高，專業(yè)焊接設備日新月異，對現(xiàn)有焊接技術的改型與復合是現(xiàn)代焊接行業(yè)發(fā)展的主要方向之一.輕質(zhì)合金在航空工業(yè)中的應用越發(fā)廣泛，對鋁合金的焊接質(zhì)量要求也趨于自動化、高效化、清潔化和精密化.然而，焊接熱輸入直接影響鋁合金的焊接質(zhì)量，接頭極易出現(xiàn)軟化和變形，因此，降低焊接接頭的熱輸入有利于提高鋁合金的熔絲質(zhì)量[1].傳統(tǒng)鋁合金電弧熔絲工藝中熔絲電流直接流入工件[2].本文針對一種全新的電弧熔絲制造方法——雙絲三電弧方法，通過單獨調(diào)節(jié)流入工件的電流比例，以獲得最大化的熔絲效率和最小化的輸入工件電流，并探討了雙絲三電弧對鋁合金電弧熔絲制造的適應性.

1 實驗原理與設備

1.1 實驗原理

圖1為雙絲三電弧熔絲原理示意圖.圖1中W1、W2為兩個熔絲，流經(jīng)兩熔絲的峰值電流分別為IW1、IW2；PPS1、PPS2為直流脈沖恒定電壓電源，且分別控制主路電弧A1、A2，兩個電弧交替燃燒和熄滅，其電流波形相同，但相位相差180°；VPPS為變極性恒定電流電源，可控制流經(jīng)第三電弧A3的電流IA3.

當電流由W1流向工件時，A1電弧工作，A2斷弧，此時IW1分別流經(jīng)電弧A1和A3，通過調(diào)節(jié)A3電流IA3的大小來控制流經(jīng)工件的電流IA1；當電流反向即由W2流向工件時，A2電弧工作，A1斷弧，此時IA3反向，同樣可以通過調(diào)節(jié)IA3來控制流經(jīng)工件的電流IA2.由于第三電弧A3的存在，流經(jīng)工件的電流小于用于熔化焊絲的電流，即IA1

圖1 雙絲三電弧熔絲原理示意圖Fig.1 Schematic principle diagram of fusing wires with tri-arc double wires

(1)

IA2=IW2-IA3

(2)

I4=IA1=IA2

(3)

1.2 實驗設備

實驗所用設備為深圳瑞凌公司生產(chǎn)的Tri-arc DW焊接系統(tǒng)，母材選用厚度為5 mm的A5356鋁合金板，選用直徑為1.6 mm的ER5356鋁合金熔絲，保護氣體選用純氬氣.實驗中兩個熔絲縱向排列，兩焊絲各自獨立送氣，且參數(shù)設置相同，具體數(shù)值如表1所示.

表1 參數(shù)設置Tab.1 Setting of parameters

2 結果與分析

2.1 熔絲成形性的影響因素

2.1.1 送絲速度對熔敷率和成形系數(shù)的影響

雙絲三電弧峰值電流是通過調(diào)節(jié)送絲速度Vm進行控制的.不同送絲速度對應的峰值電流如圖2所示.由圖2可見，送絲速度與峰值電流大體呈現(xiàn)簡單的線性關系.因此，通過增加送絲速度可以提高峰值電流.

表2為雙絲三電弧鋁合金熔絲峰值電流對應的熔敷率和成形系數(shù).圖3為雙絲三電弧鋁合金熔絲送絲速度與熔敷率和成形系數(shù)的關系曲線.結合表2和圖3可知，熔絲熔敷率隨峰值電流的變大而變大，且二者基本呈線性關系.熔絲成形系數(shù)隨峰值電流的變大卻呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢.當峰值電流處于216～236 A時，成形系數(shù)較小.此外，當送絲速度大于7 m/min時，電弧發(fā)生斷弧、爆絲，熔絲過程不穩(wěn)定.

圖2 不同送絲速度對應的峰值電流Fig.2 Peak current responding to different feeding speed

表2 雙絲三電弧熔絲的峰值電流、熔敷率和成形系數(shù)Tab.2 Peak current，deposition rate and forming coefficientof fusing wires with tri-arc double wires

圖3 雙絲三電弧熔絲的送絲速度、熔敷率和成形系數(shù)曲線Fig.3 Curves of feeding speed，deposition rate and formingcoefficient of fusing wires with tri-arc double wires

2.1.2 A3弧電流對應力和變形的影響

熔絲的應力與變形是產(chǎn)生裂紋的最主要原因，變形的產(chǎn)生主要歸因于局部加熱引起的應力分布不均[3-5]，應力來源主要為由熱應力和熱影響區(qū)的晶粒比體積變化帶來的相變應力，且應力隨著熱輸入的增加而增加.影響應力變化的主要參數(shù)為工件的熱輸入電流I4，隨著I4的增加，應力與變形也相應增加，而通過調(diào)節(jié)IA3值大小可以改變I4，因此，IA3直接影響了應力和變形的產(chǎn)生.峰值電流全部用來熔化熔絲，但并非全部經(jīng)過工件，因而理論上IA3的存在會減小應力的產(chǎn)生.

IA3值對熔絲形貌影響最大的是熔深的變化.不同A3弧電流下熱影響區(qū)橫截面大小明顯不同，IA3越小，工件熱影響區(qū)面積越大(見圖4)，因而適當增大IA3可以降低熱影響區(qū)面積.熱影響區(qū)越小越有助于晶粒細化，同時晶粒比體積和熱應力的變化也會隨之降低，從而可在最大程度上減少應力與變形的發(fā)生[6].

圖5為不同A3弧電流下的對接熔絲橫截面.由圖5可見，當IA3為零時，工件變形明顯.當IA3為35 A時，工件變形得到改善，這是因為IA3的增加會減少流入工件的電流，同時熱應力與熱影響區(qū)面積也相應減少，從而降低了塑性變形的發(fā)生，提高了加工質(zhì)量.

圖4 不同A3弧電流下的熔絲堆焊截面Fig.4 Surfacing sections of fusing wires under different A3 current

圖5 不同A3弧電流下的對接熔絲橫截面Fig.5 Cross sections of butt weld under different A3 current

另外，IA3還會影響電弧燃燒狀態(tài).電弧是否能夠穩(wěn)定燃燒對熔絲質(zhì)量具有直接影響，且對應力、應變也存在一定影響.峰值電流受送絲速度控制.當鋁合金的峰值電流處于216～236 A之間時，工件才能正常工作，超出這個范圍則將出現(xiàn)熔絲爆斷等問題.

2.2 氧化膜陰極清理的影響因素

陰極清理是指在鋁合金電弧熔絲過程中，陰極斑點自動尋找氧化膜并將其去除的作用[7].陰極清理直接影響鋁合金熔絲質(zhì)量的好壞，在工件連接負極時，氧化膜為電子的發(fā)射源.雙絲三電弧采用直流反極性接法，工件連接負極，雖然兩個電弧的電流交替變換而且方向相反，但在高頻變換下流經(jīng)工件的電流相當于直流電流，理論上陰極清理作用成立.

2.2.1 送絲速度的影響

不同送絲速度下的陰極清理效果如圖6所示.由圖6可見，當送絲速度Vm增加時，陰極清理區(qū)寬度變大，氧化膜清理效果明顯.增大送絲速度等同于增加峰值電流，當IA3一定時，流經(jīng)工件的電流I4隨之增加，使得陰極斑點數(shù)量增多，因而加大了陰極清理區(qū)寬度[8].但陰極清理區(qū)寬度并非隨Vm的增加呈線性增加，這主要是因為Vm的升高提高了熔絲的熔化數(shù)量，導致熔寬迅速增加，隨著Vm的增加，熔寬的增加速度大于陰極清理區(qū)寬度的增加速度，即熔寬會超過陰極清理區(qū)寬度，使得陰極破碎區(qū)域無法覆蓋整個熔寬，因而相應的陰極清理效果隨之減弱.

圖6 不同送絲速度下的陰極清理效果Fig.6 Cathode cleaning effect under different feeding speeds

2.2.2 A3弧電流的影響

陰極清理區(qū)寬度能夠反映出清理效果的好壞.圖7為不同IA3下的陰極清理效果.由圖7可以看出，IA3越小，陰極清理區(qū)寬度越大，陰極清理效果也越好.當增大IA3時，雖然峰值電流未發(fā)生變化，卻可使流經(jīng)工件的電流I3減少，而陰極斑點的數(shù)量與I4值成正比[9]，I4減小可使陰極斑點數(shù)量減少.陰極斑點的清理過程是從內(nèi)部向外部進行的，陰極斑點數(shù)量的減少會影響清理范圍，可見，IA3值的增加可對陰極清理效果起到反面作用.

圖7 不同A3弧電流下的陰極清理效果Fig.7 Cathode cleaning effect under different A3 current

2.2.3 電極端部至工件表面距離的影響

影響陰極清理效果的因素還包括電極端部到工件表面的距離h.普通碳鋼的h設置在20 mm左右，h的設置既要保證鋁合金的熔絲質(zhì)量，還要保證鋁合金工件表面的陰極清理效果.圖8為不同h值下的陰極清理效果.當h為20 mm時，氧化膜覆蓋焊縫表面，表明陰極斑點尚未形成，因而尚未產(chǎn)生陰極清理效果；當h為18 mm時，陰極清理區(qū)主要為焊縫中心區(qū)域，且并未覆蓋所有焊縫，因此，焊縫邊緣存在氧化物殘留；當h為14 mm時，陰極清理效果顯著，陰極清理區(qū)已經(jīng)覆蓋整個焊縫，但仍有少量氧化顆粒存在；當h不高于12 mm時，陰極清理更為集中，且不存在氧化顆粒殘留.雖然h越小，陰極清理效果越好，但當h小于8 mm時，由于導電嘴離工件太近，電弧燃燒時被壓得很扁，再加上A3弧對主路電弧產(chǎn)生拖拽作用，熔絲過程中會出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，從而導致堵絲現(xiàn)象嚴重，因此，進行鋁合金熔絲時，h應設置在9～14 mm之間.

圖8 不同h值下的陰極清理效果Fig.8 Cathode cleaning effect under different h values

2.2.4 Ar純度的影響

圖9為Ar純度對陰極清理效果的影響.由圖9可見，采用精Ar(純度不低于99.999%)保護的陰極清理寬度和效果明顯好于采用普通純Ar(純度不低于99.99%)保護的情況.采用普通純Ar保護的焊縫表面仍存在極少的氧化顆粒未去除，而使用精Ar保護的焊縫表面陰極清理效果比較徹底，陰極清理區(qū)寬度也更寬，焊縫表面也更加干凈光亮.純Ar保護時陰極斑點的清理效率比精Ar保護時的效率低，這是因為當精Ar保護下陰極斑點已經(jīng)清理干凈時，純Ar保護時依然具有殘余氧化物存在，使得陰極斑點需要繼續(xù)清理焊縫內(nèi)部氧化物，而不會向外擴展尋找氧化物.采用精Ar保護焊接時，由于陰極清理效率較高，焊縫內(nèi)部氧化物較少，陰極斑點會繼續(xù)向外部尋找氧化物，因而在精Ar保護下進行焊接時的陰極清理區(qū)寬度要大于普通純Ar保護的情況.

圖9 不同Ar純度下的陰極清理效果Fig.9 Cathode cleaning effect under different Ar purity

2.3 力學性能

2.3.1 焊接接頭的拉伸性能

表3為不同A3弧電流下焊接接頭的抗拉強度與伸長率.為了更加直觀地表征不同IA3下焊接接頭的抗拉強度與伸長率的變化情況，可將表3中的平均值數(shù)據(jù)繪制為曲線，結果如圖10所示.結合表3和圖10可見，當升高IA3值時，焊接接頭的抗拉強度與伸長率呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，這是因為當增大IA3時，工件熱輸入相應減少，使得過熱區(qū)的晶粒粗大程度減少.但隨著IA3的進一步升高，電弧穩(wěn)定性受到影響，導致焊接接頭部分出現(xiàn)嚴重偏析、晶粒粗大與軟化現(xiàn)象，因而焊接接頭的抗拉強度與伸長率降低.當送絲速度為6 m/min、IA3為35 A時，熔絲電弧最穩(wěn)定，熔絲質(zhì)量最佳，與未添加A3弧電流的情況相比，焊接接頭的平均抗拉強度增加了19 MPa，平均伸長率增加了2.89%.

表3 不同A3弧電流下焊接接頭的抗拉強度與伸長率Tab.3 Tensile strength and elongation of welding joints under different A3 current

圖10 不同A3電流下焊接接頭的抗拉強度與伸長率曲線Fig.10 Curves of tensile strength and elongation of welding joints with different A3 current

2.3.2 焊接接頭的顯微硬度

圖11為不同A3弧電流下焊接接頭的顯微硬度分布.由圖11可見，整體上焊接接頭硬度分布呈現(xiàn)上升、下降、再上升至平緩的變化趨勢.在最大熔深處，當IA3為零時，硬度值總體上較低，這主要是因為低熔點元素Mg在高熱量輸入下被燒損，導致固溶強化相數(shù)量減少，因而強化作用減弱.當距焊縫中心距離為4 mm時，焊接接頭硬度出現(xiàn)第一個峰值.當距焊縫中心距離為7 mm時，焊接接頭硬度降為最小，這是由于在焊接熱循環(huán)作用下，熔合區(qū)發(fā)生偏析而過熱區(qū)發(fā)生過熱軟化的緣故.

圖11 不同A3弧電流下的維氏硬度曲線Fig.11 Curves of Vickers hardness under different A3 current

另外，隨著IA3的增大，熱影響區(qū)硬度增大，工件熱輸入越少，焊接接頭軟化現(xiàn)象降低[10].但IA3值不宜過大，雖然增加IA3可以減小焊接接頭的軟化趨勢，但保證焊接過程的穩(wěn)定性避免其他焊接缺陷更為重要，硬度測試結果表明，最佳IA3值為35 A.

3 結 論

通過改變工藝參數(shù)對焊縫形貌進行分析，找出影響雙絲三電弧鋁合金熔絲成形性的主要因素，并得出以下結論：

1) 當峰值電流處于216～236 A時，成形系數(shù)較小，當送絲速度大于7 m/min時，電弧會發(fā)生斷弧、爆絲，熔絲過程不穩(wěn)定.

2) A3弧電流值的增加可以降低工件的熱輸入，減小熱影響區(qū)面積，從而改善工件變形.

3) A3弧電流值的增加會使陰極清理效果減弱；當電極端部至工件表面距離在9～14 mm之間時，清理效果最佳；采用精Ar保護的焊縫表面陰極清理效果好于普通純Ar保護的情況.

4) 當送絲速度為6 m/min、A3弧電流為35 A時，熔絲電弧最穩(wěn)定，熔絲質(zhì)量最佳，與未添加A3弧電流的情況相比，焊接接頭的平均抗拉強度增加了19 MPa，平均伸長率增加了2.89%.