工藝參數(shù)對鋁鎂合金VPPA焊焊縫成形的影響

曹磊　張亮　蔣凡

摘要：為了探明變極性等離子電弧焊方法對5A06鋁合金焊縫成形的影響規(guī)律，采用單因素控制對比試驗對變極性等離子弧焊縫成形進行了測量分析，研究正負極性電流、離子氣流量、正負極電流持續(xù)時間和送絲速度4個焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律。研究結果表明，隨著焊接電流的增大，焊縫正面熔寬和余高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而背面焊縫的余高增大明顯，但背面焊縫熔寬變化不是很明顯;隨著離子氣體流量的增加，等離子電弧力增加，液態(tài)金屬流動性增加，背面焊縫余高呈明顯的增加趨勢，而焊縫正面余高則呈下降的趨勢;在負極性電流持續(xù)時間增加的情況下，焊縫正面余高和熔寬增加幅度較小，焊縫背面余高和熔寬呈減小的趨勢;隨著送絲速度的增加，焊縫余高顯著增加，熔寬也小幅度增加。研究結果可為鋁合金VPPA焊提供工藝支持。

關鍵詞：焊接工藝與設備;變極性等離子弧焊;焊縫成形;工藝參數(shù);鋁鎂合金

中圖分類號：TG4562文獻標志碼：A

CAO Lei，ZHANG Liang，JIANG Fan.Influence of welding parameters on weld forming appearance in VPPA welding of Al-Mg alloy[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2019，40（3）：265-272.Influence of welding parameters on weld forming

appearance in VPPA welding of Al-Mg alloy

CAO Lei1， ZHANG Liang1，2， JIANG Fan3

（1. Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;3.Engineering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Automotive Components， Ministry of Education，Beijing 100859， China）

Abstract：In order to reveal the influence of VPPAW on the weld appearance of 5A06 aluminum alloy， the weld appearance is measured and analyzed by single factor control comparison test. Four parameters including positive and negative current， plasma gas flow， positive and negative current duration and wire feed aped are tested and analyzed for their influence on the weld forming. The experiment results show that with the increase of welding current， the reinforcement and width of top weld increases first and then decreases， while the reinforcement of back weld increases dramatically， but the changes of back weld width are not obvious; as the plasma gas flow rate increases， the plasma arc force and the fluidity of weld metal both increase， the reinforcement of back weld increases obviously， while that of top weld decreases; in the case of increasing the duration of the negative current， the reinforcement and width of top weld increase slightly， and the reinforcement and width of back weld decrease; as the wire feed speed increases， the reinforcement of weld increases dramatically and the width of weld increases slightly. The research results may provide some welding process support for VPPA welding of aluminum alloys.

Keywords：welding process and equipment; variable polarity plasma arc welding process（VPPAW）; weld appearance; welding parameters; Al-Mg alloy

隨著工業(yè)制造的快速發(fā)展，低密度、高強度的金屬材料得到越來越多的應用，鋁及其合金由于具有高的比強度、比模量、斷裂韌度、疲勞強度和耐腐蝕穩(wěn)定性以及導電導熱性能好等優(yōu)點，已經(jīng)成為航空航天、化學工業(yè)、交通運輸、機械制造等工業(yè)重要的結構材料[1-4]。

焊接是鋁合金零部件生產(chǎn)的重要加工制造方法之一，由于鋁合金熱脹系數(shù)大、熱導性好、易氧化等特性，傳統(tǒng)熔化焊接接頭存在氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，容易造成產(chǎn)品失效。因此，提高鋁合金焊接生產(chǎn)率和焊接質量、減少焊接缺陷的高效焊接方法已成為實際生產(chǎn)的迫切需求[5-6]。

河北科技大學學報2019年第3期曹磊，等：工藝參數(shù)對鋁鎂合金VPPA焊焊縫成形的影響變極性等離子?。╲ariable polarity plasma arc，VPPA）焊是美國NASA針對鋁合金焊接氣孔傾向大的問題推出的新型焊接方法，電弧具有能量密度高、挺度大、穿透深度大等特點，在保證鋁合金陰極清理作用的基礎上可獲得熔深大、無氣孔的焊縫，被稱為“零缺陷”焊接方法[7-10]。1978年美國馬歇爾宇航中心的航天飛機外置貯箱生產(chǎn)中采用了大功率變極性等離子弧焊系統(tǒng)[11]。VPPA焊作為一種極具發(fā)展前景的焊接鋁合金方法，國內外學者進行了大量研究，北京工業(yè)大學呂耀輝等[12]和韓永全等[13]在2003年研制出中國第一臺實用化的VPPA焊接電源，并成功應用于鋁合金焊接。韓永全等[14-15]從鋁合金變極性等離子焊接電弧物理特性出發(fā)，研究了鋁合金變極性等離子焊接電弧產(chǎn)熱機理，分析了焊接參數(shù)對電弧熱的影響規(guī)律。 SHINODA等[16]使用大電流等離子弧焊接設備，對10 mm厚A5052鋁合金進行立焊工藝研究。

圖1變極性等離子弧焊電流波形圖

Fig.1Current waveform of VPPAW變極性等離子弧焊采用不對稱方波交流等離子電弧，如圖1所示，負極性狀態(tài)下的電弧具有陰極清理作用，清理鋁合金表面氧化膜，但鎢極受熱量大，燒損嚴重，采用大的負極性電流、短的負極性持續(xù)時間有利于減小鎢極燒損。鋁合金焊接采用立向上的焊接工藝，電弧在工件上形成匙孔，熔池熱量熔化焊絲形成焊縫。在鋁合金焊接工藝中，VPPA焊電弧可調參數(shù)眾多，參數(shù)對焊接電弧和焊接質量產(chǎn)生重要影響[17-18]。本文試驗研究分析焊接電流、離子氣流量、正負極電流持續(xù)時間和送絲速度4個工藝參數(shù)變化對焊縫成形的影響規(guī)律，實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的控制。

1試驗方法

1.1試驗設備及材料

試驗采用北京工業(yè)大學VPPA-300變極性等離子弧焊接系統(tǒng)，焊槍采用飛馬特Thermacut PWM-300型等離子焊槍，焊接方式為立向上焊（焊槍向上移動），如圖2所示。材料選擇尺寸為50×400×3.5 mm的5A06鋁鎂合金平板，焊縫形式為對接，其主要化學成分（GB/T 3190—1996）如表1所示。為了保證焊縫成形，選用直徑1.6 mm的ER5183焊絲，焊絲在熔池上方恒速送進。

其他0.400.400.100.50～0.805.8～6.80.200.001～0.0050.02～0.10余量0.101.2焊接工藝參數(shù)

焊縫的表面成形表征了焊縫的成形狀態(tài)，反映了焊接過程的穩(wěn)定性，并且對焊接質量產(chǎn)生重要影響。焊接工藝參數(shù)影響了電弧狀態(tài)，改變了焊接過程的穩(wěn)定性、熔池金屬的流動性，并影響焊縫成形。在變極性等離子弧焊接過程中，可調焊接參數(shù)眾多，采用單因素控制對比試驗進行分析，各個焊接參數(shù)均獨立調整，試驗研究正負極性電流、離子氣流量、正負極電流持續(xù)時間和送絲速度4個參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律，試驗焊接參數(shù)如表2所示。為了減小其他參數(shù)對焊縫成形的影響，焊接速度和焊槍噴嘴到工件距離分別控制在013 m/min和5 mm，等離子焊槍的鎢極內縮量和噴嘴孔徑都選取3.5 mm。

2變極性等離子弧焊縫成形

變極性等離子弧焊接不同于傳統(tǒng)弧焊，在鋁合金焊接過程中，采用穿孔立向上的焊接工藝，焊接工件處于垂直狀態(tài)，焊槍向上（或工件向下）運動，如圖2所示，變極性等離子電弧在高拘束狀態(tài)下，利用強大的電弧力在鋁合金工件上形成匙孔，匙孔穩(wěn)定后焊接開始，焊槍向上（或工件向下）運動時，等離子電弧會將匙孔上方的金屬熔化，同時焊絲送入熔池并在熔池熱作用下熔化，焊絲和匙孔上部的母材熔化并在重力作用下沿著匙孔壁向下方流動，熔化的金屬在流動過程中受到等離子電弧力作用流向匙孔內部，隨著焊接進行，工件相對等離子電弧向下運動，匙孔位置上移[19-20]，如圖3所示。

3結果與討論

3.1焊接電流對焊縫成形的影響

在變極性等離子弧焊接過程中焊接電流影響焊縫熱輸入量，對焊縫成形有著最直接的影響，因此不對稱方波交流等離子電弧的焊接電流選取尤為關鍵，電流存在正極性和負極性2個階段，正極性電弧的電流不僅要直接加熱工件，產(chǎn)生足夠熱量來形成熔池，而且正極性電弧力集中作用在熔池上，形成匙孔，而負極性狀態(tài)下，電弧的作用主要是清除工件表面氧化膜，因此電弧形態(tài)呈發(fā)散狀態(tài)，電弧力減弱。為了保證匙孔的穩(wěn)定性，試驗中設置的負極性電弧電流要大于正極性電弧電流，焊接電流參數(shù)見表2中的試驗Ⅰ組。

試驗過程中，當焊接電流較小時，電弧能量和電弧力不足，難以保證熔池和匙孔的熱力平衡，造成匙孔穩(wěn)定性下降，甚至難以產(chǎn)生穿孔。當焊接電流過大時，熔池和匙孔直徑增加，在等離子電弧力作用下，熔化的金屬被推向熔池背面，造成焊縫寬度增加，背面余高過高，甚至出現(xiàn)咬邊缺陷。在調整正極性焊接電流和負極性焊接電流參數(shù)時，焊接的焊縫正面和背面的成形如圖4所示，在焊縫的起始點，等離子電弧建立后，焊接電流并沒有急速上升，而是以緩慢速率上升，此時工件溫度較低，熔池還沒有達到熱平衡狀態(tài)，電弧熱力不足以形成匙孔，在這種情況下容易造成焊縫表面和背面成形不良。當?shù)入x子電弧實現(xiàn)穿孔并在匙孔穩(wěn)定后，等離子弧焊槍以焊接速度運動，焊絲填充，隨著焊接電流的增加，焊縫正面熔寬和背面余高均呈增大的趨勢。

圖5為焊縫正面和焊縫背面尺寸測量數(shù)據(jù)圖，從圖5中發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的增大，焊縫正面熔寬和余高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，背面焊縫的余高增大明顯，但背面焊縫熔寬變化相對不是很明顯，主要原因是隨著焊接電流增大，電弧對焊縫的熱輸入量隨之增大，伴隨著等離子電弧力增加，熔池表面的溫度梯度和表面張力開始減小，液態(tài)金屬流動性增加。當電流增加至100/130 A時，電弧進一步壓縮，加大了液態(tài)金屬向焊縫背面的流動，造成焊縫正面熔寬、背面熔寬和正面余高均減小，而背面余高顯著增加。

3.2離子氣流量對焊縫成形的影響

變極性等離子弧焊的離子氣在焊接過程中主要是提高電弧的熱壓縮效果，在等離子焊槍內部，少部分氣體電離，未電離部分氣體介于水冷噴嘴和等離子弧中間，氣體吸收電弧熱量并從焊槍內部高速逸出，根據(jù)最小電壓原理，離子氣流量增加，迫使電弧帶電離子向導電性更好的弧柱中心集中，電弧的弧柱在熱壓縮作用下進一步收縮，電弧挺度增加，進而增加電弧力。為了驗證焊接工藝參數(shù)中離子氣流量對變極性等離子弧焊縫成形的影響，試驗參數(shù)見表2中的試驗Ⅱ組。

圖6為不同離子氣流量下的焊縫外觀形貌，從圖6中可以看出，當離子氣體的流量增加時，氣體射流壓力上升，背面焊縫成形得到改善，焊縫形貌更加均勻和細膩。隨著離子氣體流量的增加，匙孔形成更加穩(wěn)定，等離子電弧力增加，對匙孔的沖刷力增加，造成液態(tài)金屬向焊縫背面流動性能增加，因而背面焊縫余高呈明顯的增加趨勢，而焊縫正面余高則呈下降的趨勢，其分析結果如圖7所示。隨著離子氣體流量的增加，氣體對電弧壓縮效果更加明顯，使得等離子電弧直徑減小，因而導致焊縫加熱寬度相應減小，所以焊縫正面熔寬隨著離子氣流量增加而呈減小的趨勢，但焊縫背面熔寬受到熔池金屬流動增加和電弧直徑減小雙重因素的影響，變化趨勢較復雜，離子氣流量從2.2 L/min增加到2.9 L/min后，熔池金屬流動增加趨勢大于焊縫加熱寬度減小趨勢，造成焊縫背面熔寬增加，而離子氣流量繼續(xù)增加，等離子電弧熱壓縮效果增加，使得電弧收縮，焊縫背面熔寬減小，而焊縫正面熔寬隨著離子氣流量增加，在電弧熱壓縮效果增加的情況下造成電弧收縮程度增加，使得焊縫正面熔寬呈減小趨勢。但如果離子氣流量過大，則會產(chǎn)生過大的電弧力，焊接熔池穩(wěn)定性差，導致直接切割母材，難以形成焊縫，產(chǎn)生切割焊穿的現(xiàn)象。

3.3正負極電流持續(xù)時間對焊縫成形的影響

鋁合金表面氧化膜易使焊縫產(chǎn)生夾雜缺陷，為了更好地實現(xiàn)鋁合金表面氧化膜的破碎，降低氧化膜對焊縫的影響，變極性等離子弧焊接工藝的電流波形采用不對稱交流方波形式，而正極性和負極性焊接的電流持續(xù)時間會對焊縫產(chǎn)熱和焊縫成形產(chǎn)生影響，正極性時，鋁合金工件接電源的正極，等離子焊槍接電源的負極，等離子焊槍的鎢極發(fā)射電子的同時，帶走鎢極熱量，對鎢極產(chǎn)生冷卻作用，正極性電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好;負極性時，等離子焊槍接電源的正極，鋁合金工件接電源的負極，電弧的“陰極霧化”效果顯著，氧化膜得以去除，鎢極接收大量電子后溫度變高，易造成鎢極燒損，負極性電弧分散，焊縫加熱不集中，易造成焊縫成形差。為了驗證變極性等離子弧焊接工藝參數(shù)中正負極性電流持續(xù)時間對焊縫成形的影響，試驗參數(shù)見表2中的試驗Ⅲ組，焊縫成形如圖8所示。

正負極電流持續(xù)時間對焊縫成形產(chǎn)生影響，焊縫余高和熔寬測量結果如圖8所示。在正負極電流持續(xù)時間由15∶2變?yōu)?5∶4后，焊縫正面余高和熔寬增加幅度較小，焊縫背面余高和熔寬減小幅度較大，因為負極性電弧的持續(xù)時間增加后，電弧的“陰極霧化”作用時間增加。等離子電弧在尋找氧化膜過程中，電弧呈跳動狀態(tài)，電弧加熱分散，因而導致焊縫正面熔寬略有增加，而負極性電弧所占比例增加后，電弧正極性狀態(tài)下的電弧對焊縫匙孔作用時間比例降低，導致焊縫正面余高小幅增加，而焊縫背面成形受正極性電弧穿孔時間比例降低的影響，匙孔發(fā)生變化，并對焊縫背面金屬流動產(chǎn)生影響，導致焊縫背面余高和熔寬下降幅度較焊縫正面成形變化幅度大，隨著正負極電流持續(xù)時間增加，焊縫正面余高呈增加趨勢。當正負極電流持續(xù)時間變化至21∶4后，焊縫正面余高呈下降變化，而背面熔寬呈增加變化狀態(tài)，由于正極性電弧持續(xù)時間增加，導致焊縫正面熔寬增加，而在電弧力作用下，熔池增大，導致背面熔寬增加，而此時焊縫背面余高增加不明顯，焊縫正面和背面成形發(fā)生變化如圖9所示。

3.4送絲速度對焊縫成形的影響

變極性等離子弧焊中焊絲是通過吸收熔池熱量而熔化的，焊絲的熔入實現(xiàn)了焊縫中金屬的填充，在試驗中對比分析了不同的焊絲送進速度對焊縫成形的影響，其結果如圖10和圖11所示，隨著送絲速度的增加，相同焊接時間內焊縫中填充金屬量增加，使熔池內液態(tài)金屬總量增加，導致焊縫成形后焊縫正面余高顯著增加，熔寬也小幅度增加;隨著熔池中液態(tài)金屬的增加，在等離子電弧力作用下，焊縫背面流動的金屬相應增加，導致焊縫背面余高和熔寬也隨之增加。

4結論

對變極性等離子電弧5A06鋁合金焊縫成形的規(guī)律進行了試驗研究，采用單因素控制對比試驗對VPPA焊焊縫成形進行了測量分析，得出以下結論。

1）通過對正面焊縫和背面焊縫的余高和熔寬測量分析，試驗結果表明隨著焊接電流的增大，焊縫正面熔寬和余高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而背面焊縫的余高增大明顯。

2）隨著離子氣體流量的增加，等離子電弧力增加，液態(tài)金屬流動性增加，背面焊縫余高呈明顯的增加趨勢，而焊縫正面余高則呈下降的趨勢。

3）正極性電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好，負極性電弧分散，焊縫加熱不集中，成形差，在負極性電流持續(xù)時間增加的情況下，焊縫正面余高和熔寬增加幅度較小，焊縫背面余高和熔寬減小。

4）隨著送絲速度的增加，熔池內液態(tài)金屬總量增加，焊縫余高顯著增加，熔寬增加不明顯。

5）有關VPPA熔池金屬流動行為的研究還未展開，今后將對此進行探索。

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2019年6月Journal of Hebei University of Science and TechnologyJune 2019