鋁合金高能束焊接 及其復(fù)合焊接的研究現(xiàn)狀

韓永全 孫振邦 杜茂華 洪海濤

摘要：論述并分析了高能束焊接及其復(fù)合焊接的基本原理和特點(diǎn)。介紹了鋁合金的VPPA焊、激光焊、激光-等離子弧復(fù)合焊、VPPA-MIG復(fù)合焊、激光-MIG復(fù)合焊接等高能束及其復(fù)合焊接的工藝特性和國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展。重點(diǎn)介紹了鋁合金VPPA-MIG復(fù)合焊和激光-MIG復(fù)合焊接的熱源特性和工藝優(yōu)勢(shì)。VPPA-MIG復(fù)合焊接由于其電弧穿透力強(qiáng)，焊接效率高，在厚板鋁合金焊接中優(yōu)勢(shì)較突出，尤其能夠有效減少高強(qiáng)鋁合金焊接接頭強(qiáng)度下降，因此具有很大的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鋁合金;高能束焊;復(fù)合焊;研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.14? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0221-11

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.24

0? ? 前言

鋁合金是具有獨(dú)特優(yōu)異性能的輕量化結(jié)構(gòu)性材料，能夠適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展步伐，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航天航空、軍事工業(yè)以及交通運(yùn)輸?shù)雀叨酥圃煨袠I(yè)[1-2]。隨著工業(yè)制造的快速發(fā)展，主要用于制造鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)也在不斷升級(jí)與改進(jìn)，研究人員針對(duì)采用多種焊接工藝來(lái)滿足不同鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的使用要求進(jìn)行了研究。對(duì)于厚大的鋁合金結(jié)構(gòu)，由于其導(dǎo)熱性高、厚度大的特性，采用傳統(tǒng)的焊接工藝（如TIG焊、MIG焊）時(shí)，因其焊接熱輸入量小、穿透能力弱，故需采用多層多道焊實(shí)現(xiàn)全熔透。然而，鋁合金表面極易氧化形成高熔點(diǎn)的氧化鋁，焊縫中產(chǎn)生夾渣和熱裂紋傾向會(huì)增大，同時(shí)由于多次受熱導(dǎo)致接頭軟化嚴(yán)重[3-4]。因此，傳統(tǒng)的焊接方法對(duì)厚板鋁合金的焊接仍然具有局限性。鑒于厚板鋁合金的焊接特點(diǎn)，為提高其焊接效率以及接頭質(zhì)量，可以采用高能量密度的高能束焊接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的焊接過(guò)程。近年來(lái)，科研人員開(kāi)始研究高能束焊接工藝來(lái)解決一些鋁合金焊接問(wèn)題，如變極性等離子弧焊（VPPA）、激光焊以及VPPA/激光-電弧復(fù)合焊?，F(xiàn)階段，通過(guò)大量研究高能束焊接，已經(jīng)對(duì)其熱源特性、焊接機(jī)理以及數(shù)值計(jì)算等方面具有了一定的了解，并且部分焊接技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工業(yè)制造。

根據(jù)鋁合金高能束焊接的研究現(xiàn)狀，文中對(duì)高能束焊接及其復(fù)合焊接的研究現(xiàn)狀與工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了介紹，討論了鋁合金高能束焊接前沿領(lǐng)域的研究方向與發(fā)展趨勢(shì)。

1 高能束焊接工藝

1.1 變極性等離子弧焊

VPPA焊是最適合于航空航天用重要鋁合金焊接構(gòu)件的一種先進(jìn)焊接工藝，它是一種正負(fù)半波的幅值和時(shí)間均可調(diào)的不對(duì)稱(chēng)交流方波焊接電源，可以解決鋁合金所需的氧化膜清理和鎢極燒損問(wèn)題。典型VPPA焊接波形及原理示意如圖1所示。

早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)NASA Marshall航天中心就開(kāi)始將VPPA焊接技術(shù)應(yīng)用到航空航天中厚板鋁合金的焊接中。此焊接工藝雖然在國(guó)外已有多年的應(yīng)用背景，但由于技術(shù)、材料等多方面原因，導(dǎo)致我國(guó)對(duì)VPPA焊接的研究與應(yīng)用相對(duì)較晚。自20世紀(jì)90年代至今，通過(guò)我國(guó)科研人員的不斷努力，已經(jīng)將VPPA穿孔立焊技術(shù)應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，如航天器艙體的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)以及運(yùn)載火箭儲(chǔ)箱等領(lǐng)域。最早，北京工業(yè)大學(xué)對(duì)VPPA焊接電源、熱源特性以及焊接工藝進(jìn)行了大量深入的研究，呂耀輝等[5-6]以80C196單片機(jī)為控制核心，研發(fā)了包括400 A的變極性電源、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的VPPA焊接系統(tǒng)。韓永全等[7-9]分析了VPPA電特性和電弧特性，并且開(kāi)發(fā)了以16位單片機(jī)為核心的雙逆變型VPPA穿孔立焊專(zhuān)用焊接系統(tǒng)，通過(guò)熱與力的深入分析與匹配，運(yùn)用自行研制的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了15 mm LD10鋁合金VPPA穿孔立焊工藝。陳樹(shù)君[10]自主研制的VPPA穿孔立焊設(shè)備在技術(shù)上獲得了突破，攻克了多項(xiàng)VPPA穿孔立焊電源和工藝技術(shù)難題，成功完成了“天宮一號(hào)”主結(jié)構(gòu)的焊接制造。

近些年，隨著對(duì)VPPAW技術(shù)研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)近幾年在VPPA焊接電源升級(jí)、小孔行為以及數(shù)值模擬方面進(jìn)行了深入研究。春蘭等人[11]研發(fā)了一種單電源雙脈沖混合調(diào)制VPPA焊接系統(tǒng)，在典型VPPA焊接基礎(chǔ)上加入高低頻調(diào)制脈沖，可輸出1～5 kHz高頻脈沖、1～2 Hz低頻脈沖及混合脈沖，輸出的雙脈沖波形如圖2所示。

陳樹(shù)君等[12]以穿孔熔池為對(duì)象，提出了溫寬偏離度概念用以描述穿孔熔池狀態(tài)及焊縫成形，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)影響偏離度的因素有：工件厚度、熱輸入、焊槍位置和焊接速度。并且通過(guò)高速攝像對(duì)背面小孔形貌進(jìn)行分析，橫焊時(shí)由于重力作用，部分金屬聚集熔池下側(cè)，熱與力無(wú)法驅(qū)動(dòng)熔融金屬向上流動(dòng)，不能建立良好的連接，小孔的形狀近似于三角形，如圖4所示。通過(guò)調(diào)整焊槍角度可以減弱重力對(duì)液體流動(dòng)的影響，能夠獲得穩(wěn)定的穿孔VPPA焊接工藝[13]。蔣凡等人[14]研究表明，正極性和反極性階段的傳熱特性是影響VPPA焊接穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵因素，在正、反極性電流增加量相等時(shí)，正極性的傳熱功率增加越多，反極性電弧的熱效率下降越大。

徐斌等[15]基于磁流體動(dòng)力學(xué)及Maxwell方程，建立了具有預(yù)先設(shè)置小孔的VPPA物理模型，將鎢和母材建立在計(jì)算域中，計(jì)算模型能夠反映VPPA對(duì)熔池的影響。采用有限差分法求解了溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、焊接電流密度和VPPA壓力的分布。數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，VPPA被鎖孔二次壓縮。這種附加約束導(dǎo)致小孔最小直徑處VPPA壓力和流速明顯上升，而溫度場(chǎng)受到輕微影響。

在國(guó)外，Zheng等[16]分析了VPPA穿孔焊接穩(wěn)定性所需要的熱與力的條件。根據(jù)穿孔熔池所受的熱與力條件，可分為熱傳導(dǎo)型、強(qiáng)力型和熱與力結(jié)合型，如圖5所示。熔池受熱過(guò)大時(shí)，熔池下淌，易產(chǎn)生切割;當(dāng)熔池所受電弧力較大時(shí)，熔池流動(dòng)穩(wěn)定性差，不利于成形。只有熱力相配合時(shí)才能形成更有利于金屬流動(dòng)的熔池形態(tài)。Emad Saad等[17]通過(guò)聲信號(hào)提出了一種能夠識(shí)別VPPA焊接熔池小孔狀態(tài)的方法。利用Welch功率譜密度估計(jì)對(duì)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)識(shí)別了小孔模式和切割模式。

從以上研究可以看出，在鋁合金VPPA焊接熱源特性、焊縫成形以及數(shù)值模擬等方面的研究較為全面，人們對(duì)其焊接機(jī)理有了一定的掌握，已經(jīng)在航空航天和民營(yíng)制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著高強(qiáng)鋁合金、厚大結(jié)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的發(fā)展，對(duì)VPPA焊接技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)階段仍有一些技術(shù)難點(diǎn)需要突破：①僅能立焊成形，在平焊位置下成形困難，并且工裝要求極高。②對(duì)于厚大的焊接結(jié)構(gòu)，工藝區(qū)間極窄，很難獲取合理的焊接工藝。板材越厚，越難獲得良好焊縫成形。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，目前能夠焊接鋁合金的最大厚度為15 mm。③高強(qiáng)鋁合金金屬流動(dòng)性差，使得VPPA熱與力很難匹配使焊接熔池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，增大了VPPA焊接難度。

1.2 激光焊

近年來(lái)，隨著大功率、高性能激光器的不斷發(fā)展，鋁合金的激光焊接技術(shù)也獲得了很大進(jìn)步，大功率激光器已經(jīng)能夠達(dá)到萬(wàn)瓦級(jí)別，激光焊接技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今高速高精度的鋁合金焊接方法。在制造業(yè)中，激光加工技術(shù)占比是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)加工水平的重要指標(biāo)之一。在國(guó)內(nèi)外的工業(yè)制造中，激光焊接已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如圖6所示[18-21]。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)化工藝，遍布汽車(chē)車(chē)頂、車(chē)身等各個(gè)鈑金結(jié)構(gòu)的焊接。德國(guó)的奧迪、高爾夫、帕薩特等品牌均采用激光焊接完成鋁合金車(chē)頂結(jié)構(gòu)組裝;奔馳公司則采用激光焊進(jìn)行了Al-Mg系和Al-Mg-Zn系鋁合金傳動(dòng)部件的連接。國(guó)內(nèi)的一些汽車(chē)制造廠家同樣在部分新車(chē)型中采用了激光焊接技術(shù)。

目前，激光器種類(lèi)有CO2激光、YAG激光、光纖激光。對(duì)于鋁合金焊接而言，從光束波長(zhǎng)、質(zhì)量以及鋁合金的吸收率方面來(lái)看，光纖激光焊要優(yōu)于CO2激光焊，光纖激光束易于實(shí)現(xiàn)厚板鋁合金的深熔焊。Sibillano[22]等通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)CO2激光光致等離子體溫度、密度以及光致等離子體發(fā)射光譜譜線強(qiáng)度較光纖激光的更高。這主要由于金屬蒸氣易吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激光能量，對(duì)波長(zhǎng)較短的激光能量吸收得很少，因此導(dǎo)致CO2激光焊的金屬蒸氣溫度高，產(chǎn)生的熱電離程度大，形成溫度高、密度高的等離子體[23]。然而，受等離子體波動(dòng)的影響，CO2激光焊接熔池波動(dòng)較大，焊接過(guò)程穩(wěn)定性較差[23-24]。光纖激光焊產(chǎn)生羽輝的溫度和密度相對(duì)較低，羽輝波動(dòng)相對(duì)等離子體小，因此光纖激光焊相對(duì)更穩(wěn)定[24]。鄒江林等[25]對(duì)比了高功率光纖激光和CO2激光焊的熔化效率，研究表明光纖激光焊的熔化效率峰值對(duì)應(yīng)的焊接速度要遠(yuǎn)大于CO2激光焊，光纖激光更適合于高速焊接。

眾所周知，在鋁合金激光焊接中氣孔缺陷是常見(jiàn)的問(wèn)題，尤其在厚大的鋁合金結(jié)構(gòu)深熔焊接中體現(xiàn)尤為明顯。鋁合金激光深熔焊存在冶金型和小孔型兩種氣孔，如圖7所示。Kotsuna等[26]對(duì)鋁合金進(jìn)行了CO2激光焊接，在密閉環(huán)境下采用氣體光譜分析法收集和分析焊縫氣孔中氣體成分，發(fā)現(xiàn)氣孔中氣體成分為90%的H2和10%的N2，氣孔的產(chǎn)生與高溫下H元素的大量溶入有關(guān)。同時(shí)借助SEM能譜分析，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)壁Mg含量是焊縫附近的4倍，表明不規(guī)則氣孔與鎂的蒸發(fā)燒損有關(guān)。余陽(yáng)春等[27]的研究表明，激光焊接鋁合金中氣孔的形成與小孔的穩(wěn)定性和熔池的波動(dòng)密切相關(guān)，焊絲的填充會(huì)增強(qiáng)小孔和熔池的不穩(wěn)定性，從而增加了焊接接頭的氣孔數(shù)量。在接頭上預(yù)制合適的間隙，能夠?yàn)橐簯B(tài)金屬流動(dòng)提供一個(gè)自然通道，減弱填充金屬對(duì)小孔的干擾，同時(shí)能夠?yàn)闅怏w的溢出提供通道，從而降低孔隙率。

厚板鋁合金激光焊氣孔的形成機(jī)理極其復(fù)雜，要想避免氣孔很難，這也是焊縫氣孔成為目前鋁合金激光焊接研究中熱點(diǎn)問(wèn)題的原因。雖然，激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢(shì)，但仍存在較大的局限性，如設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小、能量吸收率、合金元素易燒損以及易產(chǎn)生氣孔等缺陷和不足[28-29]。

2 高能束-電弧復(fù)合焊接工藝

近年來(lái)，為了適應(yīng)工業(yè)制造發(fā)展的要求并實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的焊接工藝，相繼研究開(kāi)發(fā)了多種復(fù)合焊接技術(shù)。其中在國(guó)內(nèi)成為研究熱點(diǎn)并應(yīng)用最為廣泛的是高能束焊接與傳統(tǒng)電弧焊的復(fù)合焊接工藝，主要是利用復(fù)合焊接技術(shù)互相彌補(bǔ)傳統(tǒng)單一熱源焊接各自的缺點(diǎn)，高能束復(fù)合焊接主要包括激光-等離子弧復(fù)合焊、等離子弧-MIG復(fù)合焊以及激光-MIG復(fù)合焊。

2.1 激光-等離子弧復(fù)合焊

20世紀(jì)70年代末英國(guó)Steen教授首次提出激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)，其目的是通過(guò)電弧來(lái)提高激光能量利用率、獲得較大的焊接熔深以及增強(qiáng)焊接間隙的適應(yīng)性，并實(shí)現(xiàn)高速度、高質(zhì)量的焊接[30]。激光-等離子弧復(fù)合焊是由英國(guó)Conventry大學(xué)發(fā)明的，此復(fù)合電弧能量更加集中，能夠減小熱影響區(qū)和增大焊縫成形系數(shù)，并可以降低焊接熱輸入[31]。激光-等離子弧復(fù)合焊接示意如圖8所示。

在國(guó)外，Yoon等[32]研究發(fā)現(xiàn)表面激光-等離子弧復(fù)合焊能夠改善和增強(qiáng)氣體電離效應(yīng)，使電弧發(fā)生收縮，解釋了等離子弧對(duì)激光能量的吸收，并從理論說(shuō)明了光電效應(yīng)導(dǎo)致電弧集中。Blundell[33]等在CO2激光熱源的基礎(chǔ)上引入等離子弧熱源作為輔助熱源，焊接速度較單激光焊的焊接速度至少提高了約2倍，這是由于等離子弧熱源的預(yù)熱作用增強(qiáng)了激光束能量的吸收率。

在國(guó)內(nèi)，李志寧等[34-35]采用數(shù)值計(jì)算方法研究了激光-等離子弧復(fù)合焊熔池流動(dòng)特性。結(jié)果表明，表面張力流是決定熔池流動(dòng)的主要原因，同時(shí)也會(huì)直接影響焊接成形。電磁力在增加熔深和背面熔寬方面起著重要作用。常保華等[36]研究了激光-等離子弧復(fù)合焊的焊縫成形，發(fā)現(xiàn)采用激光熱源前置、等離子弧后置，能夠獲得表面平整、成形良好的焊縫。韓永全等[37]進(jìn)行了鋁合金激光-變極性等離子復(fù)合熱源特性分析，研究表明激光對(duì)等離子弧有吸引作用，在正極性階段激光被壓縮于等離子弧根部，反極性階段在電弧上方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)等離子體柱，提高了激光的吸收率。

目前，激光-等離子弧復(fù)合焊仍處于研究與開(kāi)發(fā)階段，在工業(yè)生產(chǎn)方面還沒(méi)有得到大范圍的應(yīng)用。激光-等離子弧復(fù)合焊在焊接速度和間隙能力方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。但是鋁合金焊縫成形質(zhì)量控制以及中厚板鋁合金填絲等問(wèn)題仍然需要進(jìn)一步研究與解決。

2.2 等離子弧-MIG復(fù)合焊

等離子弧-MIG復(fù)合焊接是由荷蘭飛利浦實(shí)驗(yàn)室的Essers等研究員于1972年首次提出[38]。依據(jù)兩個(gè)熱源的空間位置，按照形成等離子電弧的方式將等離子-MIG復(fù)合焊分為兩種：同軸式和旁軸式。同軸式復(fù)合焊工藝包括偏置鎢極式和同軸噴嘴式兩種焊槍結(jié)構(gòu)，如圖9所示。同軸式MIG焊絲被等離子弧包圍，一定程度提高了焊絲熔化速率和熔滴過(guò)渡頻率，減少了焊接飛濺。

截止目前，同軸式等離子弧-MIG復(fù)合焊接已經(jīng)得到了廣泛的研究。Jelmorini等人[39]研究了等離子弧-MIG復(fù)合焊焊絲熔化率與電流的關(guān)系。研究表明，復(fù)合焊接的焊絲熔化率高于MIG焊的焊絲熔化率。由于等離子電弧對(duì)MIG焊絲具有預(yù)熱作用，致使焊絲的電阻率升高，大幅度提高了焊絲的電阻熱，從而提高了MIG焊絲的熔敷效率。Ton[40]通過(guò)光譜分析了等離子-MIG復(fù)合電弧物理特性，復(fù)合電弧溫度分布如圖10所示，研究表明內(nèi)弧和外弧的溫度、成分有一定的差異，內(nèi)弧的溫度低且具有少量的金屬蒸氣，等離子電弧溫度是MIG電弧的2倍。Lee等人[41]分析了等離子電流對(duì)復(fù)合焊縫表面缺陷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)入x子電流超過(guò)200 A時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的焊縫并且出現(xiàn)黑色污點(diǎn)，如圖11所示。與MIG焊對(duì)比發(fā)現(xiàn)，復(fù)合焊污點(diǎn)要少于單MIG焊。

雖然同軸式焊槍因結(jié)構(gòu)原因，在薄板和中厚板焊接中具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠提高焊絲熔化效率和焊接質(zhì)量，但是針對(duì)厚板結(jié)構(gòu)仍然存在一些不足。有研究表明[42-43]，同軸等離子-MIG復(fù)合熱源與工件的接觸面積大，導(dǎo)致熱源對(duì)工件的加熱面積大，產(chǎn)生的焊接熔池寬而淺。同時(shí)在大電流時(shí)焊絲尖端周?chē)碾娀【哂行D(zhuǎn)趨勢(shì)，使熔滴轉(zhuǎn)移到熔池時(shí)分布在一個(gè)較寬的區(qū)域。這些特性都不利于產(chǎn)生大熔深的焊縫，不適合于厚板大熱輸入的焊接。

在厚板高強(qiáng)鋁合金的結(jié)構(gòu)中具有極大的應(yīng)用前景的旁軸式等離子弧-MIG復(fù)合焊接于1995年由以色列激光技術(shù)公司成功研制與發(fā)展。等離子-MIG復(fù)合焊接工藝示意如圖12所示。美國(guó)Cummins公司將等離子-MIG復(fù)合焊接工藝成功應(yīng)用于排氣管的自動(dòng)焊接中，提高了焊接效率，降低了成本[44]。美國(guó)Babcock Power公司用等離子-MIG復(fù)合焊接工藝代替TIG焊，管接頭的焊接效率提高了近10倍[45]。并且此焊接技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電的塔柱、大型船舶以及輸油管道的焊接領(lǐng)域中得以應(yīng)用[44]。

在國(guó)內(nèi)，相繼也進(jìn)行了旁軸等離子-MIG復(fù)合焊接的研究。包學(xué)強(qiáng)[46]對(duì)等離子-MIG復(fù)合焊進(jìn)行改造，開(kāi)發(fā)了一體式脈沖等離子弧-MIG復(fù)合焊接，復(fù)合的兩個(gè)電弧均為脈沖電弧，并通過(guò)對(duì)兩脈沖電弧脈沖相位的控制，減小了等離子弧與MIG電弧的相互耦合作用。邵盈愷[47]建立了等離子弧-MIG復(fù)合焊接參數(shù)和熔深的定量關(guān)系。研究表明影響焊接熔深的順序依次為MIG電流、等離子電流、焊接速度、離子氣流量。與單MIG相比，復(fù)合焊接的熱裂紋敏感性較小。韓永全等[48-49]首次采用Super-MIG焊槍組建了VPPA-MIG復(fù)合系統(tǒng)，如圖13所示，并針對(duì)厚板高強(qiáng)鋁合金開(kāi)展了VPPA-MIG復(fù)合熱源特性的系統(tǒng)研究，研究表明復(fù)合電弧電磁耦合對(duì)MIG電弧具有壓縮效應(yīng)，在正極性階段，MIG電弧具有軸向壓縮作用，除了復(fù)合電弧所受安培力外，MIG電弧還受到復(fù)合電弧耦合區(qū)的熱擠壓作用，在反極性期間，MIG電弧收縮較為明顯。復(fù)合電弧的相互作用促進(jìn)了熔滴的過(guò)渡速度，復(fù)合焊熔滴過(guò)渡速度以及熔滴動(dòng)量大于單MIG焊，有利于獲得較大的焊接熔深。孫振邦等[50]開(kāi)發(fā)了適用于VPPA-MIG復(fù)合焊的組合式體積熱源模型，并計(jì)算了復(fù)合焊接的熱過(guò)程，結(jié)果表明MIG是決定復(fù)合焊接焊縫熔寬的主要因素，而VPPA是決定復(fù)合焊接穿透深度的主要因素。并優(yōu)化獲取了11 mm厚鋁合金平板對(duì)接焊縫，如圖14所示。

2.3 激光-MIG復(fù)合焊

激光-MIG復(fù)合焊接是目前最受業(yè)界矚目、研究最廣、應(yīng)用最多的一種復(fù)合焊接技術(shù)。其主要特點(diǎn)是焊接熔深大、工況適應(yīng)性好、易于填充金屬以及焊接穩(wěn)定性高等。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者鑒于激光-MIG復(fù)合焊接的諸多優(yōu)點(diǎn)對(duì)其焊接機(jī)理以及工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了研究。

在國(guó)外，Moriaki等[51]通過(guò)對(duì)激光-MIG復(fù)合焊電信號(hào)的分析，表明單電弧高速焊時(shí)，電壓波動(dòng)較大，而復(fù)合焊電壓波動(dòng)較小，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定。這是由于復(fù)合焊過(guò)程中存在匙孔，焊接區(qū)域的帶電粒子數(shù)陡然增加，因而熱發(fā)射容易，而且電弧也被明顯壓縮，弧柱能量密度增大。Vollertsen等人[52]首次采用大功率光纖激光-MIG復(fù)合焊焊接鋁合金，4 mm厚鋁合金復(fù)合焊焊接速度可達(dá)到20 m/min;8 mm厚鋁合金復(fù)合焊焊接速度可達(dá)到6 m/min，焊接過(guò)程穩(wěn)定，同時(shí)能夠獲得高質(zhì)量的焊縫。Campana等[53]通過(guò)激光-MIG復(fù)合焊接試驗(yàn)探究了焊接參數(shù)對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響，并用高速攝像機(jī)對(duì)電弧和熔池圖像進(jìn)行采集。結(jié)果表明，在保證其他參數(shù)不變的前提下，熱源間距保持在2～3 mm時(shí)，兩個(gè)熱源可實(shí)現(xiàn)協(xié)同增益效果。在工業(yè)應(yīng)用方面，德國(guó)大眾汽車(chē)公司自主開(kāi)發(fā)了激光-MIG復(fù)合焊接機(jī)頭并將其用于鋁合金汽車(chē)框架和轎車(chē)車(chē)門(mén)的焊接，如圖15所示[54]。日本三菱重工公司也將同軸激光-MIG復(fù)合焊技術(shù)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)車(chē)身的焊接[55]。同時(shí)在日本也建立了鋁合金高速類(lèi)列車(chē)激光-MIG焊接生產(chǎn)線[56]，如圖16所示。

國(guó)內(nèi)同樣開(kāi)展了多方面激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)的應(yīng)用研究。樊丁[57]等開(kāi)發(fā)了激光-MIG旁軸復(fù)合焊接機(jī)頭并進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)激光引起的等離子體能夠促進(jìn)電弧的穩(wěn)定性，在較寬的工藝內(nèi)，YAG激光-脈沖MIG復(fù)合焊接鋁合金在提高焊速下能夠獲得成形美觀的焊縫，復(fù)合焊熔深與單一激光焊相比提高4倍，與脈沖MIG焊相比提高1倍以上。高明等[58]定量探究了激光-MIG復(fù)合熱源的相互作用，研究表明當(dāng)熱源間距小于4 mm時(shí)，激光誘導(dǎo)等離子體與電弧等離子體的相互作用主導(dǎo)了熱源相互作用，當(dāng)熱源間距大于4 mm時(shí)，兩個(gè)熱源的相互作用主要為預(yù)熱作用。激光與MIG電弧的最佳間距為1～2 mm。長(zhǎng)春軌道客車(chē)、唐山軌道客車(chē)以及中船重工725所也開(kāi)展了激光-MIG復(fù)合焊接的應(yīng)用研究，結(jié)果表明采用激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)焊接[59]。

3 結(jié)論

鋁合金VPPA焊和激光焊在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了多方面的廣泛研究，人們基本掌握其熱源特性、焊接機(jī)理以及工藝特性等，已經(jīng)成為部分鋁合金結(jié)構(gòu)焊接的重要手段，并在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)制造的發(fā)展需求，優(yōu)質(zhì)高效的新型復(fù)合焊接技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，高能束焊與傳統(tǒng)電弧焊相互結(jié)合形成的復(fù)合焊接工藝充分集成各自的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決單一熱源的諸多問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)追逐的高效、高質(zhì)量的焊接技術(shù)，具有潛在優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。目前，VPPA-MIG復(fù)合焊和激光-MIG復(fù)合焊是國(guó)內(nèi)外研究最多、最熱的新型鋁合金焊接技術(shù)，其中激光-MIG復(fù)合焊在汽車(chē)工業(yè)和軌道交通等部分領(lǐng)域得以應(yīng)用，而VPPA-MIG復(fù)合焊正處于應(yīng)用研究階段，從目前的研究中可以看出，在軍用高強(qiáng)裝甲鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接中VPPA-MIG復(fù)合焊具有極大的應(yīng)用前景。然而，由于復(fù)合熱源的復(fù)雜性，導(dǎo)致二者復(fù)合熱源特性的研究還不夠深入，制約了復(fù)合焊技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。今后，復(fù)合熱源耦合機(jī)理和復(fù)合電弧物理是其重要的研究方向。隨著科研人員不斷的鉆研，未來(lái)復(fù)合焊接技術(shù)必將在高端裝備制造中發(fā)揮更重要的作用。

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Research status of high energy beam welding and composite welding

of aluminum alloy

HAN Yongquan， SUN Zhenbang， DU Maohua， HONG Haitao

（School of Materials Science and Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010050， China）

Abstract： The basic principle and characteristics of high energy beam welding and its composite welding are discussed and analyzed. This paper introduces the high energy beam welding process characteristics and the latest research progress of VPPA welding， laser welding， laser plasma arc composite welding， VPPA-MIG composite welding and laser MIG composite welding of aluminum alloy. The heat source characteristics and process advantages of vppa-mig hybrid welding and laser MIG hybrid welding of aluminum alloy are mainly introduced. VPPA-MIG composite welding has prominent advantages in thick plate aluminum alloy welding due to its strong arc penetration and high welding efficiency， especially can effectively reduce the strength decline of high-strength aluminum alloy welding joint， so it has a great application prospect.

Key words： aluminum alloy; high energy beam welding; composite welding; research progress