工藝參數(shù)對鋁合金PPCA-TIG焊縫成形的影響

黃勇，劉永剛，薛旭普，黃健康，樊丁

1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

2.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

0 引言

鋁及鋁合金作為工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬之一，具有密度小、塑性好、易于加工、耐腐蝕性和導(dǎo)電性好等諸多優(yōu)點［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對鋁合金焊接接頭提出了更高的質(zhì)量要求。早在20世紀60年代中期，活性TIG焊的出現(xiàn)引起了國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。該方法基于傳統(tǒng)TIG焊，通過在待焊板材表面涂敷一層活性劑，使得熔深顯著增加，在不開坡口且不使用填充材料的情況下可以一次焊透12 mm厚的碳鋼板材［2］。雖然熔深增加效果明顯，但是活性劑需要人工涂敷，難以保證質(zhì)量，不易實現(xiàn)焊接的自動化，降低了焊接效率［3］。隨著工業(yè)水平的發(fā)展，焊接過程的自動化與機械化已經(jīng)成為近年來的發(fā)展趨勢與研究熱點，為了解決此類問題，通過活性氣體引入活性元素的方法被開發(fā)出來，例如AA-TIG焊［4］（Arc Assisted Activating TIG Welding，電弧輔助活化TIG焊）、GPCATIG（Gas Pool Coupled Activating TIG Welding，氣體熔池耦合活性TIG焊）等方法，無需手工涂敷活性劑，可在保證焊接質(zhì)量的前提下實現(xiàn)自動化，并提高焊接效率。但是由于鋁在與空氣接觸時，表面將生成致密難熔的Al2O3膜［5］，所以通過活性氣體來引入活性元素O的方法并不適用于鋁與鋁合金的焊接。

基于此背景，提出一種新型活性焊接方法——粉末熔池耦合活性TIG焊（Powder Pool Coupled Activating TIG welding，PPCA-TIG焊）。該方法采用雙層氣體進行焊接，內(nèi)層利用惰性氣體保護鎢極和熔池，外層通過自動送粉裝置將活性劑粉末隨保護氣體送入電弧-熔池區(qū)域，利用活性劑與電弧-熔池的相互作用可顯著增加熔深，大大提高焊接效率，且易于實現(xiàn)焊接的機械化與自動化。同時這種方法避免了GTFA-TIG焊（Gas Transfer Flux Activating Welding，氣體輸送活性TIG焊）可能出現(xiàn)的活性劑粉末對鎢極的污染問題。通過選擇合適的活性劑，可實現(xiàn)鋁與鋁合金的焊接，同時通過調(diào)節(jié)活性劑成分和活性劑與電弧-熔池區(qū)域的耦合程度可保證焊接過程的穩(wěn)定性、焊縫成形的可控性和焊縫質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)性。劉瑞琳等［6］利用自行設(shè)計制造的GPCATIG專用焊槍，研究了焊接工藝參數(shù)對奧氏體不銹鋼GPCA-TIG焊縫成形的影響。結(jié)果表明，O元素能增加焊縫熔深，而N元素則不能，但卻能促進O元素的吸收；焊接電流和焊接速度決定焊接線能量的大小，影響O元素對熔池Marangoni對流方式的改變；弧長的變化會影響焊接熱源總體的熱輸入和熔池的溫度分布。黃勇［7］等針對鋁合金交流PPCATIG焊，研究了活性劑SiO2在熔池表面的過渡行為，發(fā)現(xiàn)SiO2的過渡導(dǎo)致電弧收縮，并且PPCA-TIG焊在EN時段陰極斑點數(shù)量增多是導(dǎo)致焊縫表面成形差的重要原因，在EP時段，SiO2的較高高溫焊態(tài)電阻強制電弧收縮，導(dǎo)電面積減小，是熔深增加的主要原因。趙文強［8］采用PPCA-TIG焊進行了SUS304鋁合金的相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)當使用SiO2活性劑時電弧形貌有所收縮，焊縫熔深提升3倍以上。樊?。?］采用直流正接TIG焊進行3A21鋁合金工件的表面堆焊，認為對焊縫熔深影響較大的原因是焊接電弧、表面活性劑和焊縫熔池三者所構(gòu)成的導(dǎo)電通道電阻的大小變化。雷小偉［10］研究發(fā)現(xiàn)，采用變極性冷金屬過渡焊進行8 mm厚5083鋁合金對接焊時，當交流平衡值由正值向負值變化時，負極性的比例增大，熔深將逐步減小，更趨于堆焊；交流平衡為正值時，焊接成形良好。焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化對焊接接頭的表面成形和組織性能有著重要的影響。

本文針對3003鋁合金采用交流PPCA-TIG焊進行工藝試驗，在焊縫良好成形的基礎(chǔ)上分析不同的工藝參數(shù)對焊縫深寬比的影響。這對于推動這種新型活性焊接方法的開發(fā)與發(fā)展，實現(xiàn)鋁與鋁合金的高質(zhì)量自動化焊接，具有一定的意義。

1 試驗方法

試驗?zāi)覆臑?003鋁合金板，尺寸為200 mm×100 mm×8 mm，采用交流PPCA-TIG焊接方法進行表面熔焊，如圖1所示。送粉裝置為自制的微量可控送粉器，通過電機轉(zhuǎn)動向電弧-熔池區(qū)域中送入定量的活性劑粉末，采用SiO2和MnCl2兩種典型的活性劑，粒度為100～300目。PPCA-TIG焊前，用丙酮擦拭鋁合金表面，去除表面油污，后用砂輪機處理其表面，去掉表面氧化膜后，再用丙酮擦拭，吹干試板。同時，使用烘干箱對所用活性劑進行烘干加熱，脫去活性劑本身的結(jié)晶水和吸附的水分。PPCA-TIG焊接時，首先打開內(nèi)層氣路和冷卻水路，引弧的同時開啟外層氣路與送粉器，開始輸送粉末，并啟動滑軌，隨滑軌運動結(jié)束后，熄弧，并停止送粉。以此得到基本的焊接參數(shù)，在此參數(shù)基礎(chǔ)上分別以焊接電流、焊接速度、弧長、外層氣體流量、粉末粒度為變量，基于控制變量法，再次進行焊接，分析PPCA-TIG焊的焊縫深寬比隨工藝參數(shù)變化規(guī)律。待焊件冷卻至室溫后，采用線切割方法截取焊縫的橫截面試樣，然后對試樣打磨、拋光和腐蝕。

圖1 PPCA-TIG焊方法示意Fig.1 PPCA-TIG welding method

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 基本焊接參數(shù)確定

活性劑進入電弧-熔池區(qū)域的速度和數(shù)量受外層氣體流量的直接影響，這也是PPCA-TIG焊區(qū)別于其他焊接方法的核心參數(shù)。其次由于鋁合金傳熱速度快，導(dǎo)致其對熱輸入變化較敏感，合適的熱輸入也是保證焊接質(zhì)量的重要參數(shù)之一。

2.1.1 外層氣體流量對焊縫成形的影響

圖2為使用SiO2活性劑在不同氣體流量下的焊縫表面成形。隨著氣體流量的增加，焊縫表面變暗，無氣孔咬邊等明顯缺陷。分析認為，隨著外層氣體流量的增加，活性劑粉末進入電弧-熔池區(qū)域的數(shù)量也增加。但由于熱輸入不變，焊縫表面的渣殼隨氣體流量的增加而增多，焊縫表面成形變差。

圖2 外層氣體流量對焊縫成形的影響（SiO2活性劑）Fig.2 Effect of outer gas flow on weld formation（SiO2 active agent）

2.1.2 焊接熱輸入對焊縫成形的影響

焊接熱輸入一般通過焊接電流、焊接速度等參數(shù)聯(lián)合調(diào)控。對活性焊而言，低熱輸入深熔深是其最大優(yōu)點，但是較高的熱輸入會導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)塌陷，影響焊縫質(zhì)量。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱輸入對焊縫成形的影響（SiO2活性劑）Fig.3 Effect of heat input on weld formation（SiO2 active agent）

2.2 工藝參數(shù)對焊縫深寬比的影響

焊縫深寬比是衡量焊縫質(zhì)量的重要參數(shù)之一，焊縫的全熔透也是保證接頭質(zhì)量的關(guān)鍵。通過控制變量法，分別改變焊接電流、焊接速度、弧長、外層氣體流量、粉末粒度等變量，分析PPCA-TIG焊在使用SiO2和MnCl2兩種活性劑的情況下焊縫深寬比隨工藝參數(shù)變化規(guī)律。

2.2.1 焊接電流對焊縫深寬比的影響

對于SiO2活性劑，焊接電流為140～170 A時，焊縫深寬比隨焊接電流先增加后減小，在160 A時達到最大，160 A前熔深的增加幅度始終大于熔寬，160 A時焊透，焊接電流繼續(xù)增大，使得在同樣焊透的情況下，熔寬增加，導(dǎo)致焊縫深寬比下降。對于MnCl2活性劑，焊接電流為140～170 A時，焊縫深寬比隨焊接電流的增加而增加，在170 A時達到最大。SiO2深寬比整體大于MnCl2，試驗結(jié)果與具體數(shù)值如圖4和表1所示。分析認為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是兩種物質(zhì)的標準摩爾生成焓不同。在相同大小的電流下，SiO2比MnCl2更容易發(fā)生分解，從而導(dǎo)致SiO2電弧熱量高于MnCl2電弧，從而更容易使熔寬增加，造成深寬比下降的結(jié)果。

表1 不同焊接電流下的焊縫深寬比Table 1 Ratio of weld depth to width under different welding current

圖4 焊接電流對焊縫深寬比的影響Fig.4 Effect of welding current on weld penetration width ratio

2.2.2 焊接速度對焊縫深寬比的影響

當焊接速度為90～120 mm/min時，隨著焊接速度的增加，焊縫深寬比都呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在100 mm/min時深寬比達到最大，SiO2深寬比整體大于MnCl2。由于鋁合金對熱輸入較敏感，焊接速度較小時，焊縫熔寬顯著增大，使得焊縫深寬比較低；焊接速度較高時，熔深的減小程度大于熔寬的減小程度，焊縫深寬比又有下降。試驗結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 不同焊接速度下的焊縫深寬比Table 2 Weld depth to width ratio at different welding speeds

圖5 焊接速度對焊縫深寬比的影響Fig.5 Effect of welding speed on weld penetration and width ratio

2.2.3 弧長對焊縫深寬比的影響

弧長（2～5 mm區(qū)間）對焊縫深寬比的影響的焊縫深寬比如圖6所示。對于SiO2和MnCl2活性劑而言，焊縫的深寬比隨著弧長的增加而減小，深寬比在弧長為2 mm時達到最大。分析認為，隨著弧長的增大，電弧在母材上熔化金屬的面積也變大，這樣就造成了熔寬變大。另一方面，陰極與陽極之間距離變大，暴露在空氣中的電弧表面積變大，使得陽極表面熱量不夠集中，造成了熔深減小。試驗結(jié)果與具體數(shù)值如圖6和表3所示?？傮w而言，由于SiO2的熔深遠大于MnCl2，因此SiO2的深寬均在MnCl2之上。

表3 不同弧長下的焊縫深寬比Table 3 Ratio of weld depth to width under different arc lengths

2.2.4 外層氣體流量對焊縫深寬比的影響

對于兩種活性劑，當外層氣體流量在6～12 L/min區(qū)間內(nèi)時，隨著外層氣體流量增加，深寬比均呈現(xiàn)出增加的趨勢，當氣體流量為12 L/min時深寬比達到最大。從整體角度來看，SiO2活性劑效果更好。這歸因于外層氣體流量的增加直接導(dǎo)致活性劑的流速增加，活性劑可以更多地進入電弧。同時由于活性劑的解離以及外層氣體的耗熱，電弧發(fā)生了進一步的收縮，導(dǎo)致熔深增大，熔寬減小，即出現(xiàn)深寬比增加的趨勢。試驗結(jié)果與具體數(shù)值如圖7、表4所示。

表4 不同外層氣體流量下的焊縫深寬比Table 4 Ratio of weld depth to width under different outer gas flows

圖7 外層氣體流量對焊縫深寬比的影響Fig.7 Effect of outer gas flow rate on weld penetration width ratio

2.2.5 粉末粒度對焊縫表面成形及焊縫深寬比的影響

對于PPCA-TIG焊來說，粉末粒度的大小也是一項重要的參數(shù)，這對焊縫的表面成形和熔深有一定程度的影響。為了研究活性劑粉末粒度對焊縫成形的影響，本次試驗中使用了兩種粒度的活性劑。結(jié)果表明，活性劑粒度越小，焊縫表面越平整，且無氣孔、咬邊等明顯缺陷，有利于改善焊縫表面成形。但是熔深增加的效果有所減弱。分析認為，隨著粉末粒度增大，活性劑粉末的體積變得更小，單位質(zhì)量也變得更小。在通過送粉器進入電弧后，更多的被外層氣體吹至熔池外，無法很好地進入熔池，導(dǎo)致熔深增加效果變差。試驗結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 PPCA-TIG-SiO2正面及橫截面：（a）100～200目；（b）200～300目Fig.8 Front and cross section of PPCA-TIG-SiO2

圖9 PPCA-TIG-MnCl2 正面及橫截面：（a）100～200目；（b）200～300目Fig.9 Front and cross section of PPCA-TIG- MnCl2

經(jīng)過上述試驗的探索，得到了表5中的工藝參數(shù)，使用SiO2作為活性劑時，PPCA-TIG焊的焊縫表面與背面成形如圖10所示。傳統(tǒng)TIG焊工藝參數(shù)如表6所示，同時在表5和表6的參數(shù)下，將傳統(tǒng)TIG焊、使用SiO2為活性劑的PPCA-TIG焊、使用MnCl2為活性劑的PPCA-TIG焊的焊縫成形與熔深進行對比，如圖11所示?？梢钥闯?，兩種活性劑均能顯著增加熔深，其中使用SiO2為活性劑的PPCATIG焊可以一次性焊透8 mm厚的3003鋁合金，使用MnCl2為活性劑的PPCA-TIG焊焊縫熔深可達到傳統(tǒng)TIG焊的2.4倍，活性劑MnCl2的熔深增加能力弱于活性劑SiO2，活性劑MnCl2焊縫表面成形較活性劑SiO2略好，活性劑SiO2焊縫表面焊渣較多，而活性劑MnCl2焊縫表面幾乎無焊渣。

表5 PPCA-TIG焊基本工藝參數(shù)Table 5 Process Parameters of PPCA-TIG Welding

表6 TIG焊工藝參數(shù)Table 6 Parameters of TIG Welding

圖10 PPCA-TIG-SiO2：（a）焊縫正面；（b）焊縫背面Fig.10 PPCA-TIG-SiO2

圖11 焊縫正面及焊縫橫截面：（a）TIG焊；（b）PPCA-TIGSiO2焊；（c）PPCA-TIG-MnCl2焊Fig.11 Front and cross section of weld

3 結(jié)論

基于PPCA-TIG焊對3003鋁合金進行了工藝試驗，在基本的工藝參數(shù)下，針對不同工藝參數(shù)對焊縫成形的影響進行分析，并得出以下結(jié)論：

（1）當焊接電流160 A，焊接速度100 mm/min，弧長3 mm，內(nèi)層氣流流量12 L/min，外層氣體流量8 L/min，電機轉(zhuǎn)速為30 r/min時，粉末粒度為100～200目時，PPCA-TIG-SiO2焊可一次性焊透8 mm厚的3003鋁合金，PPCA-TIG-MnCl2焊熔深增加為單一TIG焊的2.4倍，且焊縫表面成形良好。

（2）基于控制變量法研究了焊接電流、焊接速度、弧長、外層氣體流量對焊縫深寬比的影響規(guī)律，活性劑為SiO2時，PPCA-TIG焊在160 A下將獲得最大深寬比?；钚詣镸nCl2時，PPCA-TIG焊則在170 A下獲得最大深寬比。兩種活性劑均在焊接速度為100 mm/min，弧長為2 mm，外層氣流流量為12 L/min下得到了最大深寬比，SiO2整體效果優(yōu)于MnCl2。此外發(fā)現(xiàn)，采用粉末粒度更大的活性劑可改善焊縫表面成形，但熔深增加將減小。