鋁合金MIG焊接工藝研究及應(yīng)用

序 言

　　高強(qiáng)鋁合金具有很高的室溫強(qiáng)度及良好的高溫和超低溫性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天及其它運(yùn)載工具的結(jié)構(gòu)材料，如：運(yùn)載火箭的液體燃料箱、超音速飛機(jī)和汽車的結(jié)構(gòu)件以及輕型戰(zhàn)車的裝甲等。目前常用于鋁合金連接的主要焊接方法有：交流鎢極氬弧焊（TIG）和直流反極性熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）。TIG焊由于采用交流電，鎢極燒損嚴(yán)重，限制了所使用的焊接電流，而且此法熔深能力弱，因此只適用于薄件鋁合金的焊接。MIG焊包括連續(xù)電流焊接和脈沖電流焊接。MIG焊時(shí)，焊絲做為陽(yáng)極，可采用比TIG焊更大的焊接電流，電弧功率大，焊接效率高，故特別適合于中厚板鋁合金的焊接。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在鋁合金MIG焊時(shí)，脈沖電流焊接優(yōu)于連續(xù)電流焊接，它提高了鋁合金焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和疲勞壽命。為進(jìn)一步提高電弧的穩(wěn)定性、改善焊縫成形和增加熔深以及厚板鋁合金的高效焊接，近幾年國(guó)外發(fā)展了單絲復(fù)合脈沖MIG焊和雙絲Tandem MIG焊方法，本文針對(duì)30mm厚的7A52中厚板高強(qiáng)鋁合金，進(jìn)行了單絲單脈沖、復(fù)合脈沖和雙絲Tandem MIG焊工藝的研究,并應(yīng)用于生產(chǎn)中。

1 Tandem雙絲焊和單絲復(fù)合脈沖MIG焊原理

　　Tandem雙絲焊是將兩根焊絲按一定角度放在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的焊槍里，兩根焊絲分別由各自獨(dú)立的電源供電。除送絲速度可以不同外，其它參數(shù)，如：焊絲的材質(zhì)、直徑、是否加脈沖等都可彼此獨(dú)立設(shè)定，從而保證了電弧工作在最佳狀態(tài)。與其它雙絲焊技術(shù)相比，由于兩根焊絲的電弧是在同一熔池中燃燒，提高了總的焊接電流，因此提高了熔敷效率和焊接速度。同時(shí)由于兩根焊絲交替送進(jìn)同一熔池，對(duì)熔池具有攪拌作用，而降低了氣孔敏感性，改善了焊縫質(zhì)量。

圖1是Tandem雙絲焊的原理圖。

圖1

圖2 Tandem焊接的脈沖波形的幾種不同類型：

圖2

A）同頻率同相位的（適合焊接鋼）
B）同頻率相位差180度（適合焊接鋁）
C）不同頻率相位任意（適合焊接鋼）

單絲復(fù)合脈沖焊接工藝是采用一個(gè)低頻的協(xié)調(diào)脈沖對(duì)另一個(gè)高頻脈沖的峰值和時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，使脈沖的強(qiáng)度在強(qiáng)、弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強(qiáng)弱脈沖群，其電壓波形如圖3所示。調(diào)制后的焊接電流使作用于熔池中的電弧壓力發(fā)生變化，不僅可以提高焊縫的熔深，獲得均勻美觀的魚鱗紋焊縫，而且還可以增強(qiáng)對(duì)熔池的沖擊振動(dòng)，減少和消除焊縫氣孔。

圖3

2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的母材為7A52高強(qiáng)鋁合金，試板尺寸為300×150×30mm，平板對(duì)接，坡口形式為X形，角度為70°。焊接設(shè)備采用德國(guó)CLOOS公司生產(chǎn)的GLC553MC3單絲和TANDEM雙絲MIG焊機(jī)，焊絲為ER5A56，直徑φ=1.6mm，保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。焊接前先用丙酮去除坡口兩側(cè)的油污，后用不銹鋼鋼絲刷清刷坡口。首先采用單絲焊機(jī)進(jìn)行單脈沖和復(fù)合脈沖兩種工藝的焊接實(shí)驗(yàn)，然后采用雙絲焊設(shè)備進(jìn)行雙絲焊的工藝實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加擺動(dòng)和激光跟蹤。焊接工藝參數(shù)如表2所示。單絲焊時(shí)正、反面各焊6道，雙絲焊時(shí)正、反面各焊2道，層間溫度≤100℃。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分(%)

表2 焊接工藝參數(shù)

表3鋁合金tandem脈沖MIG焊工藝 

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合脈沖焊接的焊縫組織晶粒相對(duì)細(xì)小，并且晶界和枝晶間分布的共晶組織呈球狀或細(xì)小的薄膜狀均勻分布。相比之下，單脈沖焊接的焊縫組織晶粒相對(duì)較大，沿晶界和枝晶間分布的共晶組織連續(xù)性增加，這將影響焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性。復(fù)合脈沖焊接引起焊縫組織進(jìn)一步細(xì)化，是由于峰值電流周期性變化引起電弧壓力也發(fā)生周期性變化，造成熔池液體的振動(dòng)，使熔池液體發(fā)生攪拌作用的結(jié)果。在單脈沖焊接時(shí)，由于脈沖的峰值電流不變，且脈沖頻率很高，因此電弧壓力變化很小，熔池表面液體振動(dòng)的振幅也很小，熔池的攪拌作用很弱。復(fù)合脈沖焊接時(shí)，由于疊加了一個(gè)低頻的協(xié)調(diào)脈沖，使脈沖的峰值電流按照低頻脈沖的頻率不斷發(fā)生變化，相應(yīng)地電弧壓力也隨之發(fā)生很大的變化。當(dāng)峰值電流高時(shí)，電弧壓力大，熔池表面的液體呈凹狀；當(dāng)峰值電流低時(shí)，電弧壓力小，熔池表面的液體呈凸?fàn)�，從而�?dǎo)致熔池表面液體的上、下振動(dòng)，引起熔池液體的攪拌作用。熔池液體的攪拌作用一方面增加了熔池內(nèi)原有的對(duì)流，增大了液體流動(dòng)，降低了溫度梯度，擴(kuò)大了固液界面前沿的成分過(guò)冷區(qū)域；另一方面可使部分熔化的晶粒脫離熔池側(cè)壁進(jìn)入熔池，增加了形核核心。此外，由復(fù)合脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流可把從熔池側(cè)壁脫離的晶粒以及熔池中析出的形核質(zhì)點(diǎn)，如TiAl3、ZrAl3等帶到固液界面前沿的成分過(guò)冷區(qū)中，促進(jìn)了α(Al)的非均質(zhì)形核，因此細(xì)化了焊縫組織。上述組織變化是由雙絲焊工藝特點(diǎn)決定的。(1) 雙絲焊時(shí)兩根焊絲前后并列排列，使熔池體積增加，高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，冷卻速度變慢；（2）雙絲焊總的熱輸入稍高于單絲焊（單絲焊和雙絲焊的熱輸入分別為8KJ/cm和12KJ/cm），熔池中的液態(tài)金屬并不過(guò)熱，合金元素的燒損不多；（3）由于第二脈沖和后絲電弧的攪拌作用，使氣孔傾向明顯降低。

從表4可以看到，復(fù)合脈沖焊接的焊縫具有最高的強(qiáng)度和塑性，焊縫金屬的連接系數(shù)接近70%，單脈沖焊接的焊縫次之，而雙絲焊的焊縫強(qiáng)度和塑性最低，這與它們對(duì)應(yīng)的焊縫組織形貌是一致的。復(fù)合脈沖焊接的焊縫組織最為細(xì)小，并且晶界共晶相呈球狀和細(xì)小的薄膜狀均勻分布，因此焊縫的強(qiáng)度最高，塑性最好。而雙絲焊由于總的熱輸入并不很大，雖然得到了粗大的等軸枝晶組織，并且沿晶界分布的共晶相的數(shù)量明顯多于單絲焊，但強(qiáng)度和塑性稍有降低。單脈沖焊接比復(fù)合脈沖焊接的焊縫組織粗大，但明顯細(xì)于雙絲焊，所以強(qiáng)度、塑性明顯好于雙絲焊，略低于復(fù)合脈沖焊接的焊縫。從本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，雖然雙絲焊的焊縫金屬?gòu)?qiáng)度和塑性有所降低，但由于雙絲焊時(shí)兩根焊絲在同一熔池中燃燒，提高了總的焊接電流，使焊接的熔敷效率遠(yuǎn)高于單絲焊，完全能夠滿足焊接接頭性能的要求，特別適用于中厚板鋁合金的焊接。

表4 焊接接頭和母材金屬的拉伸性能

4 結(jié)論

(1) 單絲復(fù)合脈沖焊接時(shí)，蜂值電流周期性變化引起的熔池液體強(qiáng)烈的攪拌作用，細(xì)化了焊縫組織，提高了焊縫的強(qiáng)度和塑性。

(2)      雙絲MIG焊接效率遠(yuǎn)高于單絲焊，焊縫性能滿足要求，特別適合于中厚板鋁合金焊接。

(3)      生產(chǎn)應(yīng)用證明單絲復(fù)合脈沖MIG焊接和TANDEM雙絲MIG焊接是焊接鋁合金的理想方法。