铝合金VPPA

GXF360 2017-08-22

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铝合金VPPA-MIG复合焊接电弧形态及伏安特性

洪海涛，　韩永全，　童嘉晖，　庞世刚

(内蒙古工业大学材料成型重点实验室，呼和浩特　010051)

摘　要：试验使用VPPA-MIG复合焊方法对铝合金进行对接试验. 通过高速摄像和数据采集系统获取复合电弧形态和伏安特性. 结果表明,由于磁场间的耦合作用，在VPPA正极性阶段电弧相互排斥，反极性阶段相互吸引，采取外加横向交变磁场，电弧摆动幅度明显减小. 由于MIG焊电弧的存在，等离子电弧伏安特性发生了改变. 弧柱气氛更容易电离，使得等离子电弧电压下降. 等离子电流较小时，电弧电压随MIG焊电流的增加而降低；等离子电流较大时，随着MIG焊电流进一步增加，电弧电压降低程度有所减少. 试验结果为实现厚板铝合金高效焊接及其电弧耦合机理研究提供理论依据.

关键词：变极性等离子弧-熔化极气体保护复合焊接；电弧形态；伏安特性；铝合金

中图分类号：TG456.2

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)09-0065-05

0　序　　言

铝合金具有比强度高、抗腐蚀性能好等优点,在现代工业中的应用越来越广泛. VPPA-MIG(变极性等离子弧-熔化极气体保护)复合焊接发挥了MIG焊生产效率高，工艺参数选择区间宽以及VPPA焊接能量密度高，电弧挺度大、穿透深度大的优点[1]，弥补单MIG焊熔深浅、单VPPA焊只能采用立焊且工艺稳定性区间窄的不足，能够降低对工件总的热输入量，减小焊接变形，从而可以实现铝合金高效高质量焊接.

同轴式等离子-MIG焊工艺最早于20世纪70年代由荷兰PHILIPS公司研发中心Essers和Liefken等人[2]提出. 与常规熔化极气体保护焊相比，焊丝、熔滴以及电弧都包围在等离子弧内部. 具有熔敷效率高、飞溅小等优点[3,4]，适合于中等厚度板材的焊接以及薄板的高速焊. Hertel等人[5]模拟了等离子-MIG电弧、熔滴过渡和熔池流动. Oliveira等人[6]建立了等离子-MIG复合焊电学模型. Asai等人[7]将等离子-MIG应用于铜和钢异种材料焊接. 哈尔滨工业大学白岩、高洪明等人[8,9]研究了复合焊接参数对气孔的影响并建立仿真模型. 杨涛等人[10]推导出复合电弧焊接增量型PID控制算法,实现了对复合电弧焊接过程控制并且该算法能够满足对电源外特性的要求. 路浩[11]研究了复合焊接电流对熔滴过渡类型的影响. 北京工业大学陈树君等人[12]研究了复合焊在不同焊接参数下最佳熔滴过渡方式以及复合焊接电弧耦合关系. 沈阳工业大学张义顺等人[13]设计制作了Plasma-MIG焊接PLC控制系统和焊枪. 田云等人[14]研究焊接电流变化对铝合金焊缝成形和组织的影响.

由于上述研究均采用同轴式Plasma-MIG复合焊枪，即MIG导电嘴位于作为等离子电极碳环内部，等离子压缩喷嘴尺寸较大，不利于产生能量密度高的等离子弧. 此外文献中研究的对象多为碳钢，使用的设备均为直流等离子电源. 为了降低等离子电弧和MIG电弧之间的相互耦合作用，将枪体结构改为旁轴式，使得等离子压缩喷嘴尺寸较小，能够更好的压缩电弧，使电弧能量分布集中，有利于深熔焊的实现. 另外使用具有阴极清理作用的变极性等离子焊接电源，能够有效去除致密氧化膜，特别适用于铝合金的焊接.

试验通过高速摄像和数据采集系统研究VPPA-MIG复合焊电弧形态以及MIG焊电弧对等离子电弧伏安特性的影响.

1　试验方法

VPPA-MIG复合焊接系统由VPPA电源、Fronius TPS5000脉冲焊机、PLT复合焊枪和Kuka机器人组成. 电弧特性采集分析系统由Red Lake Y4高速摄像和NI PXIe-1062Q高速数据采集卡组成，系统框图如图1所示.

图1　VPPA-MIG焊接电弧特性分析系统

Fig.1　Arc characteristics of VPPA-MIG analysis system

采用10 mm 3003铝合金作为母材进行焊接试验. 试验参数如表1所示,5183焊丝直径1.2 mm,钨极直径3.2 mm，内缩量2.8 mm，等离子压缩喷嘴3.2 mm；焊枪端部至工件距离4 mm；焊接速度500 mm/min;离子气体流量2 L/min, MIG焊保护气体流量12 L/min,总体保护气体流量21 L/min,均为氩气.

表1　试验参数

Table 1　Welding parameters

组别正极性电流IDCEN/A反极性电流IDCEP/AMIG焊电流IMIG/AMIG焊电压UMIG/V112016822023.8290-27022.6390*-00490*-16015.3590*-19017690*-22023.878012020022.8

*注:等离子电流100 A,110 A,120 A,130 A,140 A,150 A分别与MIG电流0 A,160 A,190 A,220 A组成试验参数

2　VPPA-MIG复合电弧形态

试验采用高速摄像对VPPA-MIG复合电弧形态进行采集，如图2所示. 试验参数见表1第1组，其中高速摄像采样频率为2 000 幅/s，曝光时间498 μs，镜头前加装中灰镜组，避免强弧光损坏相机感光元件. 从图2中可以看出，当等离子电弧处于DCEN阶段(正极性阶段)时，VPPA电弧和MIG电弧相互排斥；DCEP阶段(反极性阶段)时，两电弧相互吸引. 当等离子电弧处于正极性阶段时，钨极作为阴极容易发射电子，使得等离子电弧比较集中,加热半径较小. 当处于反极性阶段时，阴极为铝合金试件，由于氧化膜的电子逸出功较低，阴极斑点在氧化膜间跳动，使得电弧相对发散并且加热半径变大[15,16].

图2　VPPA-MIG复合电弧形态

Fig.2　Arc shapes of VPPA-MIG

电弧的本质是气体放电，会在电弧弧柱周围感应出磁场. 复合电弧在不同阶段的磁感线分布如图3，图4所示. 由于MIG焊的电流方向保持不变，使得电弧磁场产生的磁感线方向不变. VPPA电弧周期性的改变电流方向，使得磁感线方向也随之变化.

图3　DCEN时复合电弧磁感线分布

Fig.3　Magnetic induction lines distribution of hybrid arc when DCEN

图4　DCEP时复合电弧磁感线分布

Fig.4　Magnetic induction lines distribution of hybrid arc when DCEP

由于电弧磁感线在空间中不均匀分布，很难按照左手定则判断其所受安培力的方向. 根据磁感线在其长度的垂直方向上要尽量膨胀这一性质，安培力的方向从磁感线密度高的区域指向磁感线密度低的区域. 由于弧柱是可以自由变形的柔性导体，在安培力的作用下电弧会偏离其轴向位置. 在正极性阶段，VPPA和MIG电弧产生的磁感线方向均垂直于纸面向外，使得在耦合区域磁感线密度增高，产生的安培力方向指向复合电弧两侧，宏观表现为电弧相互排斥. 在反极性阶段，由于VPPA电流方向改变，在耦合区域产生的磁感线方向垂直于纸面向内，使得磁感线密度降低，产生的安培力方向指向电弧中心，两电弧相互吸引. 由于压缩的VPPA电弧挺度较大，与MIG电弧相比，其受安培力偏离电极轴线幅度较小.

由于电弧自身产生的电磁耦合作用，导致电弧摆动剧烈，严重干扰电弧稳定性，使得能量不能有效集中的作用于熔池，产生大量飞溅. 通过在焊枪喷嘴处外加磁头，在耦合区域产生与电弧自身磁感线方向相反的横向交变磁场，补偿因磁感线密度变化产生的附加安培力，电弧稳定性得到了提高. 图5所示为增加外部磁场后的复合电弧形态，电弧摆动程度得到明显抑制.

图5　增加外部磁场后的复合电弧形态

Fig.5　Hybrid arc shapes after applied outer magnetic

电弧在焊接方向上周期性小幅度摆动，迫使熔池金属流动，对熔池起到一定的搅拌作用，使晶粒得到细化，熔池中气体更容易溢出，改善焊缝力学性能. 同时熔滴在焊接方向上受到周期横向磁场作用，可以缓解因较高焊接速度产生的咬边倾向，使得焊缝成形较为光滑.

3　VPPA-MIG复合电弧伏安特性

对于VPPA-MIG复合焊接方法，由于两电弧集中作用在有限空间内，使得其伏安特性不同于单一电弧. 图6为等离子电弧电流电压波形. 试验参数为表1第2组. 从0 s时刻起两电弧同时存在，2.5 s后关闭MIG电源，观察MIG电弧对等离子电弧的影响. 从图6中可以看出，加入MIG电弧后，等离子电弧电压下降，焊接电流上升.

电弧中的电子和阳离子不仅沿电场力的方向移动，同时还做不规则的热运动向弧柱外围扩散. 电子与外围中性粒子多次碰撞形成阴离子，使弧柱区阳离子受到阴离子吸引向外移动发生复合. 为了保持电弧气氛的热平衡，弧柱中心热电离水平会相应增加，在稳定状态下通过改变电源输出功率来补偿这部分的热损失. 由于MIG电弧的存在，等离子弧柱外围温度相应升高，降低了阳离子和阴离子复合的趋势，导致弧柱中心热电离水平降低，电源补偿相应减少. 对试验采集到的数据进行统计分析，得到MIG电弧的加入使得等离子电流上升33 %，电压下降40 %，电源补偿水平总体降低.

图6　等离子电弧电流电压波形

Fig.6　Current and voltage waveforms of PAW

在MIG焊接中，熔化的电极材料向母材过渡熔滴，部分蒸发的金属进入弧柱后，改变了电弧的导电气氛，从而使得等离子电弧特性发生变化. 根据SAHA提出的单气体存在时的热电离公式[17],即

(1)

式中:ne为电子密度;nn为中性粒子密度;Vi为电离电位;T为弧柱温度. 在弧柱气氛中，各种粒子处于热平衡状态，具有相同的平均温度. 金属原子与惰性气体相比电离电位低，根据式(1)，蒸发产生的金属原子更容易电离. 在混合气体中，电离产生的所有电子共用，并与正负两种粒子相平衡，使电离电位低的气体比同一总压下单气体存在时的电离更强一些，电离电位高的气体要更弱一些. 在等离子-MIG复合焊接中，弧柱气氛中同时存在金属粒子和惰性气体粒子，与单独等离子焊接相比，金属粒子电离相比更加容易. 为保持和原来相同的电离度，惰性气体原子电离数量减少，电位梯度降低，等离子电弧电压降低. 由于等离子电源的输出为陡降外特性，电弧电压降低导致焊接电流升高.

将采集到的等离子电弧电压信号取平均值，得到MIG电流对等离子电弧电压的影响，如图7所示. 试验参数为表1第3～6组. 从图7中可以看出，MIG焊电流不变时，电弧电压随等离子电流的增加而增加. 等离子电流较小时，电弧电压随MIG焊电流的增加而降低；等离子电流较大时，随着MIG焊电流进一步增加，电弧电压降低程度有所减少.

图7　MIG电流对等离子电弧电压的影响

Fig.7　Influence of PAW arc voltage to MIG current

等离子电流较小时，随着MIG焊电流的增加，混入弧柱中的金属蒸气增多，金属原子电离数量增加，导致电位梯度下降. 随着等离子电流进一步增大，等离子电弧受到强烈电磁压缩效应作用，电流密度增大. 当弧柱中阳离子密度增大到一定程度时，离子碰撞截面增加，弧柱导电率达到饱和后反而下降，由于金属原子电离所起的作用有限，因此电位梯度降低程度有所减少.

单独MIG焊由于电弧未经压缩，加热面积大且能量密度和电弧穿透力有限，常需多层多道才能实现厚板铝合金的焊接. VPPA-MIG复合焊可以弥补单MIG焊熔深浅的不足. 选用10 mm 3003铝合金作为母材进行对焊试验，焊缝宏观形貌如图8所示.

图8　复合焊接焊缝宏观形貌

Fig.8　Hybrid welding macro appearance

焊接参数根据上述VPPA-MIG复合电弧伏安特性规律选择：等离子正极性电流120 A，反极性电流168 A，正反极性时间比20∶4，MIG焊电流300 A；离子气体流量3.5 L/min，MIG焊保护气体流量16 L/min，总体保护气体流量30 L/min；焊接速度600 mm/min，喷嘴与工件距离10 mm，板间距2 mm，背面加垫板. 从图8中可以看出，焊缝成形良好，在加入等离子电弧后，焊缝更容易产生较大的熔深. 等离子电弧挺度大且能量集中，在熔池前端先形成匙孔. MIG焊电弧弧柱相对发散且熔敷效率高，在熔池后端充分填充匙孔. 由于焊缝成形受到熔滴过渡等诸多因素的影响，需要进一步研究复合焊成形机理，以提高厚板铝合金焊接接头性能.

4　结　　论

(1) 由于磁场间的相互耦合作用，电弧在焊接方向上周期性摆动. 等离子电弧正极性阶段两电弧相互排斥，反极性阶段相互吸引. 通过在焊枪喷嘴处外加磁头，在耦合区域产生与电弧自身磁感线方向相反的横向交变磁场，补偿因磁感线密度变化产生的附加安培力，使得电弧摆动幅度明显减小.

(2) 加入MIG电弧后，等离子电弧电压下降，电流上升. 等离子电流较小时，电弧电压随MIG焊电流的增加而降低；等离子电流较大时，随着MIG焊电流进一步增加，电弧电压降低程度有所减少. 上述发现对复合焊接参数的选择及其热源能量的控制提供理论依据.

(3) 实现了10 mm 3003铝合金VPPA-MIG复合焊接工艺. 焊接参数为等离子正极性电流120 A，反极性电流168 A，正反极性时间比20∶4，MIG焊电流300 A；离子气体流量3.5 L/min，MIG焊保护气体流量16 L/min，总体保护气体流量30 L/min；焊接速度600 mm/min. 焊缝成形良好，在加入等离子电弧后，焊缝更容易产生较大的熔深.

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