2219-T87高強鋁合金HPVP-GTAW焊縫成形參數

李玉龍 從保強 楊明軒 齊鉑金

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

2219高強鋁合金因其良好的物理和化學性能，作為常用結構材料廣泛應用于航空航天領域.與常規連續電流焊相比，采用高頻脈沖電流進行高強鋁合金焊接，可顯著減小焊縫晶粒尺寸，提高接頭力學性能[1－3].其中，脈沖電流參數如脈沖頻率、占空比、峰值電流等，對焊縫組織及性能會產生顯著影響，合理地調節電流參數將有利于提高接頭質量[4].

實際焊接生產中，焊縫成形是評判焊縫質量的基本要素，直接反映出焊接工藝參數匹配的合理性.焊縫的熔透成形參數將影響其顯微組織分布，進而對接頭性能產生重要影響，有效地控制焊縫成形，將有利于獲得組織均勻、力學性能高的接頭.為此，研究并掌握脈沖電流參數對2219-T87高強鋁合金復合超高頻脈沖方波變極性鎢極氬弧焊(HPVP-GTAW，Hybrid ultrahigh frequency Pulse Variable Polarity Gas Tungsten Arc Welding)焊縫成形的影響規律，可為優化匹配焊接工藝參數、提高鋁合金脈沖焊接質量提供依據，研究結果將具有重要的理論價值及工程意義.

1 試驗方法

試驗采用平板堆焊工藝，焊接試件選用厚度為4.5 mm的2219-T87鋁合金板材，試件規格為120 mm×60 mm.焊前經砂紙打磨后用化學清理方法(首先10%NaOH堿洗，然后采用35%HNO3溶液酸洗)，去除表面氧化膜.填充焊絲選用φ2.4 mm的ER2319，用砂紙打磨去除氧化膜.

試驗用復合超高頻脈沖變極性方波電流波形如圖1所示.在正極性電流持續時間TEN內，疊加高頻脈沖方波電流，單個周期內，脈沖基值電流Ib和脈沖峰值電流Ip的持續時間分別為tb和tp.脈沖頻率fH=1/(tb+tp)，脈沖占空比δ=tp/(tb+tp).

圖1 復合超高頻脈沖變極性電流波形

試驗研究2219-T87鋁合金HPVP-GTAW焊縫成形參數，旨在分析脈沖電流參數對2219-T87焊縫成形參數的影響.研究表明，在一定范圍內增加脈沖電流幅值，提高脈沖頻率，可增強焊縫組織細化作用，提高接頭力學性能[5].為此設計了表1所示的工藝參數，參數包括:脈沖電流頻率、峰值電流與基值電流的比值及脈沖占空比:

1)脈沖頻率fH:0～80 kHz選5個水平，并與常規VP-GTAW工藝對比，如表1中1～6號試驗;

2)脈沖峰值電流與基值電流的比值Ip/Ib:試驗在增加脈沖電流幅值的同時，減小與之匹配的基值電流，以脈沖峰值電流與基值電流的比值為對象，在不同脈沖頻率條件下改變Ip/Ib，對應表1中7～14號試驗;在不同占空比條件下改變Ip/Ib值試驗，對應表1中11～23號試驗.

表1 試驗主要焊接電流參數

為盡量減小熱輸入差異對焊縫成形的影響，保證負極性電流均為160 A，正極性平均電流Iavg在較小的范圍內波動(Iavg=95A±5A)，其計算公式如式(1):

其他參數分別為:變極性頻率100 Hz，正負極性導通比4∶1，焊接速度180 mm/min，送絲速度200 mm/min，保護氣流量15 L/min，弧長 3 mm，鎢極WC20的直徑為φ2.4 mm.

圖2為焊縫的熔深及熔寬測量方法示意圖.垂直于焊縫方向切割制備金相試樣，采用Keller試劑(HNO3:2.5 mL;HCl:1.5 mL;HF:l mL;H2O:95 mL)侵蝕試樣，使用OLYMPUS BX51M型金相顯微鏡觀察焊縫，測量焊縫的熔深H和熔寬B，進而計算焊縫深寬比R(R=H/B×100%)，即研究脈沖電流對2219-T87高強鋁合金焊縫的H，B，R 3個成形參數的影響.

圖2 焊縫熔深、熔寬測量示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 脈沖頻率對焊縫成形的影響

焊縫熔深、熔寬及深寬比隨fH的變化趨勢如圖3所示，圖4為部分焊縫橫截面金相圖.由圖3a可知，隨著脈沖頻率的增加，焊縫的熔深、熔寬變化趨勢基本一致.隨著fH從0～60 kHz變化，熔深及熔寬均呈平緩的上升趨勢;當fH=60kHz時，熔深和熔寬均達到最大值Hmax=2.4 mm，Bmax=7.39 mm，其中熔深漲幅相比更大，最大熔深是常規VP-GTAW焊縫的2倍以上(圖4);脈沖頻率繼續增加到80 kHz，熔深、熔寬有所下降.

圖3b可明顯看出，未加入脈沖電流的1號試樣焊縫深寬比R僅為20.2%;采用脈沖電流焊接，2～6號試樣焊縫的深寬比均有顯著提高.焊縫深寬比隨fH的變化趨勢與熔深保持一致.隨著fH從0增加到60 kHz，R由20.2%平緩增大到最大值32.5%，增長幅度超過60%;繼續提高fH至80 kHz，深寬比下降到較小值24.7%，與常規VPGTAW焊縫相比，仍提高了22%.

圖3 脈沖電流頻率對焊縫成形的影響

圖4 部分焊縫橫截面金相圖

2.2 Ip/Ib對焊縫成形的影響

圖5a、圖5b分別為fH=40kHz，60 kHz條件下焊縫熔深、深寬比隨Ip/Ib值變化的趨勢圖.由圖5a可知，隨著Ip/Ib的提高，兩脈沖頻率條件下焊縫熔深整體上均呈增長趨勢:fH=60 kHz時，焊縫熔深由1.24 mm(Ip/Ib=1.24)近似線性增大到最大值2.4 mm(Ip/Ib=2.17)，之后回落到2.06mm(Ip/Ib=3.22);當fH=40kHz時，隨著Ip/Ib從1.24提高到3.22，焊縫熔深由最小值1.32mm(Ip/Ib=1.53)波動增大到最大值1.99mm.

圖5b深寬比的變化曲線同樣顯示，隨著Ip/Ib的提高，兩脈沖頻率下焊縫深寬比整體提高.當fH=60 kHz，Ip/Ib≤1.92 時，焊縫深寬比變化范圍較小;當 Ip/Ib從 1.92增大到 2.17，深寬比出現大幅提高，并達到最大值32.5%;繼續提高Ip/Ib，深寬比基本保持不變，最大深寬比比Ip/Ib=1.24對應的焊縫提高40%.而fH=40 kHz時焊縫深寬比隨Ip/Ib的變化關系與fH=60 kHz時類似，當Ip/Ib在1.53～1.92變化時，深寬比出現一定幅度的提高，Ip/Ib=2.17對應的最大深寬比29.7%比Ip/Ib=1.24時僅提高不足20%.

在相同的占空比和平均電流條件下，欲提高Ip/Ib的比值，則需要增加脈沖幅值電流，同時減小基值電流，此時在正極性電流持續期間疊加的超高頻脈沖電流顯著增加.圖5所示提高Ip/Ib值，焊縫熔深和深寬比均呈現增長趨勢，表征在正極性電流持續期間增大脈沖電流，減小基值電流，將有利于提高焊縫深寬比.

在δ=20%，50%，80%條件下，隨著Ip/Ib的增大，焊縫深寬比的變化關系如圖6所示，部分焊縫橫截面的金相圖如圖7所示.從整體變化趨勢可知，各占空比水平下焊縫的深寬比均隨Ip/Ib的增大而出現不同程度的提高.

圖5 不同脈沖頻率下Ip/Ib對焊縫成形的影響

圖6 不同占空比下Ip/Ib對焊縫成形的影響

圖7 不同Ip/Ib對應的部分焊縫橫截面金相圖

此外，當Ip/Ib處于1.2附近時，δ=80%對應的焊縫深寬比最低，不足20%;其他兩占空比對應的焊縫深寬比相對較高，達到25%.當Ip/Ib＞1.6，δ=20%對應焊縫的深寬比顯著增加，與Ip/Ib=1.24時相比至少提高了67%;而δ為50%和80%下獲得的焊縫，盡管深寬比略有增大，但是相對δ=20%的焊縫增加較小，最大僅提高30%左右.顯然，δ=20%獲得的焊縫深寬比水平遠高于其他兩占空比對應的焊縫，δ=50%次之，δ=80%最小.圖6中3條箭頭的指向表明，減小占空比，提高脈沖電流比例，可以有效改提高焊縫熔透性，獲得更大的焊縫深寬比.

2.3 分析與討論

焊接電弧作用于工件表面的電弧力包括電磁力、等離子流力和斑點壓力等，電磁力和等離子流力是電弧力的主要組成部分，且等離子流力占據80%以上，等離子流力對工件表面的作用更為顯著[6－7].電磁力的徑向分量(垂直于電弧軸向)主要造成電弧形態的變化，壓縮電弧至穩定狀態;電磁力的軸向分量與等離子流力的軸向分量共同作用于熔池表面，造成熔池中心的沉降，引起焊縫熔深的變化，其中等離子流力的軸向分量作用效應相比更強.

HPVP-GTAW焊接過程中，正極性電流持續期間疊加高頻脈沖電流后，當電流由基值向峰值狀態躍變時，由于電弧等離子體尺寸是漸變的，脈沖電流沿的快速變化(di/dt≥50 A/μs)將引起電弧電流密度的急劇增加，導致電弧的電磁收縮力增強;另外，變化的電場產生磁場，電流躍變時會產生自磁壓縮附加壓力[8].兩者共同作用使HPVP-GTAW電弧的電磁力與常規電弧相比出現顯著提高[9].此外，在一定范圍內提高脈沖頻率，將增大電弧自磁壓縮附加壓力;增加脈沖峰值電流與基值電流的比值，電流躍變時電流密度的增加幅度越大，將導致電弧電磁力增強越顯著.

由上述分析可知，HPVP-GTAW電弧的電磁力顯著提高，電磁力的徑向分量相應提高，導致電弧收縮效應加劇，電弧在工件表面的作用面積減小;同時，隨著電弧收縮效應增強，等離子流力的軸向分量得到提高，造成熔池中心沉降深度增加，熱源下移，焊縫熔深相應提高.綜上分析，高頻脈沖電流的加入，使電弧力顯著提高，電弧沿徑向壓縮加劇[10]，使電弧能量密度及挺度提高，穿透性增強，引起焊縫熔深和深寬比的顯著增加;合理地調節脈沖電流參數，可有效改善焊縫熔透性，這與2.1節和2.2節所得到的試驗結果是吻合的.

3 結論

1)與常規VP-GTAW工藝相比，采用HPVPGTAW工藝焊接2219-T87高強鋁合金，有利于提高焊縫熔深及深寬比;

2)保證正極性期間平均電流基本不變，焊縫熔深、深寬比隨著脈沖電流頻率的增加整體提高，當脈沖頻率達到60 kHz時，深寬比與常規VPGTAW工藝相比增加了60%;

3)增大脈沖峰值電流與基值電流的比值，有利于提高焊縫深寬比;占空比20%條件下深寬比隨比值的提高增幅最明顯，至少提高了67%.

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