等離子-MIG焊在有色金屬焊接中的應用研究現狀及展望

胡子鑫，曾敏，袁松，王卓然

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

隨著有色金屬在航天航空、交通運輸、核電、化工、海洋工程等領域需求量的提升[1—3]，有色金屬焊接技術作為有色金屬加工的重要方法之一，也得到了廣泛的關注。電弧焊接、高能束焊接、復合焊接等是有色金屬焊接的常用方法[4]。電弧焊中TIG焊、MIG焊目前廣泛應用于鋁鎂等各類有色金屬構件的焊接。TIG焊的電弧穩定、焊接質量高，但焊接速度過慢、焊接效率低；MIG焊金屬填充能力強、焊接速度快、焊接生產率高，焊接熱影響區大，焊縫的熔寬和變形較大[5—8]。高能束焊接方法的能量集中、熱輸入量大，更加適用于深熔焊接。在高能量束焊接方法之中，激光焊、電子束焊、等離子弧焊廣泛應用于有色金屬焊接。激光焊設備柔性大、成形精度高，但能量利用率較低，對工件接頭的裝配精度要求高；電子束焊接速度快、焊接質量高，但設備昂貴，焊件形狀尺寸受腔體的限制，難以實現大規模生產[9—11]；等離子弧焊成本較低、焊接生產率高，但焊槍結構復雜，使用范圍較窄。單一電弧焊接、高能束焊接方法都有各自顯著的優缺點，復合焊接方法能充分發揮各自焊接方法的優勢，揚長避短。等離子-MIG焊結合了 MIG焊填充金屬能力強和等離子弧焊能量集中、焊接速度快的優勢，克服了MIG焊焊縫熔寬大、易變形以及等離子焊焊接范圍窄的缺點，真正達到了“1+1>2”的效果[12—14]。目前，等離子-MIG焊已經在有色金屬焊接中取得了一定的研究進展和應用。

文中將對等離子-MIG焊的工作原理及特點、等離子-MIG焊在有色金屬領域的應用研究現狀及研究進展、應用前景進行分析和展望。

1 等離子-MIG焊工作原理

等離子-MIG焊最早由荷蘭 Philips公司于 1972年提出，這種方法將等離子電弧和 MIG電弧組合形成復合電弧型電弧進行焊接[15]。在焊接過程中，等離子-MIG焊電源采用直流反接的方式，焊接工件接負極，由于陰極霧化作用有助于表面氧化膜破碎及清除，等離子電弧在熔池內部的攪拌作用能夠加快氫氣的溢出，防止氣孔的產生，減少了焊接缺陷[16—18]，提高了焊接質量。

等離子-MIG焊可分為同軸式和旁軸式。由于焊槍結構和工作原理不同，使得這兩種工作方式各具不同的優缺點，應用場合也有所不同。

1.1 同軸式等離子-MIG焊工作原理

同軸式等離子-MIG焊接系統主要由等離子-MIG一體式焊槍、MIG送絲系統、等離子焊電源、MIG焊電源、冷卻水循環系統組成，同軸式等離子-MIG焊槍示意圖如圖1所示。采用氬氣作為等離子氣和保護氣。工作時在焊絲和工件之間產生MIG電弧，MIG電弧處于焊槍中心位置，而在焊槍噴嘴表面和工件之間產生等離子弧，等離子電弧將 MIG電弧包裹于其中，復合電弧挺度大，使復合電弧的能量更加集中，焊接中大厚度金屬能夠一次性焊透，且不用提前開坡口，大大提高了焊接效率，可應用于深熔焊的場合[19]。但由于等離子電弧和 MIG電弧同時在焊槍內燃燒，焊槍的設計困難，制造成本較高[20—22]，焊接過程中電弧穩定性較差，焊槍噴嘴容易被熔融焊絲金屬堵塞，導致生產效率降低。

圖1 同軸式焊槍Fig.1 Coaxial welding torch

1.2 旁軸式等離子-MIG焊工作原理

旁軸式等離子-MIG焊系統主要由一體化焊槍、控制主機、MIG電源、等離子電源、送絲裝置、焊槍自動清理裝置和焊接機器人組成，旁軸式等離子-MIG焊槍示意圖如圖2所示。工作時，等離子電極為負極，MIG電極為正極，電流通過兩個電極的相互作用產生電磁力，而電磁力牽引等離子電弧向焊接熔池前方移動，等離子電弧在前方起到預熱和熔化母材的作用，后方 MIG電弧起到熔化焊絲和填充金屬的作用。這種工作方式對焊槍設計要求低，實現了高效的焊接[23—25]；但旁軸式等離子-MIG焊的雙電弧熱源并未同時作用于熔池，熔透能力較差，焊接中大厚度金屬板需要開坡口，焊接效率較低，熱影響區較大。

圖2 旁軸式焊槍Fig.2 Paraxial welding torch

2 等離子-MIG焊在有色金屬焊接中的應用研究現狀

目前等離子-MIG焊主要應用于鋁合金的焊接，也有學者將其用于焊接鎂、銅等合金，并取得了一定的研究成果。下面從數值模擬、控制與監測方法、工藝參數研究等方面，對等離子-MIG焊的研究現狀進行論述。

2.1 等離子-MIG焊數值模擬研究

數值模擬是探究等離子-MIG焊熔滴過渡行為、熱傳遞情況、物理場耦合影響的重要研究手段，能夠揭示等離子-MIG焊接過程的物理本質[26]。國內外學者通過建立熔池三維模型、熱傳遞模型和熔池流體流動模型等對等離子-MIG焊接過程進行研究，分析了不同的物理場對焊縫熔池和熔滴過渡過程的影響。Hertel等[27]對同軸式等離子-MIG焊的焊接過程進行了仿真模擬，建立了熔滴過渡的VOF-MHD數值模型來模擬其焊接過程，圖3為熔滴過渡示意圖，其中MIG焊電流為273 A，等離子電流為140 A。研究結果表明，在等離子-MIG焊過程中，焊絲周圍氣體發生了電離，將影響電磁收縮力和電流密度分布，因此與 MIG焊相比，復合焊中焊絲處電流密度較低，焊絲電極的電流路徑會對熔滴的脫落產生較大影響。

劉磊等[28]采用ANSYS軟件對等離子-MIG焊的電弧空間流動和溫度分布進行了仿真模擬，得到的流場和溫度場分布如圖4所示，并以此為基礎對復合電弧的起弧和引弧過程進行了分析。研究顯示，弧尾拖曳、槍體掛滴、氣體流量 3個因素會對等離子-MIG焊的起弧和引弧過程產生較大影響?；∥餐弦方o等離子噴嘴后部提供了多余的熱量，影響了溫度場的分布，并會對電弧穩定性產生一定的影響；槍體掛滴使等離子噴嘴底部區域的溫度上升，同時會導致等離子電弧脫離原來的位置并轉移到掛滴的位置；氣體流量主要會對等離子電弧的引弧產生影響，而對 MIG電弧影響較小，氣體流量較小時，電弧空間中空氣所占比例過大，由于氬氣的擊穿電壓小于空氣的擊穿電壓，使得擊穿變得困難，等離子電弧無法引燃。

圖3 同軸式等離子MIG焊熔滴過渡示意圖[27]Fig.3 Coaxial plasma-MIG droplet transition diagram

圖4 電弧空間的流場和溫度場模擬[28]Fig.4 Simulation of flow field and temperature field in arc space

在等離子-MIG焊接成形組織的仿真研究方面，李麗瓊[29]等采用等離子-MIG焊方法，通過施加不同的熱輸入來分析 7075-T6鋁合金焊接熱裂紋的敏感性，并利用有限元軟件仿真分析了鋁合金熱裂紋產生機理，其微觀裂紋的模擬結果如圖5所示，圖5a中無裂紋產生，圖5b中有裂紋產生，兩者的最大應變分別為0.0101和0.0135。研究表明，根據“在脆性溫度區間相差微小的應變容易導致焊接熱裂紋的產生”的理論，從圖5a和圖5b發現，雖然兩者焊接線能量相差較大，但在相同限制條件下，兩者之間存在微小的應變差是熱裂紋產生的主要原因。

文獻[30—33]利用有限元軟件構建仿真模型，分別對 MIG焊和等離子弧焊的溫度場、應力場、熔池形態等進行了研究和分析，對等離子-MIG焊數值模擬方法研究也具備一定的指導作用。

2.2 等離子-MIG焊控制與監測方法研究

等離子-MIG焊的可調節參數多，等離子弧焊參數和MIG焊參數對焊接過程、焊縫成形等都有影響，因此需要良好的控制和檢測手段對整個焊接過程進行優化。為了提高焊接質量，Guo等[34]建立了基于模糊神經網絡的焊接質量智能判斷系統，對焊接過程中的工藝參數進行優化，提高了焊接缺陷的識別效率，其構建的模糊神經網絡模型如圖6所示。

該網絡首先獲取焊縫表面的圖像信息作為輸入層，在初始網絡中進行分類，并在第二層中將其轉換為模糊量，在第三層模糊推理層中結合焊縫數據對焊接工藝參數進行優化，經過第四層銳化處理得出優化的控制參數。實驗結果表明，焊縫分類的準確率高達90%，所提出的優化焊接參數來提高焊接性能的方法有效可行。

楊濤等[35]開發了適用于等離子-MIG焊的增量式PID控制算法，將其應用于短路過渡、滴狀過渡、噴射過渡3種形式下的復合電弧控制，得到的焊縫成形效果如圖7所示。

圖5 微觀裂紋模擬示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of micro crack

圖6 模糊神經網絡結構模型[34]Fig.6 Structural model of fuzzy neural networks

圖7 3種形式下的焊縫成形圖像[35]Fig.7 Welding bead forming image under three forms

實驗結果顯示，采用的增量式PID控制的等離子電弧具有自我調節功能，能夠通過電弧的自動調節來穩定焊接電流，在這 3種過渡形式下均能得到光滑的焊縫表面，焊接過程的飛濺問題得到了有效的控制，實現了穩定性高、流動性好、焊縫質量高的焊接過程。

Liu等[36]建立了三維視覺傳感系統，實時測量熔池的幾何尺寸優化焊接過程。該閉環控制系統的示意圖如圖8所示，在焊接過程中，高速攝影儀不斷獲取焊縫的圖像信息，經過灰度處理后將熔池的形態數據特征實時傳入非線性ANFIS熔深估計模塊，經過線性預測控制器處理后發送控制命令，對焊接電流和焊接速度進行實時的調整，電弧長度從 5 mm到3 mm的變化過程中，整個焊接過程仍能穩定進行，系統自我調節性能良好，表明該系統具有良好的抗干擾能力。

圖8 控制系統示意圖[36]Fig.8 Schematic diagram of control system

文獻[37—40]采用單神經元自適應PID模型、視覺監測和反饋控制方法、自適應焊縫跟蹤監測方法等對焊接過程進行了優化，研究成果對于提高電弧的穩定性和焊接質量具備一定的指導價值。

2.3 等離子-MIG工藝參數研究

合適的工藝參數是提高焊接質量和效率、減少焊接缺陷的關鍵。Lee等[41]采用同軸式等離子-MIG焊來焊接低溫鋁合金材料，發現焊接過程中 MIG焊送絲速度和等離子焊槍噴嘴直徑參數不同會導致焊縫表面產生不對稱咬邊和黑色斑點，實驗中控制等離子電流在200 A以下，逐漸提高送絲速度，實驗結果如圖9所示，MIG焊電流的增加是黑色斑點的成因。

Lee等[42]還研究了等離子電流對這兩種表面缺陷的影響，并與 MIG焊進行了對比，結果顯示，保持送絲速度及焊槍噴嘴直徑不變，當等離子電流超過200 A時，強等離子電弧力導致了焊縫表面產生咬邊缺陷，實驗的焊縫外觀示意如圖10所示。

Guo等[43]采用旁軸等離子-MIG焊方法對 6 mm厚5083鋁合金板材進行焊接，研究了焊接速度、等離子電流、MIG焊電流、等離子氣體流量等工藝參數對焊縫熔深和熔寬的影響。實驗結果如圖11所示，隨著焊接速度的增加，焊縫的熔寬和熔深均減??；隨著 MIG焊電流的增加，焊縫的熔寬和熔深均增大；隨著等離子弧焊電流和等離子氣體流量的增加，焊縫的熔深增大，而對焊縫的熔寬幾乎不產生影響。

文獻[44—46]也利用等離子-MIG 焊方法對鋁合金焊接的工藝參數進行了相關研究，均取得了不錯的進展。另外，在其他有色合金的應用方面，Asai等[47]探究了等離子-MIG焊在銅合金材料上的可焊接性，以4 mm厚純銅板、1.2 mm純銅焊絲為原材料，在未進行母材焊前預熱的前提下，利用等離子-MIG焊、等離子弧焊、MIG焊3種方法進行焊接，得到的焊縫效果如圖12所示。

圖9 不同送絲速度下的黑色斑點缺陷[41]Fig.9 Welding defect of smut at different feeding speed

圖10 不同等離子電流下的不對稱咬邊缺陷[42]Fig.10 Welding defect of asymmetric undercut at different plasma currents

圖11 各項工藝參數對焊縫熔寬和熔深的影響[43]Fig.11 Effect of various technological parameters on weld width and penetration

圖12 各種焊接方式的焊縫成形[46]Fig.12 Weld seam forming diagrams of various welding methods

實驗中等離子電流均為 200 A，MIG焊電流為200 A，等離子-MIG焊實驗中MIG焊電流為144 A。結果顯示，在相同等離子電流下，只采用等離子弧焊不能將母材金屬熔化；將MIG焊和等離子-MIG焊相比，MIG焊需要更大焊接電流，且熔深淺、電弧穩定性差、焊接時飛濺大。研究還發現等離子-MIG焊的等離子電弧起到了良好的預熱母材的效果，沉積金屬與母材具有良好的濕潤性，電弧穩定，飛濺減少。

在鎂合金研究方面，劉正等[48]將變極性等離子-MIG焊應用于AZ31B鎂合金型材的加工制造，焊接設備選用旁軸式等離子-MIG焊機，研究了MIG電壓、等離子電流、焊接速度等工藝參數對焊縫成形的影響、焊件的金相組織及其力學性能，得到了豐富的研究成果。研究發現，鎂合金焊接時容易產生飛濺，焊后會有焊瘤累積，如圖13所示。

研究結果表明，鎂合金相比鋁合金更加活潑，同樣作為輕質有色金屬材料，鎂合金型材的焊接參數范圍窄，在有限的參數范圍中才能得到焊道連續、焊接缺陷較少的焊縫，限制了等離子-MIG焊在鎂型材上的應用。進一步深入研究其熔滴過渡機理和各個物理場的影響，對于將等離子-MIG焊應用于鎂合金板材的焊接具有重大實現意義。

圖13 焊縫缺陷[48]Fig.13 Weld defect

3 等離子-MIG焊應用前景及展望

有色焊接材料的應用極為廣泛，覆蓋汽車、軌道交通、航天航空、核電、化工、石油、電力裝備、建材、電器、電子、輕工、金屬制品等產業，在整個制造業中占據重要地位[49—50]。近年來，作為溝通內陸與港澳地區制造業發展的橋梁，大灣區焊接行業作為經濟效益顯著、開放程度高的行業之一也得到了空前的發展，國內的航天航空、汽車及武器裝備等行業也需要高效率，低成本的先進焊接制造技術為其提供高質量、高性能、高可靠性的金屬構件。等離子-MIG焊接就是適應于這些領域的先進焊接制造技術之一。與設備復雜，成本較高的電子束焊接和激光焊接相比較，等離子-MIG焊設備的生產成本更低，加工靈活性更強、生產效率更高。特別在現今鋁合金材料大規模應用于各行各業，鈦、鎳等合金材料應用于先進裝備制造，中大厚度有色金屬材料開始供不應求[51—53]，目前這些行業主要采用MIG焊方法，雖然MIG焊設備成本較低，焊接生產率高，但對于中大厚度構件，MIG焊熱輸入不夠，難以做到一次成形，影響了制造效率。等離子-MIG焊是替代傳統MIG焊方式的首選，它不僅大大提高了焊接效率，同時改善了構件的焊接質量，能夠達到先進制造要求。等離子-MIG焊在有色金屬領域的研究進展顯著，但其復雜的雙電弧耦合機制，較困難的焊槍設計給等離子-MIG焊設備的推廣應用帶來了一定的困難。等離子-MIG焊方法推廣應用有下述問題需要進一步研究和探討：① 等離子-MIG焊雙電弧耦合機理的研究有待推進，需要借助仿真和實驗等手段完善其理論體系；② 等離子-MIG焊的多物理場的協同作用機理需要進一步探究，溫度場、應力場、電磁場等物理場的深入研究為等離子-MIG的熔滴過渡機理提供理論指導；③ 等離子-MIG焊系統設備需要進一步優化。借助先進的智能控制方法、智能監測手段提高整套設備的可靠性和精確性，實現整個焊接過程的協調穩定。