淺論鋁及鋁合金變極性等離子焊接

王曉磊

摘要：變極性等離子焊接是一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的焊接方法，在鋁合金的焊接方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于焊接變形小，生產(chǎn)率高與其它焊接方法相比設(shè)備簡單，成本低且氣孔、夾渣等缺陷少對經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有很強的作用。本文簡要介紹了變極性等離子焊接以及其特點。

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低密度、高強度金屬材料得到越來越多地應(yīng)用，鋁及其合金以其質(zhì)量輕，強度高以及優(yōu)良的耐蝕、耐低溫性能，正廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車和民用等工業(yè)產(chǎn)品中，成為一種重要的加工材料。

變極性等離子弧焊（Variable Polarity Plasma Arc Welding簡稱VPPAw）是一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的焊接方法，在鋁合金的焊接方面得到廣泛應(yīng)用。

1 變極性等離子焊接簡介

變極性等離子焊接（Variable Polarity Plasma Arc Welding簡稱VPPAW）使用特殊設(shè)計的焊接電源和控制系統(tǒng)，通過極性的可控變換，可以獲得正接時間較長，反接時間較短且電流值分別可調(diào)的電流波形。在工件接電源正極的時段中，焊槍可以有效地加熱工件，此時鎢極不會發(fā)生過熱;而在工件接電源負(fù)極的時段內(nèi)，則可以利用“陰極霧化”作用清理焊接區(qū)的氧化物。通過控制正、反極性時的電流大小以及變換頻率，還可以調(diào)節(jié)熔透情況和陰極霧化清理的強度。

在研究陰極清理作用的影響因素時，發(fā)現(xiàn)工件接負(fù)極時段內(nèi)電流大小的影響遠(yuǎn)大于時段長短的影響，此時段內(nèi)的電流越大，陰極清理的效果越好;而延長此時段的時間，陰極清理寬度的增加則很有限。該方法很好地解決了焊接鋁及鋁合金時清除氧化膜和防止電極燒損之間的矛盾，實現(xiàn)了穩(wěn)定的連續(xù)焊接。

2 變極性等離子焊接的特點

變極性等離子焊接具有以下幾個方面的特點：

①溫度高，能量集中，焊接熔深大，對中厚鋁合金板，不開坡口單面焊雙面成形，保證熔透。②焊前不需清理，變極性等離子弧的陰極清理作用可將污染物沖走，去除氧化膜效果好。③焊縫氣孔率低，金屬熔池內(nèi)的氣體能通過小孔全部排出，清除氣孔比較徹底。④焊縫正反面受熱比較均勻，焊接熱影響區(qū)窄，工件變形小。⑤焊接層數(shù)少，焊縫寬度窄，焊材消耗量小，生產(chǎn)效率高、成本低。⑥鎢極縮在噴嘴內(nèi)不與工件接觸，減少鎢極損耗，并防止焊縫金屬夾鎢。⑦焊縫接頭力學(xué)性能好，x射線探傷合格率高，焊接質(zhì)量更有保證。

3 變極性等離子焊接設(shè)備

①等離子焊接電源;②等離子焊槍;③自動送絲系統(tǒng);④控制系統(tǒng);⑤智能溫控水箱。

4 變極性等離子焊接的應(yīng)用

美國國家航空和宇宙航行局（NASA）最早曾使用常規(guī)的直流TIG正接焊接方法制造火箭外部燃料儲罐，這種鋁合金儲罐有多種不同的尺寸，其中一種的直徑為8.717m、長46.939m，可裝載530m3的液氧以及1438m3的液氫，曾用于土星號登月火箭。盡管焊前的接頭準(zhǔn)備十分充分，但是仍然經(jīng)常出現(xiàn)焊縫氣孔等缺陷。1978年，NASA決定采用由美國波音公司的B.P.VanCleave等在20世紀(jì)60年代末就已經(jīng)開發(fā)出的變極性等離子焊接方法取代TIG焊，用于該儲罐的焊接，使焊接質(zhì)量得到了明顯的提高。20世紀(jì)80年代波音公司也曾用變極性等離子焊接方法焊接了大量鋁合金筒體結(jié)構(gòu)的環(huán)縫，并對其焊接工藝、設(shè)備及質(zhì)量控制等進(jìn)行了一系列研究，推動了這種方法的完善。目前，變極性等離子焊接方法已在鋁合金結(jié)構(gòu)件的制造中獲得了廣泛的應(yīng)用，成為一種很有發(fā)展前景的焊接方法。

該方法很適合于鋁及鋁合金的小孔法焊接。對于用TIG方法需要開坡口且多次焊接的焊縫，用變極性等離子焊接方法中可直接采用I形坡口，焊接一道焊縫既可，這可減少焊前坡口準(zhǔn)備工作量，提高了工作效率。極性變換帶來的熔池攪拌作用有利于氣體的逸出和雜質(zhì)的排除，焊縫缺陷少、焊道窄且變形小。該方法可以在平、橫、立向上和立向下各種位置上焊接。

多年來，NASA對變極性等離子焊接方法進(jìn)行了大量的實驗研究和數(shù)值分析工作，包括對小孔焊接過程中能量的分布與損失、焊縫外形的成形規(guī)律、焊槍噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計以及各種焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量和速度的影響等等，為這種方法在航天工程中的應(yīng)用提供有價值的資料。目前，我國也已對變極性等離子焊接方法開展了一些研究。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：大連環(huán)友屏蔽泵有限公司）