關(guān)于鋁合金焊接工藝的研究

[美國]Tony Anderson

焊接薄壁鋁合金件，壁厚0.125 in的管件和0.08～0.1 in厚的板材，將按常規(guī)使用的氣保護(hù)熔化極電弧焊(GMA)和氣保護(hù)鎢極電弧焊(GTA)改為氣保護(hù)鎢極脈沖電弧焊(GTAW-P)，或者氣保護(hù)熔化極脈沖電弧焊(GMAW-P)，會(huì)帶來很多的好處。但焊件背面被焊穿和因熱量太大而產(chǎn)生翹曲變形等問題也會(huì)造成大量的返工。

技術(shù)進(jìn)步已使脈沖焊接設(shè)備更易于使用，并能更好地訓(xùn)練操作工生產(chǎn)合格的焊縫。一些新的GTAW-P和GMAW-P工藝為薄壁鋁合金件提供了良好的焊接性能。

從理論上而言，采用GTA和GTA變頻技術(shù)，可潛在地幫助提高產(chǎn)品性能，改進(jìn)焊接質(zhì)量，降低焊接成本及提高操作者效率。但必須根據(jù)需求選擇采取哪種工藝，脈沖焊接并不能解決與鋁合金焊接相關(guān)的所有問題。

當(dāng)考慮改為脈沖焊接工藝時(shí)，需評(píng)估以下因素：

現(xiàn)代GTA變頻器脈沖可快達(dá)每秒5 000脈沖，它產(chǎn)生一個(gè)狹窄的熱影響區(qū)，提高了電弧的穩(wěn)定性，改進(jìn)了熔深，與原來傳統(tǒng)的GTA焊機(jī)相比，具有更快的焊接速度。這些改進(jìn)將提高焊接接頭的機(jī)械性能，提高整個(gè)焊縫的質(zhì)量，提高生產(chǎn)率及產(chǎn)生更少的變形。

在許多薄壁鋁合金件焊接應(yīng)用中，現(xiàn)代GMAW-P變頻器已取代了傳統(tǒng)的噴射過渡的GMA焊機(jī)，并且在某些傳統(tǒng)的交流(AC)GTA應(yīng)用方面，可能成為一種替換方式。脈沖GMA工藝通過嚴(yán)格控制熱輸入，用更快速的傳輸速度，以減少薄壁鋁合金件被焊穿的情況，并可更好地控制焊縫形狀。目前已設(shè)計(jì)了一些新的脈沖GMA程序，以用來制作美化外形的焊縫，這些焊縫幾乎都具有GTA焊道形狀的特征(見圖1、圖2)。

圖1 具有GTA焊道形狀的焊縫

圖2 焊縫

如果用傳統(tǒng)的焊接設(shè)備進(jìn)行薄壁鋁合金件的焊接，且遇到提及的這類問題(見圖3)，必須評(píng)估脈沖焊接工藝的應(yīng)用。

圖3 鋁合金焊縫的背面被焊穿

薄壁鋁合金件焊接的挑戰(zhàn)就在于同時(shí)控制以下幾點(diǎn)，能有效地獲得良好的熔合：(1)熱輸入；(2)焊縫形狀；(3)起弧/收弧；(4)電弧焊性能；(5)某些不產(chǎn)生附加值的活動(dòng)，如打磨和返工。

上述的關(guān)鍵在于控制。傳統(tǒng)的脈沖焊接工藝不能提供新工藝先進(jìn)的控制性能。當(dāng)今控制邏輯、軟件和微處理器的操作相比5或10年前，效率已大大提高。斷面厚一些的鋁合金可能不需要先進(jìn)的控制，且常用傳統(tǒng)的GMA噴射過渡就能成功焊接。薄壁鋁合金件很少出錯(cuò)，但仍有很多改進(jìn)的余地。

當(dāng)將脈沖GMA工藝作為替代傳統(tǒng)的GMAW或AC GTAW評(píng)估時(shí)，應(yīng)考慮以下焊接特性：

(1)控制熱輸入的能力。當(dāng)較低的本底電流冷卻熔池，并使其稍許冷凝而不致焊穿時(shí)，產(chǎn)生于過渡點(diǎn)上的脈沖峰值隨噴射過渡而提供良好的熔合。

(2)更高的焊接速度。當(dāng)從傳統(tǒng)的AC GTAW改為脈沖GMAW時(shí)，焊接速度通常也隨之提高。這可顯著降低焊接零件的熱輸入，減少殘余應(yīng)力及變形的可能性。

(3)焊道形狀的控制能力。采用電弧焊的控制程序，操作工可調(diào)整弧焊焰心的寬度，使其在應(yīng)用中形成拖尾狀焊道。較寬的焊道有助于連接接頭的兩邊，而窄的焊道有助于接頭根部有良好熔合。正確的焊縫尺寸有助于避免過量的熱輸入、過焊和焊后打磨。

(4)優(yōu)化起弧。一個(gè)好的鋁合金件脈沖GMAW程序具有焊縫起弧足夠的能量。這有助于熔合，并可將能量減少至正常參數(shù)以優(yōu)化焊接性能。

(5)優(yōu)化收弧。現(xiàn)在的脈沖GMAW焊接設(shè)備可提供一種快速冷卻的焊接參數(shù)，以便填充焊道結(jié)束時(shí)的弧坑。這有助于避免焊道終端產(chǎn)生裂紋，而斷裂是鋁合金件焊接中的一個(gè)嚴(yán)重問題。

(6)用某種較粗的焊絲焊接薄壁鋁合金件的能力。使用較為剛性的焊絲，可提高沉積率和有助于送絲，也有助于節(jié)約焊絲費(fèi)用。如：在0.030 in和0.045 in之間的焊絲，針對(duì)不同價(jià)格值得考慮。

如果還要考慮節(jié)省時(shí)間和減少廢品件材料的浪費(fèi)，脈沖GMAW對(duì)于專項(xiàng)應(yīng)用似乎是一種有吸引力的選擇。

GTAW-P和GMAW-P工藝是潛在的解決辦法。根據(jù)接頭設(shè)計(jì)的形式、接頭熔合特性和接頭的緊密性，這些選擇可能比用其他方法更合適。這兩種工藝都有助于改進(jìn)焊接作業(yè)。脈沖GMAW在該工藝的改進(jìn)中更具潛力，因其焊接速度更快，有利于提高生產(chǎn)率。