7075鋁合金等離子-MIG復合焊工藝及組織性能研究

喬琳崴

摘 要：對7075鋁合金的常用方法進行解析，其產生裂紋和氣孔的概率過大，已經不再適應經濟高速發展的時代要求。所以，新的焊接方法應運而生。對等離子-MIG復合焊接所需要的各項研究參數及方法進行研究，對已有的研究進行分析，為鋁合金焊接方法的發展貢獻綿薄之力。

關鍵詞：7075鋁合金；等離子-MIG復合焊接；Super-MIG焊接系統

1 鋁合金的應用

鋁合金有質量輕、外觀好、復雜曲面的制造較簡單、比強度高等優點，因此，在世界各國的交通業倍受重視。目前，我國的軌道交通行業，想要繼續加快列車運行速度，發展高鐵、動車、地鐵，就必須將重點放在列車的輕量化上，通過質量的減小，降低列車運行所需的能源量，同時減少運行中所受的空氣阻力，鋁合金車體的全球化發展勢不可擋。雖然鋁合金得到了廣泛運用，但其焊接性能差，有應力腐蝕開裂傾向。焊接時，由于其脆性強，并且焊接后的強度要求高，一般使用常用的焊接方法焊后依然會產生裂紋或者氣孔。由于傳統方法有裂紋風險，隨著時代的進步，產生了復合焊接的方法，可以更好地應用在7075鋁合金焊接領域。

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，強度高。鋅是7075中主要的合金元素，向含有3.0%～7.5%鋅的合金中添加鎂，可形成強化效果顯著的MgZn2，使該合金的熱處理效果遠勝鋁-鋅二元合金。提高合金中的鋅、鎂含量，抗拉強度會得到進一步的提高，但其抗應力腐蝕和抗剝落腐蝕的能力會隨之下降。經受熱處理，能達到非常高的強度。7075材料一般都加入少量銅、鉻等合金，該系中以7075-T651鋁合金為上品，被譽為鋁合金中最優良的產品，強度高，遠勝任何軟鋼。此合金具有良好的機械性能，代表用途有航空航天、模具加工、機械設備、工裝夾具，特別用于制造飛機結構及其他要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構體。7075鋁合金板的硬度大約為150 HB，抗拉強度為540 MPa，伸長率為11%，而且經過固溶處理的7075鋁板具有良好的塑性，通過熱處理可以得到非常理想的效果，在150 ℃下具有高強度和較好的低溫強度。7075鋁板是高強度可熱處理合金，具有良好的機械性能，易于加工，耐磨性、抗腐蝕性、抗氧化性能好。

2 鋁合金常用的焊接方法

傳統的鋁合金焊接方法有以下幾種：氣焊、熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）、電阻焊、釬焊。其中，常用的是熔化極氣體保護焊。GMAW是一種被廣泛應用的工業生產手段，焊接速度快，熱量低，生產成本低。GMAW因其焊接質量高、設備成本低，已成為許多行業不可缺少的焊接方法。在實際應用過程中，最終的焊接質量至關重要，因此，焊縫必須無缺陷。GMAW方法一直用于高質量的焊接，在發電廠和制造應用中表現良好。

鋁焊接時不穩定的電弧和煙塵的形成是熔化極惰性氣體（Melt Inert-Gas，MIG）焊接近些年尚未解決的問題之一。由于工業需求的顯著增長，GMAW產品需要有更長的使用周期，制造商正承受壓力，急需通過精簡原則來降低成本和開發更高效的制造技術。所以，產生了一種新方法，即等離子-MIG復合焊。等離子-MIG復合焊是一種利用等離子弧和MIG焊優點的MIG焊接[1-2]，等離子電極安裝在接頭，流過電弧的保護氣體在電弧的上游區域被等離子體電極電離，保護氣體的流動控制著電弧的形狀[3]。等離子-MIG混合焊接工藝由等離子激光技術公司（以色列約克尼姆）開發，有助于應對需求增加、循環周期加快和更高效制造管接頭應用的挑戰。新的焊接工藝稱為Super-MIG，最近被證實是GMAW在管道連接應用中的一種可行替代方案，提供高質量的焊接，能顯著加快焊接處理速度、縮短焊接時間并降低成本。

到目前為止，已經有很多關于等離子-MIG焊工藝的應用和金屬轉移及其電弧特性的研究。有學者研究過等離子MIG的電弧特性焊接并報告電弧柱內溫度約為6 727 ℃，周圍有金屬蒸汽的等離子弧中記錄的較高溫度約為13 273 ℃。在用低碳鋼進行金屬轉移的研究中，有學者已經完成了直流正接（Direct Current Electrode Positive，DCEP）極性的研究，電離保護氣體影響電弧和金屬熔滴，其中有兩種類型的金屬轉移被觀察到：高能量密度、固定窄弧相對較低的MIG電流和低平均值的旋轉模式MIG，他們還發現電弧周圍存在電離等離子體流柱，對于減少飛濺，進一步提高了可能性。他們只關注金屬轉移行為但沒有作詳細的分析。在理解金屬轉移現象的重要性方面，有學者對等離子-MIG復合焊進行了數值模擬，利用電弧、熔滴相互的作用來模擬金屬的剝離和熔池形成。他們只算出電離等離子體的溫度在11 273～12 273 ℃，但是沒有關于熔滴的形成及其溫度的研究。

3 等離子-MIG復合焊接工藝原理

等離子-MIG焊接系統由兩個電源組成：MIG焊接具有恒壓特性的電源以及具有恒流特性的等離子體電源。兩個電源的正極性都與觸點相連，焊槍和等離子電極的尖端（在MIG側）呈負極性，焊槍設計成允許等離子和MIG焊接在一個焊炬中，并且等離子被設置為關閉。此外，火炬還有一個3種氣體同時流動的機制：中心氣體、等離子氣體和氯化氣體同時流動。然而，在這個試驗中，所有層都使用氬氣。

熔滴表面溫度分布的測試結果通過雙色溫度常規MIG焊的測量方法獲得。平均大小是指在水平方向測量的熔滴直徑值，而平均溫度是指表面熔滴溫度。結果表明，常規MIG焊的焊接溫度比等離子焊高，其中MIG焊分別為2 996 ℃和2 532 ℃。傳統MIG焊熔滴尺寸為1.07 mm，小于等離子-MIG熔滴焊接尺寸（1.66 mm）。兩種情況下熔滴表面的溫度分布幾乎一致。等離子-MIG焊接的熔滴傳輸方式是球形的。

4 試驗材料、設備及方法

7075鋁合金作為新型高強鋁合金，在軌道交通領域具有廣泛的應用前景，本研究采用Super-MIG機器人焊接系統，以直徑為1.2 mm的ER5356鋁硅焊絲為填充材料，進行4 mm厚7075鋁合金等離子-MIG復合焊對接試驗。

對于本次試驗，通過查閱資料，發現對Super-MIG有影響的焊接參數包括焊接速度、MIG電流和等離子電流，等離子氣流量和焊矩高度有關，其他參數對其影響不大。通過改變上述參數來研究焊縫成形的好壞。

所需要的焊接設備包括Super-MIG焊接系統，用于焊接工藝試驗；多功能焊接平臺，用于焊接工藝試驗； OLYMPUS-BX51M光學顯微鏡，用于宏觀及微觀組織分析；WDW-300E微機控制電子式萬能試驗機，用于拉伸試驗；HV-1000B型顯微硬度計，用于硬度分布測試。

焊接設備采用等離子復合焊接，在復合電弧中，等離子電弧電流為直流模式，MIG電弧電流選用脈沖模式，焊接設備采用等離子-MIG復合焊接機器人系統，包括Super-MIG等離子焊接電源及旁軸式等離子-MIG復合一體化焊槍、TransPuls Synergic 5000 CMT氣體保護焊機、MOTOMANHP20D機器人及焊接變位機。

進行焊接之前，先要對被焊材料進行焊接前的準備工作，這些工作包括材料的切割、開坡口及坡口的加工、表面的處理等。完成了這些焊前準備工作，所得到的焊接接頭參數才能更加精確。將板踩切開之后，要對切口斷面進行精加工，以保證所用板材焊接時的參數不受外來因素影響，精加工方式可以采用銑床，進行銑床操作時要保證板材端面的垂直度及表面粗糙度。這樣兩塊板材在對接焊接時才能保證對齊，試驗效果不會受位置因素影響。鋁合金板的表面易產生致密的氧化膜，難以去除，可以采用機械方法來去除。還應使用丙酮清洗表面和端面的污垢，并且在焊接過程中也應及時防氧化，用丙酮擦拭焊絲的表面。

焊接后先使用X射線衍射儀進行無損檢測，確定所焊接的板材無致命缺陷或關鍵性焊接缺陷，將滿足后續力學試驗條件的板材篩選出來，然后進行力學性能試驗。

首先進行拉伸試驗，采用標距為50 cm、總長為150 cm、厚度為原始厚度的試樣進行拉伸試驗。選取試樣時注意通過上一步的無損檢測，將有缺陷、不宜參加拉伸試驗的試樣篩選出序列，這樣不僅可以得到清晰明了的試驗數據，也能加快試驗進度、減少無用數據的出現概率。通過拉伸試驗可以得到抗拉強度、屈服強度、延伸率等數據。

硬度測試方面，采用維氏硬度。硬度代表材料的硬度指標，與一般的力學性能所代表的意義有些許不同，一個材料的硬度往往對材料的使用壽命這一重要指標有重要影響。對于焊縫區和熱影響，可使用HV-1000B維氏硬度計作為試驗設備，設定載荷為200 gf，負載的加載時間為20 s。沿焊縫中心與試樣邊緣平行的水平線，每隔0.5 mm設置一個測試點，測量每個點的硬度，以便更好地了解等離子-MIG復合焊接接頭的性能變化。

5 結語

現如今，鋁合金的等離子-MIG復合焊接仍不具備系統的操作指導，在這個高速發展的時代，傳統的鋁合金焊接方法被取代只是時間問題。所以，應該將眼光放長遠，為今后的鋁合金焊接發展作好鋪墊，為今后軌道、車輛鋁合金輕量化作出貢獻。

[參考文獻]

[1] 武恭.鋁及鋁合金材料手冊[M].北京：科學出版社，1994.

[2] 王利軍.車體鋁合金厚板切割工藝研究[D].長春：吉林大學，2005.

[3] 關振中.激光加工手冊[M].北京：中國計量出版社，2007.