鋁合金激光—電弧雙面焊接中“雙弧”形成機理探討

杜晶晶，杜 鵬，徐 釗

（衡水學院，河北 衡水 053000）

隨著工業制造業中焊接工藝運用的范圍日益增多，對此研究焊縫正反兩面同時施焊，研究擴展得到雙面雙弧焊接。近些年來得到了越來越多的關注，雙面雙弧焊與單弧焊相比具有很多優點。為此對鋁合金激光-電弧雙面焊接中“雙弧”展開詳細分析。為今后各行各業焊接工藝技術提供參考。

1 鋁合金激光焊接技術概述

1.1 鋁合金激光焊接發展現狀

鋁合金激光焊接有諸多優勢，焊接變形小、成形好等，因此在工業生產中得到了廣泛的應用。但相比較傳統的鋁合金方法來說，鋁合金激光焊接想高質量的實現并不簡單，激光焊接鋁合金很容易出現下塌和孔洞等缺陷。國內外焊接工作者對此技術進行了改進，使這種焊接工藝得到了進步。提高生產率、降低生產成本方面，激光焊是行之有效的技術方法。激光焊接技術優點，焊接的速度快、效率高、工件熱影響區小、變形小，質量也好。焊接條件可以在特殊環境或者溫室環境。相對不同的結構或和材料來說，具有較高的適應性，能微型焊接。準確獲得很小的光斑后，可以精密的定位，可以焊接接觸不到或難以接觸的部位，靈活性強。比較電子束焊技術，焊接質量差別不大，激光焊不需要真空環境和保護氣成分。

1.2 鋁合金激光焊接方法

在多種鋁合金激光焊接的焊接方法中，不同的生產場所運用不同的方法。第一，鋁合金電阻點焊，主要適合用于4mm厚的薄板進行焊接，在航空航天中出現得比較多。第二，熱源為兩級間電弧的焊接方法。因為是焊絲保護熔化極惰性氣體，所以母材的熔深也大，焊接過程中熔敷速度也高，不僅能夠焊接中等和較薄的工件，也能夠焊接大厚板的工件。第三，平行縫焊,該方法利用兩只同步平行運動的電極輪與蓋板產生閉合回路，電流產生局部高溫使焊接材料熔化完成焊接，這種工藝一般應用于外形規則對稱的小型模塊中[1]。第四，激光焊的接頭性能良好不受電磁干擾，通過激光焊對高能量密度的產生，使高熱量輸入工件的待焊接位置的金屬，從而達到焊接目的，是一種工藝技術。

1.3 鋁合金激光焊接難點

因受基體材料本身性質的影響，鋁合金激光焊接存在著很多問題，激光深熔焊小孔坍塌，從而形成氣孔，此問題原因是液態鋁表面張力低；激光具有良好的傳輸和聚焦性能，鋁合金電導率高，通常產生接頭性能差和變形大。激光熔焊方法，是一種較為特殊的熔焊方法，容易出現許多復雜的問題，例如出現焊接接頭缺陷。對此總結了以下幾點：第一，焊接接頭產生焊縫裂紋和接頭軟化等缺陷。第二，激光焊接冷卻速度快，使焊接接頭產生氣孔問題。焊縫低熔點共晶合金元素成分易在冷卻凝固過程中形成裂紋；第三，激光能量消耗量大，由于激光需穿過電弧后才能作用于工件，電弧等離子體對激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的損耗[2]。鋁合金電弧自身的穩定性非常差，振蕩呈現周期性。提高鋁合金激光焊過程的穩定性、能量利用率。這類基本問題得到很好的理論解釋。另外鋁合金激光焊接的密度要高，是鋼鐵材料的四五倍[3]。

2 鋁合金雙面雙弧焊的形成機理

2.1 雙面雙弧非對稱焊接

雙弧焊接過程中進行施焊的兩個電弧在工件的兩側，這種焊接工藝，要兩個焊槍保持一定的電弧距離，在前后方面。雙面TIG焊的出現頻率很高，在目前生產中。雙面雙弧非對稱焊接能夠降低金屬的熔敷量，加快生產效率，是一種高效的工藝方法。后面進行清根處理時，并且需要對坡口進行徹底的清理。此工作程序能夠耗氣刨電極，操作上也很消耗時間，焊接金屬的熔敷量清根效果很一般，因反面氣刨的大幅度增加，很容易出現焊接缺陷，在熔合區中。焊件合格率的檢驗被直接增加，相對不合格率卻大大提高了。焊接過程中，雙面雙弧焊取消了原有的清根以及檢驗等焊接程序，很大幅度的提升了焊接效率，并且焊縫兩邊的熱能輸入基本對稱，在焊接過程中。降低了焊接的變形程度，因此這一焊接方法是高效節能的工藝技術。針對焊槍間距對焊接質量的影響做出了實驗。如圖1所示，同步焊接時兩電弧完全重合，焊接能量集中，熔透性好。

圖1 氣孔數量及未熔合比例隨焊槍間距變化曲線

但此時兩側電弧互相干擾，可能導致紊流，因此氣孔較多，隨著焊槍間距增大，熔池拉長，能量逐漸分散，未熔合比例增多。

2.2 雙面雙弧對稱焊接

等離子弧在不同的作用強度下，會產生小孔效應，而導致這一問題的原因是過大的鎢極氬弧造成的。小孔效應的出現，使焊接效率進一步提升。增加熔深的同時為焊接質量和力學性能提供有效的技術支撐，從而為熱影響區的限制條件提供可靠控制手段。激光焊相對投資大，而電弧焊的投資成本偏低，這兩種技術的復合，會在很大程度上提高效率。雙面弧焊對比其他焊接來說，能夠實現工藝技術，并且在程序準備上工作量小，相對激光束焊接設備成本低。PAW-TIG焊的工藝是指，鎢極氬弧焊和等離子弧焊同時，對伸縮鉆桿進行操作。在一定程度上加大了焊接生產率，此工藝的效果顯著。焊縫的質量與原質量相差甚微。既節省了焊接材料，又提高了效率。某大學教授在物理性質上，在對鎢極的雙面電弧焊展開了研究，對其熱流密度創建了控制方程式的同時，構建二維數學模式。對熱影響區性能，進行傳熱規律的剖析，得出雙面雙弧焊熔深增加的原因[4]。雙面雙弧焊的焊接參數的選取經過多次試驗的調試，參考了單面單弧焊的數據，試驗參數見表1。

表1 雙面雙弧MIG焊T型接頭焊接參數表

在試驗溫度：20℃和空氣相對濕度：35攝氏度參數下較單面單弧焊在單位時間內的熱輸入量大幅度增加，因而，在焊接電流、焊接速度等方面進行了進一步調整。焊接試驗的總指導方向是：研究預熱溫度和電弧前后間距對焊接性能的影響。

3 結語

本文針對鋁合金激光-電弧雙面焊接中“雙弧”的研究中發現，反面碳弧氣刨和檢驗等焊接程序，被雙弧焊取消了，不僅對焊接效率有很大程度的提升，而且節省材料沒有影響到焊縫質量，焊接程序少，工藝條件易于實現等優點。