铝合金高能束焊接及其复合焊接研究

刘光锋 ,胡云龙 ,黄超

贵州航天林泉电机有限公司  贵州 贵阳 550081

摘要：铝合金凭借其优异性能而在多行业领域内得到广泛应用，在工业制造产业稳定发展期间，铝合金焊接工艺日渐完善。基于此，首先阐述了高能束焊接工艺原理，分析各类高能束焊接及其复合焊接工艺技术的工艺特性，其中重点讨论了VPPA-MIG复合焊、激光-MIG复合焊接工艺，以先进工艺为支撑提高焊接质量。

关键词：铝合金；高能束焊接；复合焊接

引言：铝合金现已在军事工业、航空航天、交通运输等产业中发挥出良好作用，但在实践应用中，厚大铝合金焊接存在穿透力弱、热量输入小等缺陷，致使铝合金焊接接头易出现软化问题，在此形势下，可应用高能束焊接及其复合焊接技术工艺，以此提高铝合金焊接质量与效率。

一、高能束焊接工艺原理

（一）VPPA焊接

高能束焊接工艺技术最早应用于航空航天产业，其幅值呈正负半波状，典型焊接波形如图1所示，在铝合金焊接期间，可借助该工艺技术规避铝合金焊接期间易出现的钨极烧损、氧化膜清理问题。图2为高能束焊接工艺原理图。经过长期学术研究及实践应用，对于高能束焊接工艺的焊缝成形、热源特性、数值模拟研究日渐完善，且已掌握焊接机理，使高能束焊接工艺能够在不同专业领域内得到良好应用。

图 1 VPPA焊接典型波形

图 2 VPPA焊接工艺原理图

（二）激光焊

铝合金激光焊在大功率激光器支撑下而逐渐完善，依靠激光焊能够高精度完成焊接作业。按照激光类型可将激光器分为多种类型，即光纤激光器、YAG激光器、CO2激光器，根据铝合金吸收率、光束波长的情况来看，光纤激光束对于厚板铝合金的焊接效果较好，铝合金可良好吸收其激光能量，以此保障焊接质量，而CO2激光器稳定性相对不足，无法实现稳定焊接[1]。结合光纤激光器来看，其在高速焊接环境中具有更好的应用效果，能够实现深熔焊接，并呈现出两种气孔形式，即冶金型、小孔型，具体如图3所示，可在一定程度上减少焊接期间所出现的气孔缺陷问题。

图 3 激光焊气孔形式

二、高能束焊接及其复合焊接的工艺特性

（一）激光-等离子弧复合焊

激光-等离子弧复合焊在首次提出的目的在于提升能量利用率，增大焊接熔深，通过该焊接技术，能够实现电弧能量集中，促进焊缝成形。该复合焊示意图见图4。随着对激光-等离子弧复合焊技术的深入研究，有学者指出，该焊接技术能够改善气体电离效应，促进电弧收缩，继而使激光能量能够良好被等离子弧吸收，此外，可提高焊接速度。为进一步验证激光-等离子弧复合焊技术的工艺特性，应用数值计算方式确定熔池流动情况，经研究计算发现，表面张力流能够在一定程度上影响熔池流动，并可对铝合金的焊接成形产生一定影响。从焊缝成形角度来看，采用后置等离子弧、前置激光热源的方式能够获得成形优异的焊缝，且焊缝表面相对平整。对该焊技术的热源特性展开分析，发现等离子弧在焊接期间能够被激光吸引，激光在正极性阶段集中于等离子弧根部位置，而在反极性阶段，电弧上方有等离子体柱形成，在此热源特性作用下，极大保障了激光吸收率[2]。该焊接工艺现阶段并未实现规模化应用，其仍处于开发阶段，但其在间隙能力、焊接速度两个方面存在显著优势，故应用前景较好。

图 4 激光-等离子弧复合焊示意图

（二）激光-MIG复合焊

激光-MIG复合焊工艺技术备受产业关注，其具有适应性强、熔深大、稳定性高等优势。从电信号角度来看，该工艺焊接期间存在匙孔，且带电粒子数量逐渐集中在铝合金焊接区域，电弧呈现出压缩状形式，以此可有效提升弧柱能量密度。激光-MIG复合焊工艺用于铝合金焊接时，铝合金厚度能够影响焊接速度，以4mm厚、8mm厚铝合金板为例，其应用激光-MIG复合焊进行焊接时，能够分别达到20m/min、6m/min的焊接速度，且过程稳定，所形成焊缝质量较高。采用高速摄像机采集熔池、电弧图像的方式验证激光-MIG复合焊技术的稳定性，发现在确保其他参数固定情况下，将热源间距控制在2～3mm范围内时，该工艺的焊接稳定性效果最佳。将激光-MIG复合焊与单一化传统焊接工艺的焊接速度进行对比，发现激光-MIG复合焊工艺的焊接速度提升了约4倍。复合热源存在相互作用，若热源间距超过4mm，则能够产生一定的预热效果，若低于4mm，所形成的热源作用效果取决于电弧等离子体与激光诱导等离子体的形成情况。经过激光-MIG复合焊的长期研究，最终发现MIG电弧与激光之间保持1～2mm间距时所形成的焊接效果最佳。激光-MIG复合焊工艺技术具有显著优势，相关研究持续推进，在后续工业生产制造活动中，该工艺技术将会表现出优异效果，实现铝合金的高质量焊接。

（三）VPPA-MIG复合焊

VPPA-MIG复合焊工艺技术可依据等离子电弧方式而进一步划分为旁轴式、同轴式两种形式，其中同轴式工艺可在一定程度上规避焊接飞溅问题，并加快焊接速度，故该焊接工艺现得到良好应用。该焊接工艺可分为旁轴式、同轴式两种形式，其中同轴式较为常用，其焊枪结构可进一步分为两种，具体见图5。VPPA-MIG复合焊技术在应用期间，MIG焊丝与等离子电弧之间存在相互作用关系，并借助两者的相互作用而表现出一定预热效果，以此增大焊丝电阻率及电阻热。借助光谱确定该复合焊接工艺的物理特性，发现其内外弧存在温度差异（电弧温度分布如图6所示），且MIG电弧温度为50%的等离子电弧温度，故为保障铝合金焊接效果，需合理利用该温度差异。传统焊接技术应用时存在焊缝缺陷，为进一步了解VPPA-MIG复合焊工艺的特性，对该技术的焊缝表面缺陷出现情况进行分析，对电流参数进行调节，发现电流大于200A时，焊缝将会呈现为不对称状，且具有黑色污点。对200A电流下的单一焊接方式对比，发现单一焊接方式所造成的黑色污点明显多于复合焊污点。VPPA-MIG复合焊工艺在中厚、轻薄的铝合金板焊接作业中表现出良好效果，且可在一定程度上提高焊接质量与熔化速率，但对于厚板铝合金而言，其所形成的焊接效果低于中厚、轻薄铝合金板，所形成的焊接熔池深度不足，且焊丝尖端电弧在大电流条件下表现出旋转现象，将该工艺应用于11mm厚度铝合金板焊接，所形成的焊缝如图7所示，该技术为未来应用中，需结合厚板铝合金特征而改进优化。

图 5 同轴式焊枪示意图

图 6 电弧温度分布

图 7 11mm厚度铝合金板的VPPA-MIG复合焊焊缝

结束语：综上所述，为改善铝合金焊接效果，激光焊与VPPA焊接工艺现已成为重要焊接手段，为进一步解决厚板铝合金的焊接难题，可基于传统电弧焊工艺基础上，融入高能束焊，采用复合焊接的形式进行铝合金焊接，而在现阶段研究中发现，激光-MIG复合焊工艺与VPPA-MIG复合焊技术更为成熟，其优势更为显著。

参考文献：

[1] 陈芙蓉,贾翠玲.7A52铝合金焊接及其接头表面纳米化研究现状[J].华东交通大学学报,2019,36(1):1-11.

[2] 韩永全,孙振邦,杜茂华,等.铝合金高能束焊接及其复合焊接的研究现状[J].电焊机,2020,50(9):221-231.