合金脉冲电弧焊接技术进展

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1、Aa。。。。aAvia№。weIa{ngTe。n叫09，爿苗姐滇毛空磐臣接技术铝合金脉冲电弧焊接技术进展米从保强，苏勇，齐铂金，祁泽武，王强，杨明轩(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)【摘要】为实现航空航天铝合金关键结构件的高效可靠连接，焊接加工已成为主导工艺方法之一，其中电弧焊以其自身的特点和优势，仍然是应用最为广泛的焊接技术。脉冲电弧焊是一种较先进的焊接方法，脉冲电流的加入对电弧焊接过程及质量均产生显著影响，有利于改善和提高铝合金的焊接质量，具有很好的工程推广应用前景。关

2、键词：铝合金；脉冲电弧焊；焊接质量DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2016．11．041从保强北京航空航天大学机械工程及自动化学院研究生指导主任，副教授，工学博士。一直从事新型高效脉冲电弧焊接工艺装备、高效电弧填丝增材制造等方面的研究工作。先后主持和参与国家自然科学基金、总装预研基金、航空科学基金等项目研究。已发表SCI／EI检索学术期刊论文40余篇。；基金项目：国家自然科学基金项目(50975015、51005015)，中央高校基本科研业务费专项(YwF—12一LGJc

3、一001)。由于节能及某些特殊应用的需要，要求构件产品尽可能轻量化，使得以铝合金为代表的轻金属材料在航空飞机、发动机和航天器的研制生产中得到了广泛应用，同时由于焊接结构轻、加工效率高等优点，焊接技术也已成为铝合金构件产品制造的主导工艺方法之一，但在铝合金实际焊接制造过程中，传统焊接加工已经成为制造中的薄弱环节，存在的诸多工艺关键和难点(如接头软化、气孔缺陷、裂纹等)导致构件使用性能和可靠性等方面显著降低。随着航空航天铝合金产品结构复杂化，对焊接头的性能、可靠性及其使用寿命等要求越来越高，迫切需要研

4、发新的焊接方法，如何实现高效率、高质量的铝合金焊接加工已成为亟需解决的关键问题之一[1-2]。尽管固态焊、高能束流及其复合焊等新的焊接方法取得了较大进步，但钨极氩弧焊(GasTungstenArcWelding，GTAW)、熔化极惰性气体保护焊(MetalInert—gasWelding，MIG)等传统电弧焊接工艺因其成本低、操作简便、适应性强等特点仍被广泛应用。同时，在传统GTAW或GMAW电弧焊接过程中加入脉冲电流的调制作用，已被证明具有良好的焊接工艺性能，对焊接过程的稳定性、焊缝成形及接头组

5、织性能等均表现出明显的改善效果p。51，因而针对铝合金材料高效、高质量脉冲电弧焊接技术的研究已经成为近年来国内外诸多学者的研究热点之一。铝合金高频脉冲GTAW焊接技术变极陛GTAW(VariablePolarityGTAW，VP—GTAW)是一种比较理想的用于铝合金材料的焊接方法，通过适当调控正负极性电流大小及其持续时间，在有效减少钨极烧损的同时获得满意的阴极清理宽度，焊缝成形良好[6-10]o采用常规VP—GTAW工艺进行高强度铝合金焊接时，尽管可降低焊缝气孔、裂纹等缺陷，但仍存在接头严重软化、

6、产品一次合格率低等问题。为控制金属凝固组织和提高金属材料性能，施加脉冲电流成为金属材料制备过程中的重要技术[11-12]。为此，有关学者提出并开展将高频脉冲电流引入铝合金VP—GTAW焊接过程的研究，已取得了很好的成果。2016年第11期·航空制造技术41笔论坛FORUM北京航空航天大学齐铂金教授研究团队提出并深入开展了超音频方波脉冲变极性氩弧焊接(HybridPulsedVP—GTAW，HPVP—GTAW)新方法的研究，发明了高频脉冲切换电路、恒流源电路串并联复合主电路拓扑，实现了超音频方波大功

7、率脉冲电流的快速变化与精确控制，脉冲电流变化率dlIdt≥50A／txS；发明了一种新型的变极性全桥逆变电路及其驱动控制技术，实现了变极性电流快速极性变换，可显著提高变极性电弧的稳定性。超音频方波脉冲变极性氩弧焊接电源主电路拓扑结构及其输出的实际焊接电流波形如图1中所示。基于研究开发出的新型超音频方波脉冲变极性焊接电源系统见图2，齐铂金教授研究团队对HPVP—GTAW焊接不同系列铝合金材料(铝铜系2219、2A14；铝镁系5A06等)的工艺适用性及使用性能进行了较为全面而深入的研究”3～。研究结果

8、表明，超音频方波脉冲变极性氩弧焊是一种全新的优质高效焊接方法，与常规传统VP—GTAW相比，HPVP—GTAW有效降低了铝合金焊缝的气孔敏感性，焊缝晶粒组织明显细化(图3)，焊接接头抗拉强度、延伸率等性能显著提高(表1)，可满足航空航天关键铝合金结构件的焊接加工需求。同时，通过对铝合金焊缝成形行为、微观组织特征、接头拉伸力学性能及其断口特征的详细研究和对比分析，确定了影响铝合金HPVP—GTAW电弧焊接质量的主要工艺参数，提高脉冲方波电流频率，降低脉冲占空比，增加脉冲电流幅值，有利