2219-T87高强铝合金HPVP-GTAW焊缝成形参数

李玉龙 从保强 杨明轩 齐铂金

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京100191)

2219高强铝合金因其良好的物理和化学性能，作为常用结构材料广泛应用于航空航天领域.与常规连续电流焊相比，采用高频脉冲电流进行高强铝合金焊接，可显著减小焊缝晶粒尺寸，提高接头力学性能[1－3].其中，脉冲电流参数如脉冲频率、占空比、峰值电流等，对焊缝组织及性能会产生显著影响，合理地调节电流参数将有利于提高接头质量[4].

实际焊接生产中，焊缝成形是评判焊缝质量的基本要素，直接反映出焊接工艺参数匹配的合理性.焊缝的熔透成形参数将影响其显微组织分布，进而对接头性能产生重要影响，有效地控制焊缝成形，将有利于获得组织均匀、力学性能高的接头.为此，研究并掌握脉冲电流参数对2219-T87高强铝合金复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊(HPVP-GTAW，Hybrid ultrahigh frequency Pulse Variable Polarity Gas Tungsten Arc Welding)焊缝成形的影响规律，可为优化匹配焊接工艺参数、提高铝合金脉冲焊接质量提供依据，研究结果将具有重要的理论价值及工程意义.

1 试验方法

试验采用平板堆焊工艺，焊接试件选用厚度为4.5 mm的2219-T87铝合金板材，试件规格为120 mm×60 mm.焊前经砂纸打磨后用化学清理方法(首先10%NaOH碱洗，然后采用35%HNO3溶液酸洗)，去除表面氧化膜.填充焊丝选用φ2.4 mm的ER2319，用砂纸打磨去除氧化膜.

试验用复合超高频脉冲变极性方波电流波形如图1所示.在正极性电流持续时间TEN内，叠加高频脉冲方波电流，单个周期内，脉冲基值电流Ib和脉冲峰值电流Ip的持续时间分别为tb和tp.脉冲频率fH=1/(tb+tp)，脉冲占空比δ=tp/(tb+tp).

图1 复合超高频脉冲变极性电流波形

试验研究2219-T87铝合金HPVP-GTAW焊缝成形参数，旨在分析脉冲电流参数对2219-T87焊缝成形参数的影响.研究表明，在一定范围内增加脉冲电流幅值，提高脉冲频率，可增强焊缝组织细化作用，提高接头力学性能[5].为此设计了表1所示的工艺参数，参数包括:脉冲电流频率、峰值电流与基值电流的比值及脉冲占空比:

1)脉冲频率fH:0～80 kHz选5个水平，并与常规VP-GTAW工艺对比，如表1中1～6号试验;

2)脉冲峰值电流与基值电流的比值Ip/Ib:试验在增加脉冲电流幅值的同时，减小与之匹配的基值电流，以脉冲峰值电流与基值电流的比值为对象，在不同脉冲频率条件下改变Ip/Ib，对应表1中7～14号试验;在不同占空比条件下改变Ip/Ib值试验，对应表1中11～23号试验.

表1 试验主要焊接电流参数

为尽量减小热输入差异对焊缝成形的影响，保证负极性电流均为160 A，正极性平均电流Iavg在较小的范围内波动(Iavg=95A±5A)，其计算公式如式(1):

其他参数分别为:变极性频率100 Hz，正负极性导通比4∶1，焊接速度180 mm/min，送丝速度200 mm/min，保护气流量15 L/min，弧长 3 mm，钨极WC20的直径为φ2.4 mm.

图2为焊缝的熔深及熔宽测量方法示意图.垂直于焊缝方向切割制备金相试样，采用Keller试剂(HNO3:2.5 mL;HCl:1.5 mL;HF:l mL;H2O:95 mL)侵蚀试样，使用OLYMPUS BX51M型金相显微镜观察焊缝，测量焊缝的熔深H和熔宽B，进而计算焊缝深宽比R(R=H/B×100%)，即研究脉冲电流对2219-T87高强铝合金焊缝的H，B，R 3个成形参数的影响.

图2 焊缝熔深、熔宽测量示意图

2 试验结果与讨论

2.1 脉冲频率对焊缝成形的影响

焊缝熔深、熔宽及深宽比随fH的变化趋势如图3所示，图4为部分焊缝横截面金相图.由图3a可知，随着脉冲频率的增加，焊缝的熔深、熔宽变化趋势基本一致.随着fH从0～60 kHz变化，熔深及熔宽均呈平缓的上升趋势;当fH=60kHz时，熔深和熔宽均达到最大值Hmax=2.4 mm，Bmax=7.39 mm，其中熔深涨幅相比更大，最大熔深是常规VP-GTAW焊缝的2倍以上(图4);脉冲频率继续增加到80 kHz，熔深、熔宽有所下降.

图3b可明显看出，未加入脉冲电流的1号试样焊缝深宽比R仅为20.2%;采用脉冲电流焊接，2～6号试样焊缝的深宽比均有显著提高.焊缝深宽比随fH的变化趋势与熔深保持一致.随着fH从0增加到60 kHz，R由20.2%平缓增大到最大值32.5%，增长幅度超过60%;继续提高fH至80 kHz，深宽比下降到较小值24.7%，与常规VPGTAW焊缝相比，仍提高了22%.

图3 脉冲电流频率对焊缝成形的影响

图4 部分焊缝横截面金相图

2.2 Ip/Ib对焊缝成形的影响

图5a、图5b分别为fH=40kHz，60 kHz条件下焊缝熔深、深宽比随Ip/Ib值变化的趋势图.由图5a可知，随着Ip/Ib的提高，两脉冲频率条件下焊缝熔深整体上均呈增长趋势:fH=60 kHz时，焊缝熔深由1.24 mm(Ip/Ib=1.24)近似线性增大到最大值2.4 mm(Ip/Ib=2.17)，之后回落到2.06mm(Ip/Ib=3.22);当fH=40kHz时，随着Ip/Ib从1.24提高到3.22，焊缝熔深由最小值1.32mm(Ip/Ib=1.53)波动增大到最大值1.99mm.

图5b深宽比的变化曲线同样显示，随着Ip/Ib的提高，两脉冲频率下焊缝深宽比整体提高.当fH=60 kHz，Ip/Ib≤1.92 时，焊缝深宽比变化范围较小;当 Ip/Ib从 1.92增大到 2.17，深宽比出现大幅提高，并达到最大值32.5%;继续提高Ip/Ib，深宽比基本保持不变，最大深宽比比Ip/Ib=1.24对应的焊缝提高40%.而fH=40 kHz时焊缝深宽比随Ip/Ib的变化关系与fH=60 kHz时类似，当Ip/Ib在1.53～1.92变化时，深宽比出现一定幅度的提高，Ip/Ib=2.17对应的最大深宽比29.7%比Ip/Ib=1.24时仅提高不足20%.

在相同的占空比和平均电流条件下，欲提高Ip/Ib的比值，则需要增加脉冲幅值电流，同时减小基值电流，此时在正极性电流持续期间叠加的超高频脉冲电流显著增加.图5所示提高Ip/Ib值，焊缝熔深和深宽比均呈现增长趋势，表征在正极性电流持续期间增大脉冲电流，减小基值电流，将有利于提高焊缝深宽比.

在δ=20%，50%，80%条件下，随着Ip/Ib的增大，焊缝深宽比的变化关系如图6所示，部分焊缝横截面的金相图如图7所示.从整体变化趋势可知，各占空比水平下焊缝的深宽比均随Ip/Ib的增大而出现不同程度的提高.

图5 不同脉冲频率下Ip/Ib对焊缝成形的影响

图6 不同占空比下Ip/Ib对焊缝成形的影响

图7 不同Ip/Ib对应的部分焊缝横截面金相图

此外，当Ip/Ib处于1.2附近时，δ=80%对应的焊缝深宽比最低，不足20%;其他两占空比对应的焊缝深宽比相对较高，达到25%.当Ip/Ib＞1.6，δ=20%对应焊缝的深宽比显著增加，与Ip/Ib=1.24时相比至少提高了67%;而δ为50%和80%下获得的焊缝，尽管深宽比略有增大，但是相对δ=20%的焊缝增加较小，最大仅提高30%左右.显然，δ=20%获得的焊缝深宽比水平远高于其他两占空比对应的焊缝，δ=50%次之，δ=80%最小.图6中3条箭头的指向表明，减小占空比，提高脉冲电流比例，可以有效改提高焊缝熔透性，获得更大的焊缝深宽比.

2.3 分析与讨论

焊接电弧作用于工件表面的电弧力包括电磁力、等离子流力和斑点压力等，电磁力和等离子流力是电弧力的主要组成部分，且等离子流力占据80%以上，等离子流力对工件表面的作用更为显著[6－7].电磁力的径向分量(垂直于电弧轴向)主要造成电弧形态的变化，压缩电弧至稳定状态;电磁力的轴向分量与等离子流力的轴向分量共同作用于熔池表面，造成熔池中心的沉降，引起焊缝熔深的变化，其中等离子流力的轴向分量作用效应相比更强.

HPVP-GTAW焊接过程中，正极性电流持续期间叠加高频脉冲电流后，当电流由基值向峰值状态跃变时，由于电弧等离子体尺寸是渐变的，脉冲电流沿的快速变化(di/dt≥50 A/μs)将引起电弧电流密度的急剧增加，导致电弧的电磁收缩力增强;另外，变化的电场产生磁场，电流跃变时会产生自磁压缩附加压力[8].两者共同作用使HPVP-GTAW电弧的电磁力与常规电弧相比出现显著提高[9].此外，在一定范围内提高脉冲频率，将增大电弧自磁压缩附加压力;增加脉冲峰值电流与基值电流的比值，电流跃变时电流密度的增加幅度越大，将导致电弧电磁力增强越显著.

由上述分析可知，HPVP-GTAW电弧的电磁力显著提高，电磁力的径向分量相应提高，导致电弧收缩效应加剧，电弧在工件表面的作用面积减小;同时，随着电弧收缩效应增强，等离子流力的轴向分量得到提高，造成熔池中心沉降深度增加，热源下移，焊缝熔深相应提高.综上分析，高频脉冲电流的加入，使电弧力显著提高，电弧沿径向压缩加剧[10]，使电弧能量密度及挺度提高，穿透性增强，引起焊缝熔深和深宽比的显著增加;合理地调节脉冲电流参数，可有效改善焊缝熔透性，这与2.1节和2.2节所得到的试验结果是吻合的.

3 结论

1)与常规VP-GTAW工艺相比，采用HPVPGTAW工艺焊接2219-T87高强铝合金，有利于提高焊缝熔深及深宽比;

2)保证正极性期间平均电流基本不变，焊缝熔深、深宽比随着脉冲电流频率的增加整体提高，当脉冲频率达到60 kHz时，深宽比与常规VPGTAW工艺相比增加了60%;

3)增大脉冲峰值电流与基值电流的比值，有利于提高焊缝深宽比;占空比20%条件下深宽比随比值的提高增幅最明显，至少提高了67%.

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