铝合金激光—电弧双面焊接中“双弧”形成机理探讨

杜晶晶，杜 鹏，徐 钊

（衡水学院，河北 衡水 053000）

随着工业制造业中焊接工艺运用的范围日益增多，对此研究焊缝正反两面同时施焊，研究扩展得到双面双弧焊接。近些年来得到了越来越多的关注，双面双弧焊与单弧焊相比具有很多优点。为此对铝合金激光-电弧双面焊接中“双弧”展开详细分析。为今后各行各业焊接工艺技术提供参考。

1 铝合金激光焊接技术概述

1.1 铝合金激光焊接发展现状

铝合金激光焊接有诸多优势，焊接变形小、成形好等，因此在工业生产中得到了广泛的应用。但相比较传统的铝合金方法来说，铝合金激光焊接想高质量的实现并不简单，激光焊接铝合金很容易出现下塌和孔洞等缺陷。国内外焊接工作者对此技术进行了改进，使这种焊接工艺得到了进步。提高生产率、降低生产成本方面，激光焊是行之有效的技术方法。激光焊接技术优点，焊接的速度快、效率高、工件热影响区小、变形小，质量也好。焊接条件可以在特殊环境或者温室环境。相对不同的结构或和材料来说，具有较高的适应性，能微型焊接。准确获得很小的光斑后，可以精密的定位，可以焊接接触不到或难以接触的部位，灵活性强。比较电子束焊技术，焊接质量差别不大，激光焊不需要真空环境和保护气成分。

1.2 铝合金激光焊接方法

在多种铝合金激光焊接的焊接方法中，不同的生产场所运用不同的方法。第一，铝合金电阻点焊，主要适合用于4mm厚的薄板进行焊接，在航空航天中出现得比较多。第二，热源为两级间电弧的焊接方法。因为是焊丝保护熔化极惰性气体，所以母材的熔深也大，焊接过程中熔敷速度也高，不仅能够焊接中等和较薄的工件，也能够焊接大厚板的工件。第三，平行缝焊,该方法利用两只同步平行运动的电极轮与盖板产生闭合回路，电流产生局部高温使焊接材料熔化完成焊接，这种工艺一般应用于外形规则对称的小型模块中[1]。第四，激光焊的接头性能良好不受电磁干扰，通过激光焊对高能量密度的产生，使高热量输入工件的待焊接位置的金属，从而达到焊接目的，是一种工艺技术。

1.3 铝合金激光焊接难点

因受基体材料本身性质的影响，铝合金激光焊接存在着很多问题，激光深熔焊小孔坍塌，从而形成气孔，此问题原因是液态铝表面张力低；激光具有良好的传输和聚焦性能，铝合金电导率高，通常产生接头性能差和变形大。激光熔焊方法，是一种较为特殊的熔焊方法，容易出现许多复杂的问题，例如出现焊接接头缺陷。对此总结了以下几点：第一，焊接接头产生焊缝裂纹和接头软化等缺陷。第二，激光焊接冷却速度快，使焊接接头产生气孔问题。焊缝低熔点共晶合金元素成分易在冷却凝固过程中形成裂纹；第三，激光能量消耗量大，由于激光需穿过电弧后才能作用于工件，电弧等离子体对激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的损耗[2]。铝合金电弧自身的稳定性非常差，振荡呈现周期性。提高铝合金激光焊过程的稳定性、能量利用率。这类基本问题得到很好的理论解释。另外铝合金激光焊接的密度要高，是钢铁材料的四五倍[3]。

2 铝合金双面双弧焊的形成机理

2.1 双面双弧非对称焊接

双弧焊接过程中进行施焊的两个电弧在工件的两侧，这种焊接工艺，要两个焊枪保持一定的电弧距离，在前后方面。双面TIG焊的出现频率很高，在目前生产中。双面双弧非对称焊接能够降低金属的熔敷量，加快生产效率，是一种高效的工艺方法。后面进行清根处理时，并且需要对坡口进行彻底的清理。此工作程序能够耗气刨电极，操作上也很消耗时间，焊接金属的熔敷量清根效果很一般，因反面气刨的大幅度增加，很容易出现焊接缺陷，在熔合区中。焊件合格率的检验被直接增加，相对不合格率却大大提高了。焊接过程中，双面双弧焊取消了原有的清根以及检验等焊接程序，很大幅度的提升了焊接效率，并且焊缝两边的热能输入基本对称，在焊接过程中。降低了焊接的变形程度，因此这一焊接方法是高效节能的工艺技术。针对焊枪间距对焊接质量的影响做出了实验。如图1所示，同步焊接时两电弧完全重合，焊接能量集中，熔透性好。

图1 气孔数量及未熔合比例随焊枪间距变化曲线

但此时两侧电弧互相干扰，可能导致紊流，因此气孔较多，随着焊枪间距增大，熔池拉长，能量逐渐分散，未熔合比例增多。

2.2 双面双弧对称焊接

等离子弧在不同的作用强度下，会产生小孔效应，而导致这一问题的原因是过大的钨极氩弧造成的。小孔效应的出现，使焊接效率进一步提升。增加熔深的同时为焊接质量和力学性能提供有效的技术支撑，从而为热影响区的限制条件提供可靠控制手段。激光焊相对投资大，而电弧焊的投资成本偏低，这两种技术的复合，会在很大程度上提高效率。双面弧焊对比其他焊接来说，能够实现工艺技术，并且在程序准备上工作量小，相对激光束焊接设备成本低。PAW-TIG焊的工艺是指，钨极氩弧焊和等离子弧焊同时，对伸缩钻杆进行操作。在一定程度上加大了焊接生产率，此工艺的效果显著。焊缝的质量与原质量相差甚微。既节省了焊接材料，又提高了效率。某大学教授在物理性质上，在对钨极的双面电弧焊展开了研究，对其热流密度创建了控制方程式的同时，构建二维数学模式。对热影响区性能，进行传热规律的剖析，得出双面双弧焊熔深增加的原因[4]。双面双弧焊的焊接参数的选取经过多次试验的调试，参考了单面单弧焊的数据，试验参数见表1。

表1 双面双弧MIG焊T型接头焊接参数表

在试验温度：20℃和空气相对湿度：35摄氏度参数下较单面单弧焊在单位时间内的热输入量大幅度增加，因而，在焊接电流、焊接速度等方面进行了进一步调整。焊接试验的总指导方向是：研究预热温度和电弧前后间距对焊接性能的影响。

3 结语

本文针对铝合金激光-电弧双面焊接中“双弧”的研究中发现，反面碳弧气刨和检验等焊接程序，被双弧焊取消了，不仅对焊接效率有很大程度的提升，而且节省材料没有影响到焊缝质量，焊接程序少，工艺条件易于实现等优点。