7075铝合金等离子-MIG复合焊工艺及组织性能研究

乔琳崴

摘 要：对7075铝合金的常用方法进行解析，其产生裂纹和气孔的概率过大，已经不再适应经济高速发展的时代要求。所以，新的焊接方法应运而生。对等离子-MIG复合焊接所需要的各项研究参数及方法进行研究，对已有的研究进行分析，为铝合金焊接方法的发展贡献绵薄之力。

关键词：7075铝合金；等离子-MIG复合焊接；Super-MIG焊接系统

1 铝合金的应用

铝合金有质量轻、外观好、复杂曲面的制造较简单、比强度高等优点，因此，在世界各国的交通业倍受重视。目前，我国的轨道交通行业，想要继续加快列车运行速度，发展高铁、动车、地铁，就必须将重点放在列车的轻量化上，通过质量的减小，降低列车运行所需的能源量，同时减少运行中所受的空气阻力，铝合金车体的全球化发展势不可挡。虽然铝合金得到了广泛运用，但其焊接性能差，有应力腐蚀开裂倾向。焊接时，由于其脆性强，并且焊接后的强度要求高，一般使用常用的焊接方法焊后依然会产生裂纹或者气孔。由于传统方法有裂纹风险，随着时代的进步，产生了复合焊接的方法，可以更好地应用在7075铝合金焊接领域。

7075铝合金是一种冷处理锻压合金，强度高。锌是7075中主要的合金元素，向含有3.0%～7.5%锌的合金中添加镁，可形成强化效果显著的MgZn2，使该合金的热处理效果远胜铝-锌二元合金。提高合金中的锌、镁含量，抗拉强度会得到进一步的提高，但其抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀的能力会随之下降。经受热处理，能達到非常高的强度。7075材料一般都加入少量铜、铬等合金，该系中以7075-T651铝合金为上品，被誉为铝合金中最优良的产品，强度高，远胜任何软钢。此合金具有良好的机械性能，代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体。7075铝合金板的硬度大约为150 HB，抗拉强度为540 MPa，伸长率为11%，而且经过固溶处理的7075铝板具有良好的塑性，通过热处理可以得到非常理想的效果，在150 ℃下具有高强度和较好的低温强度。7075铝板是高强度可热处理合金，具有良好的机械性能，易于加工，耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性能好。

2 铝合金常用的焊接方法

传统的铝合金焊接方法有以下几种：气焊、熔化极气体保护焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）、电阻焊、钎焊。其中，常用的是熔化极气体保护焊。GMAW是一种被广泛应用的工业生产手段，焊接速度快，热量低，生产成本低。GMAW因其焊接质量高、设备成本低，已成为许多行业不可缺少的焊接方法。在实际应用过程中，最终的焊接质量至关重要，因此，焊缝必须无缺陷。GMAW方法一直用于高质量的焊接，在发电厂和制造应用中表现良好。

铝焊接时不稳定的电弧和烟尘的形成是熔化极惰性气体（Melt Inert-Gas，MIG）焊接近些年尚未解决的问题之一。由于工业需求的显著增长，GMAW产品需要有更长的使用周期，制造商正承受压力，急需通过精简原则来降低成本和开发更高效的制造技术。所以，产生了一种新方法，即等离子-MIG复合焊。等离子-MIG复合焊是一种利用等离子弧和MIG焊优点的MIG焊接[1-2]，等离子电极安装在接头，流过电弧的保护气体在电弧的上游区域被等离子体电极电离，保护气体的流动控制着电弧的形状[3]。等离子-MIG混合焊接工艺由等离子激光技术公司（以色列约克尼姆）开发，有助于应对需求增加、循环周期加快和更高效制造管接头应用的挑战。新的焊接工艺称为Super-MIG，最近被证实是GMAW在管道连接应用中的一种可行替代方案，提供高质量的焊接，能显著加快焊接处理速度、缩短焊接时间并降低成本。

到目前为止，已经有很多关于等离子-MIG焊工艺的应用和金属转移及其电弧特性的研究。有学者研究过等离子MIG的电弧特性焊接并报告电弧柱内温度约为6 727 ℃，周围有金属蒸汽的等离子弧中记录的较高温度约为13 273 ℃。在用低碳钢进行金属转移的研究中，有学者已经完成了直流正接（Direct Current Electrode Positive，DCEP）极性的研究，电离保护气体影响电弧和金属熔滴，其中有两种类型的金属转移被观察到：高能量密度、固定窄弧相对较低的MIG电流和低平均值的旋转模式MIG，他们还发现电弧周围存在电离等离子体流柱，对于减少飞溅，进一步提高了可能性。他们只关注金属转移行为但没有作详细的分析。在理解金属转移现象的重要性方面，有学者对等离子-MIG复合焊进行了数值模拟，利用电弧、熔滴相互的作用来模拟金属的剥离和熔池形成。他们只算出电离等离子体的温度在11 273～12 273 ℃，但是没有关于熔滴的形成及其温度的研究。

3 等离子-MIG复合焊接工艺原理

等离子-MIG焊接系统由两个电源组成：MIG焊接具有恒压特性的电源以及具有恒流特性的等离子体电源。两个电源的正极性都与触点相连，焊枪和等离子电极的尖端（在MIG侧）呈负极性，焊枪设计成允许等离子和MIG焊接在一个焊炬中，并且等离子被设置为关闭。此外，火炬还有一个3种气体同时流动的机制：中心气体、等离子气体和氯化气体同时流动。然而，在这个试验中，所有层都使用氩气。

熔滴表面温度分布的测试结果通过双色温度常规MIG焊的测量方法获得。平均大小是指在水平方向测量的熔滴直径值，而平均温度是指表面熔滴温度。结果表明，常规MIG焊的焊接温度比等离子焊高，其中MIG焊分别为2 996 ℃和2 532 ℃。传统MIG焊熔滴尺寸为1.07 mm，小于等离子-MIG熔滴焊接尺寸（1.66 mm）。两种情况下熔滴表面的温度分布几乎一致。等离子-MIG焊接的熔滴传输方式是球形的。

4 试验材料、设备及方法

7075铝合金作为新型高强铝合金，在轨道交通领域具有广泛的应用前景，本研究采用Super-MIG机器人焊接系统，以直径为1.2 mm的ER5356铝硅焊丝为填充材料，进行4 mm厚7075铝合金等离子-MIG复合焊对接试验。

对于本次试验，通过查阅资料，发现对Super-MIG有影响的焊接参数包括焊接速度、MIG电流和等离子电流，等离子气流量和焊矩高度有关，其他参数对其影响不大。通过改变上述参数来研究焊缝成形的好坏。

所需要的焊接设备包括Super-MIG焊接系统，用于焊接工艺试验；多功能焊接平台，用于焊接工艺试验； OLYMPUS-BX51M光学显微镜，用于宏观及微观组织分析；WDW-300E微机控制电子式万能试验机，用于拉伸试验；HV-1000B型显微硬度计，用于硬度分布测试。

焊接设备采用等离子复合焊接，在復合电弧中，等离子电弧电流为直流模式，MIG电弧电流选用脉冲模式，焊接设备采用等离子-MIG复合焊接机器人系统，包括Super-MIG等离子焊接电源及旁轴式等离子-MIG复合一体化焊枪、TransPuls Synergic 5000 CMT气体保护焊机、MOTOMANHP20D机器人及焊接变位机。

进行焊接之前，先要对被焊材料进行焊接前的准备工作，这些工作包括材料的切割、开坡口及坡口的加工、表面的处理等。完成了这些焊前准备工作，所得到的焊接接头参数才能更加精确。将板踩切开之后，要对切口断面进行精加工，以保证所用板材焊接时的参数不受外来因素影响，精加工方式可以采用铣床，进行铣床操作时要保证板材端面的垂直度及表面粗糙度。这样两块板材在对接焊接时才能保证对齐，试验效果不会受位置因素影响。铝合金板的表面易产生致密的氧化膜，难以去除，可以采用机械方法来去除。还应使用丙酮清洗表面和端面的污垢，并且在焊接过程中也应及时防氧化，用丙酮擦拭焊丝的表面。

焊接后先使用X射线衍射仪进行无损检测，确定所焊接的板材无致命缺陷或关键性焊接缺陷，将满足后续力学试验条件的板材筛选出来，然后进行力学性能试验。

首先进行拉伸试验，采用标距为50 cm、总长为150 cm、厚度为原始厚度的试样进行拉伸试验。选取试样时注意通过上一步的无损检测，将有缺陷、不宜参加拉伸试验的试样筛选出序列，这样不仅可以得到清晰明了的试验数据，也能加快试验进度、减少无用数据的出现概率。通过拉伸试验可以得到抗拉强度、屈服强度、延伸率等数据。

硬度测试方面，采用维氏硬度。硬度代表材料的硬度指标，与一般的力学性能所代表的意义有些许不同，一个材料的硬度往往对材料的使用寿命这一重要指标有重要影响。对于焊缝区和热影响，可使用HV-1000B维氏硬度计作为试验设备，设定载荷为200 gf，负载的加载时间为20 s。沿焊缝中心与试样边缘平行的水平线，每隔0.5 mm设置一个测试点，测量每个点的硬度，以便更好地了解等离子-MIG复合焊接接头的性能变化。

5 结语

现如今，铝合金的等离子-MIG复合焊接仍不具备系统的操作指导，在这个高速发展的时代，传统的铝合金焊接方法被取代只是时间问题。所以，应该将眼光放长远，为今后的铝合金焊接发展作好铺垫，为今后轨道、车辆铝合金轻量化作出贡献。

[参考文献]

[1] 武恭.铝及铝合金材料手册[M].北京：科学出版社，1994.

[2] 王利军.车体铝合金厚板切割工艺研究[D].长春：吉林大学，2005.

[3] 关振中.激光加工手册[M].北京：中国计量出版社，2007.