汪殿龍，張志洋，王 波，梁志敏，王 軍

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北省石家莊 050018）

Al-Li合金作為一種新型鋁合金輕質(zhì)材料，由于具有低密度、高強度、高模量以及良好的抗腐蝕性能，逐漸成為兵器工業(yè)及航空航天領(lǐng)域最具潛力的新型金屬結(jié)構(gòu)材料［1-2］。Al-Li合金可直接作為軍用和民用大型航空與航天飛行器結(jié)構(gòu)與功能件（如運載器、發(fā)射裝置、火箭的液氧貯箱及管道等）、汽車與高速列車箱體以及大型軍用艦船等，具有明確的需求牽引和應(yīng)用前景。實現(xiàn)有效連接是Al-Li合金得到應(yīng)用與推廣的前提［3］。

研究人員嘗試不同的焊接方法開展Al-Li合金的焊接性研究，如1420，1460，2090，8090和2195等Al-Li合金可以采用TIG（鎢極氬弧焊）、VPPAW（變極性等離子弧焊）、FSW（攪拌摩擦焊）、LBW（激光焊）、EBW（電子束焊）、釬焊和擴散焊等方法進行焊接。盡管在第3代Al-Li合金中降低了Li的含量而增加了Cu的含量，并添加一些新的合金元素（如Ag，Mn，Zn等），在一定程度上改善了其焊接性，但是焊接接頭組織性能及氣孔、熱裂紋敏感性等問題仍然是提高Al-Li合金焊接性的瓶頸。

1 Al-Li合金焊接研究現(xiàn)狀

TIG焊接因其低成本、通用性好等優(yōu)勢較早地應(yīng)用于Al-Li合金的焊接，在TIG焊接工藝下，Al-Li二元合金的熱裂紋敏感性隨Li含量而變化，并隨熱輸入量增加而增加，熱裂傾向在熱影響區(qū)表現(xiàn)尤為明顯［4］。狄歐經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)2091Al-Li合金在TIG焊接時，由于TIG焊接熱輸入量高，在焊縫區(qū)出現(xiàn)了大面積枝狀晶結(jié)構(gòu)，強度系數(shù)只有64%［5］。

20世紀(jì)80年代末，美國NASA馬歇爾宇航中心SRIVATSAN采用低頻VPPAW替代TIG焊接航天飛行器外儲箱［6］，焊縫質(zhì)量有較大提高，但低頻VPPAW對Mg，Zn的低熔點共晶物燒損嚴(yán)重，破壞合金強化作用。在VPPAW脈沖的基礎(chǔ)上，GOWN，MATUSUDA等通過MIG脈沖電磁攪拌的方法，促進α-Al非均質(zhì)形核，細化了焊縫宏觀組織，但是，VPPAW脈沖為低頻（幾十赫茲）脈沖，受當(dāng)時條件的限制并未就高頻化脈沖對焊縫組織性能的影響展開研究［7-8］。

近年來，隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的興起，F(xiàn)SW逐漸應(yīng)用于Al-Li合金的焊接。CORRAL等對2024和2195Al-Li合金分別進行了攪拌摩擦焊接，發(fā)現(xiàn)焊接接頭為細小的等軸細晶組織［9］。王大勇、馮吉才等對A1-Li-Cu合金FSW攪拌摩擦焊與TIG焊接接頭組織及力學(xué)性能分析進行了對比研究，焊接A1-Li-Cu合金，可以獲得尺寸約4μm的焊縫等軸晶粒，一定程度上改善了焊接頭拉伸強度和延伸率［10-11］。束彪等在研究2195Al-Li合金FSW焊接方法后發(fā)現(xiàn)，熱輸入的增大溶解了接頭中大量的沉淀相顆粒，使接頭的晶粒組織長大，因而強度降低，塑性下降［12］。由于FSW焊接方法應(yīng)用在搭接接頭時，接頭存在夾縫，必然面臨焊接接頭的腐蝕性問題，另外搭接接頭也不利于結(jié)構(gòu)的減重，阻礙了FSW焊接方法在Al-Li合金焊接中的推廣應(yīng)用［13］。

高能束焊接（如LBW，EBW等焊接方法）近年來在Al-Li合金焊接中得到了一定的應(yīng)用。針對激光焊接Al-Li合金的種種問題，國內(nèi)外的焊接工作者探索出了一些新的激光焊接方法，如激光-等離子復(fù)合電弧焊接、激光-MIG復(fù)合電弧焊接等，彌補了采用單一激光焊接熱源焊接接頭組織性能差的不足。常保華等采用激光-等離子弧復(fù)合電弧對1420Al-Li合金進行焊接，等離子弧線能量高、電弧力強的特點增加了熔池流動性，對焊縫表面成形影響較大，但等離子體對激光的吸收、反射作用，降低了激光焊接的穩(wěn)定性［14］。楊憬等進行了激光-MIG復(fù)合電弧Al-Li合金焊接試驗，細晶層的晶粒沿基面外延生長，沿熔合線無明顯的聯(lián)生結(jié)晶特征，在一定程度上改善了接頭軟化問題，但出現(xiàn)了焊縫處硬度降低的問題［15］。俞曠等采用EBW焊接方法對2090Al-Li合金展開研究，焊縫金屬區(qū)組織為等軸晶組織，以α-Al為基體分布著數(shù)量較多的δ′，β′，T1，θ′等強化相，抗拉強度變大而氣孔數(shù)量增加［16］。Al-Li合金的LBW，EBW焊接方法對裝配間隙和對位精度有很高的要求，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)焊縫表面粗糙、咬邊及凹坑等焊縫成形問題，并且焊接設(shè)備昂貴，應(yīng)用起來受多種條件限制［16-20］。

Al-Li合金焊接接頭組織性能受熱輸入量的影響極大，傳統(tǒng)的熔化焊方法很難保證可靠連接的同時精確控制或降低熱輸入量，造成焊接接頭組織性能下降。此外，由于Li的活性以及合金成分的原因使Al-Li合金氣孔和裂紋敏感性要比常規(guī)的鋁合金更為嚴(yán)重，焊接變得更為困難［21-24］。

2 交流CMT焊接技術(shù)

CMT焊接是近幾年逐漸興起的一種輔以焊絲機械運動的低熱輸入量焊接工藝，它是Fronius公司在1997年研究無飛濺過渡、鋁與鋼異種金屬焊接以及薄板焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出的一種新的焊接方法。CMT焊接實現(xiàn)了無電流狀態(tài)（焊絲回抽）下的熔滴過渡，整個焊接過程就是頻繁的“熱-冷-熱”轉(zhuǎn)換，大幅度降低了熱輸入量［25］。2002年Fronius公司開發(fā)出直流CMT焊接系統(tǒng)并應(yīng)用于焊接生產(chǎn)系統(tǒng)中［26-28］。2010年底Fronius公司在直流CMT焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，推出交流CMT（CMT Advanced）焊接系統(tǒng)，不但具備了直流CMT焊接熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)窄、無飛濺過渡、焊縫均勻一致、焊件裝配精度要求低等優(yōu)點，而且交流CMT焊接通過增加負脈沖，由可調(diào)正極性脈沖 （EP-CMT-phase）和可調(diào)負極性脈沖（EN-CMT-phase）組成焊接電弧能量源，可以在低熱輸入量下快速清理鋁合金氧化膜。圖1為直流CMT／交流CMT焊接、脈沖MIG熱輸入量對比與正負極脈沖過渡過程。由于交流CMT焊接技術(shù)出現(xiàn)的時間較短，利用此手段焊接Al-Li系合金相關(guān)文獻報道極少。國內(nèi)已有研究人員利用直流CMT焊接研究鋁合金的焊接工藝，通過降低熱輸入，一定程度上減小了焊接過程中金屬化合物的生成，裂紋敏感性減小［29］。

圖1 CMT電弧熱輸入量及其正負極脈沖Fig.1 CMT arc heat input and its negative and positive pulse

但是，實驗也發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)組織會出現(xiàn)粗大等軸樹枝晶與細小等軸非枝晶的混合組織，降低了接頭強度。在CMT焊接電弧作用下，即使在較低的熱輸入量條件下焊接熔池連續(xù)冷卻，晶粒自由長大，無法改變?nèi)鄢亟Y(jié)晶條件控制凝固組織。在充分利用交流CMT焊接優(yōu)點的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取措施對焊縫金屬結(jié)晶過程進行有效控制，細化晶粒，進一步提高接頭組織性能。

3 DC-DC變換高頻脈沖電弧

一種可行的途徑是采用微細化手段［30］，如電流處理、磁場處理或超聲振動處理打斷長大的枝晶，成為異質(zhì)形核源增加形核率，細化晶粒提高接頭強度。施加脈沖電弧是電流處理的典型方式，有學(xué)者在傳統(tǒng)變極性電流基礎(chǔ)上引入了脈沖電流調(diào)制的方式，形成了具有脈沖電流調(diào)制特性的復(fù)合變極性電流。研究表明，在自由電弧的基礎(chǔ)上加入脈沖電弧，當(dāng)脈沖電流達到較高的頻率以后，焊接電弧已經(jīng)能夠產(chǎn)生一種高頻效應(yīng)，增強了焊接電弧的穩(wěn)定性［31-33］。因此，在焊接過程中引入高頻脈沖電弧的復(fù)合作用，就有可能對熔池金屬的凝固過程產(chǎn)生特殊作用，從而有助于細化焊縫區(qū)晶粒和改善焊縫組織性能。但是，目前所研究脈沖電流頻率一般均處于低頻段，脈沖電流幅值較?。▋H為幾十安培）且脈沖電流參數(shù)難以精確控制和獨立調(diào)節(jié)。

國外著名的焊接設(shè)備公司（如加拿大Liburdi公司）也在進行該技術(shù)的研究，他們在正極性電流持續(xù)期間加入了高頻脈沖電流，但其脈沖電流頻率最高僅達到10kHz，脈沖電流幅值最大為40A。這是因為在高頻脈沖焊接過程中，實現(xiàn)高頻化如超音頻（≥20kHz）大電流脈沖存在一定的技術(shù)難度，尤其在頻率增加至千赫茲數(shù)量級時，焊接過程中電弧的噪音太大，若想把工作頻率增加至超音頻段是非常困難的。

3.1 功率變換主電路

目前焊接電源主電路幾乎全部采用單端正激（反激）主電路拓撲、半橋或全橋主電路拓撲，即使鋁合金焊接使用比較多的VPPAW焊接方法亦是全橋雙逆變電路拓撲，受焊接回路寄生參數(shù)的影響，這些電路拓撲從結(jié)構(gòu)上就決定了無法實現(xiàn)大功率高頻脈沖功率變換。即使能夠?qū)崿F(xiàn)，其電流波形也將發(fā)生很大的畸變，并隨著頻率的提高畸變更加嚴(yán)重，不適合Al-Li合金的焊接。同時，高頻脈沖焊接電弧電流上升沿和下降沿的變化速率（di／dt）是非常重要的特征參數(shù)之一，脈沖電流的變化速率越快，對焊接熔池攪拌作用就越明顯，但是目前常規(guī)脈沖焊接電源di／dt≤5A／μs，進一步提高電流變化速率采用上述主電路幾乎是不可能的。因此，大功率高頻脈沖主電路必須繞開寄生參數(shù)的影響，一種可行的方法是在建立穩(wěn)定恒流源的基礎(chǔ)上，通過串聯(lián)DC-DC變換器如Buck型DC-DC變換器進行斬波調(diào)制。DC-DC變換器本身并不參與恒流源的穩(wěn)流，主功率器件應(yīng)選用開關(guān)頻率達到200kHz以上超快速功率開關(guān)管。圖2為恒流源Buck型DC-DC變換器及近似脈沖輸出波形圖。

圖2 恒流源Buck型DC-DC變換器及近似脈沖輸出波形圖Fig.2 Constant current source buck converter and its approximate output pulse waveform

3.2 功率變換控制算法

無論是傳統(tǒng)的晶閘管焊機還是逆變焊機，電弧電流的控制均是通過輸出負反饋PID閉環(huán)回路調(diào)節(jié)，要實現(xiàn)μs級的精確控制和動態(tài)響應(yīng)是非常困難的，主要原因是傳統(tǒng)弧焊電源無法同時完成直流恒流階段閉環(huán)控制和脈沖平臺階段恒流閉環(huán)控制，控制算法無法達到μs級，高頻脈沖電流幅值的高精度控制也不能得到保證，無法實現(xiàn)頻率、占空比、峰值、基值獨立調(diào)節(jié)。

3.3 超音頻電弧物理特性

超音頻電弧物理特性主要是指高頻脈沖電流功率傳輸問題，當(dāng)輸出回路電感太大時，則實現(xiàn)轉(zhuǎn)換速率達到50～100A／μs將變得十分困難，需要采取適當(dāng)措施來限制焊接回路電感的大小。若能夠?qū)⒑附踊芈冯姼邢拗圃?～10μH的范圍內(nèi)，實現(xiàn)傳輸是完全可行的。如何能夠在增加工件與設(shè)備間距離的同時，而又不過大地增大焊接回路電感成為解決實用性問題的關(guān)鍵。

4 交流CMT焊接高頻脈沖復(fù)合電弧焊接技術(shù)

交流CMT焊接電弧是一種低熱輸入量、弧長可精確控制、帶機械回抽的短路過渡電弧，雖然理論上交流CMT焊接電弧能夠改善Al-Li合金焊接接頭組織性能，但并沒有公開發(fā)表的研究成果論證其接頭的力學(xué)性能。高頻脈沖電弧脈沖頻率超過20kHz，即超音頻階段以上時，弧柱區(qū)電磁收縮力較強，電弧氣氛被壓縮，電弧能量密度和電弧挺度加大。這2種電弧工作機制有本質(zhì)的不同，電弧氣氛差異較大，從而引起電弧物理特性、熔池形貌及結(jié)晶狀況的變化。

4.1 交流CMT焊接高頻脈沖復(fù)合電弧耦合機理

復(fù)合電弧利用低熱輸入量的交流CMT焊接電弧破除合金表面氧化膜，利用高頻脈沖電弧高頻效應(yīng)及其電弧超聲打斷長大的枝晶，細化晶粒。復(fù)合電弧電流大小等于低頻變極性交流CMT焊接電弧電流、間歇極小維弧電流的高頻脈沖電流之和。復(fù)合電弧的關(guān)鍵是需要分析研究各自的電弧特性如何達到“協(xié)同作用”，精確控制復(fù)合電弧的能量耦合。2種物理特性不同電弧能量耦合的關(guān)鍵是掌握好高頻脈沖電弧疊加的時機，利用交流CMT焊接電弧存在短路過渡電流為零的特點，控制高頻脈沖疊加的時機。

由于交流CMT焊接電弧實現(xiàn)了送絲運動與熔滴過渡相結(jié)合，會出現(xiàn)電壓電流短暫為零的時間段，通過電壓電流傳感器判斷交流CMT焊接電弧是否已完成短路過渡，提取該信息作為疊加高頻脈沖電弧的第一觸發(fā)信號，同時盡量減小高頻脈沖群的基值電流（減小熱輸入量）。檢測交流CMT EN-CMT-phase電流相位作為高頻脈沖電弧的第二觸發(fā)信號，進而控制高頻脈沖電流在EN-CMT-phase時間段只輸出極小的維弧電流，避免交流CMT焊接電弧在負脈沖階段與高頻脈沖電弧形成回路。對這2個觸發(fā)信號進行邏輯判斷，控制復(fù)合電弧工作在高頻脈沖模式（輸出高頻脈沖群）和維弧模式（輸出極小的維弧電流）。

4.2 Al-Li合金復(fù)合電弧焊接接頭組織性能優(yōu)化方法

在復(fù)合電弧作用下，例如選用Al-Li系合金中的2195鋁合金板材（先選用2mm板厚，然后逐漸增加板材厚度）及其配套焊材進行對接接頭焊接實驗，通過高速攝像及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對復(fù)合電弧進行觀察和焊接信息提取，分析熔滴過渡形式、熔池流動及焊縫形貌，確定焊接工藝參數(shù)。

根據(jù)不同焊接工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)交流CMT焊接電弧和高頻脈沖電流電弧熱輸入量及其電參數(shù)進行焊接，進一步分析復(fù)合電弧行為、熔滴過渡形式、熔池流動及焊縫形貌，制取焊縫斷面金相試樣，分析焊接接頭微觀組織特征及接頭力學(xué)性能。

通過對焊縫微觀組織特征、金屬間化合物的結(jié)構(gòu)特征及分布特點分析，以及焊接接頭缺陷生成規(guī)律及其力學(xué)性能差異，定性地建立Al-Li合金復(fù)合電弧焊接頭微細觀結(jié)構(gòu)和分布與宏觀性能的關(guān)聯(lián)，明確焊接工藝參數(shù)與Al-Li合金焊縫接頭微細觀結(jié)構(gòu)和分布與宏觀性能之間的變化規(guī)律。根據(jù)復(fù)合電弧氣氛下焊接接頭組織性能及其變化規(guī)律，對Al-Li合金復(fù)合電弧焊接接頭組織性能進行優(yōu)化。

5 結(jié) 語

為了解決航空航天輕質(zhì)鋁合金中Al-Li合金的焊接問題，提出了一種新的焊接方法即采用交流CMT焊接高頻脈沖復(fù)合電弧提高Al-Li合金焊接接頭組織性能。復(fù)合電弧通過交流CMT焊接電弧與高頻脈沖電弧的相互作用，克服各自不足，解決焊接接頭強度系數(shù)低及氣孔、熱裂紋缺陷等問題，進一步提高Al-Li合金的焊接質(zhì)量，實現(xiàn)Al-Li合金的高效無缺陷焊接。

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