胡子鑫，曾敏，袁松，王卓然

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

隨著有色金屬在航天航空、交通運(yùn)輸、核電、化工、海洋工程等領(lǐng)域需求量的提升[1—3]，有色金屬焊接技術(shù)作為有色金屬加工的重要方法之一，也得到了廣泛的關(guān)注。電弧焊接、高能束焊接、復(fù)合焊接等是有色金屬焊接的常用方法[4]。電弧焊中TIG焊、MIG焊目前廣泛應(yīng)用于鋁鎂等各類有色金屬構(gòu)件的焊接。TIG焊的電弧穩(wěn)定、焊接質(zhì)量高，但焊接速度過慢、焊接效率低；MIG焊金屬填充能力強(qiáng)、焊接速度快、焊接生產(chǎn)率高，焊接熱影響區(qū)大，焊縫的熔寬和變形較大[5—8]。高能束焊接方法的能量集中、熱輸入量大，更加適用于深熔焊接。在高能量束焊接方法之中，激光焊、電子束焊、等離子弧焊廣泛應(yīng)用于有色金屬焊接。激光焊設(shè)備柔性大、成形精度高，但能量利用率較低，對(duì)工件接頭的裝配精度要求高；電子束焊接速度快、焊接質(zhì)量高，但設(shè)備昂貴，焊件形狀尺寸受腔體的限制，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)[9—11]；等離子弧焊成本較低、焊接生產(chǎn)率高，但焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用范圍較窄。單一電弧焊接、高能束焊接方法都有各自顯著的優(yōu)缺點(diǎn)，復(fù)合焊接方法能充分發(fā)揮各自焊接方法的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。等離子-MIG焊結(jié)合了 MIG焊填充金屬能力強(qiáng)和等離子弧焊能量集中、焊接速度快的優(yōu)勢(shì)，克服了MIG焊焊縫熔寬大、易變形以及等離子焊焊接范圍窄的缺點(diǎn)，真正達(dá)到了“1+1>2”的效果[12—14]。目前，等離子-MIG焊已經(jīng)在有色金屬焊接中取得了一定的研究進(jìn)展和應(yīng)用。

文中將對(duì)等離子-MIG焊的工作原理及特點(diǎn)、等離子-MIG焊在有色金屬領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及研究進(jìn)展、應(yīng)用前景進(jìn)行分析和展望。

1 等離子-MIG焊工作原理

等離子-MIG焊最早由荷蘭 Philips公司于 1972年提出，這種方法將等離子電弧和 MIG電弧組合形成復(fù)合電弧型電弧進(jìn)行焊接[15]。在焊接過程中，等離子-MIG焊電源采用直流反接的方式，焊接工件接負(fù)極，由于陰極霧化作用有助于表面氧化膜破碎及清除，等離子電弧在熔池內(nèi)部的攪拌作用能夠加快氫氣的溢出，防止氣孔的產(chǎn)生，減少了焊接缺陷[16—18]，提高了焊接質(zhì)量。

等離子-MIG焊可分為同軸式和旁軸式。由于焊槍結(jié)構(gòu)和工作原理不同，使得這兩種工作方式各具不同的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合也有所不同。

1.1 同軸式等離子-MIG焊工作原理

同軸式等離子-MIG焊接系統(tǒng)主要由等離子-MIG一體式焊槍、MIG送絲系統(tǒng)、等離子焊電源、MIG焊電源、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成，同軸式等離子-MIG焊槍示意圖如圖1所示。采用氬氣作為等離子氣和保護(hù)氣。工作時(shí)在焊絲和工件之間產(chǎn)生MIG電弧，MIG電弧處于焊槍中心位置，而在焊槍噴嘴表面和工件之間產(chǎn)生等離子弧，等離子電弧將 MIG電弧包裹于其中，復(fù)合電弧挺度大，使復(fù)合電弧的能量更加集中，焊接中大厚度金屬能夠一次性焊透，且不用提前開坡口，大大提高了焊接效率，可應(yīng)用于深熔焊的場(chǎng)合[19]。但由于等離子電弧和 MIG電弧同時(shí)在焊槍內(nèi)燃燒，焊槍的設(shè)計(jì)困難，制造成本較高[20—22]，焊接過程中電弧穩(wěn)定性較差，焊槍噴嘴容易被熔融焊絲金屬堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。

圖1 同軸式焊槍Fig.1 Coaxial welding torch

1.2 旁軸式等離子-MIG焊工作原理

旁軸式等離子-MIG焊系統(tǒng)主要由一體化焊槍、控制主機(jī)、MIG電源、等離子電源、送絲裝置、焊槍自動(dòng)清理裝置和焊接機(jī)器人組成，旁軸式等離子-MIG焊槍示意圖如圖2所示。工作時(shí)，等離子電極為負(fù)極，MIG電極為正極，電流通過兩個(gè)電極的相互作用產(chǎn)生電磁力，而電磁力牽引等離子電弧向焊接熔池前方移動(dòng)，等離子電弧在前方起到預(yù)熱和熔化母材的作用，后方 MIG電弧起到熔化焊絲和填充金屬的作用。這種工作方式對(duì)焊槍設(shè)計(jì)要求低，實(shí)現(xiàn)了高效的焊接[23—25]；但旁軸式等離子-MIG焊的雙電弧熱源并未同時(shí)作用于熔池，熔透能力較差，焊接中大厚度金屬板需要開坡口，焊接效率較低，熱影響區(qū)較大。

圖2 旁軸式焊槍Fig.2 Paraxial welding torch

2 等離子-MIG焊在有色金屬焊接中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前等離子-MIG焊主要應(yīng)用于鋁合金的焊接，也有學(xué)者將其用于焊接鎂、銅等合金，并取得了一定的研究成果。下面從數(shù)值模擬、控制與監(jiān)測(cè)方法、工藝參數(shù)研究等方面，對(duì)等離子-MIG焊的研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述。

2.1 等離子-MIG焊數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬是探究等離子-MIG焊熔滴過渡行為、熱傳遞情況、物理場(chǎng)耦合影響的重要研究手段，能夠揭示等離子-MIG焊接過程的物理本質(zhì)[26]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過建立熔池三維模型、熱傳遞模型和熔池流體流動(dòng)模型等對(duì)等離子-MIG焊接過程進(jìn)行研究，分析了不同的物理場(chǎng)對(duì)焊縫熔池和熔滴過渡過程的影響。Hertel等[27]對(duì)同軸式等離子-MIG焊的焊接過程進(jìn)行了仿真模擬，建立了熔滴過渡的VOF-MHD數(shù)值模型來模擬其焊接過程，圖3為熔滴過渡示意圖，其中MIG焊電流為273 A，等離子電流為140 A。研究結(jié)果表明，在等離子-MIG焊過程中，焊絲周圍氣體發(fā)生了電離，將影響電磁收縮力和電流密度分布，因此與 MIG焊相比，復(fù)合焊中焊絲處電流密度較低，焊絲電極的電流路徑會(huì)對(duì)熔滴的脫落產(chǎn)生較大影響。

劉磊等[28]采用ANSYS軟件對(duì)等離子-MIG焊的電弧空間流動(dòng)和溫度分布進(jìn)行了仿真模擬，得到的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布如圖4所示，并以此為基礎(chǔ)對(duì)復(fù)合電弧的起弧和引弧過程進(jìn)行了分析。研究顯示，弧尾拖曳、槍體掛滴、氣體流量 3個(gè)因素會(huì)對(duì)等離子-MIG焊的起弧和引弧過程產(chǎn)生較大影響?；∥餐弦方o等離子噴嘴后部提供了多余的熱量，影響了溫度場(chǎng)的分布，并會(huì)對(duì)電弧穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響；槍體掛滴使等離子噴嘴底部區(qū)域的溫度上升，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致等離子電弧脫離原來的位置并轉(zhuǎn)移到掛滴的位置；氣體流量主要會(huì)對(duì)等離子電弧的引弧產(chǎn)生影響，而對(duì) MIG電弧影響較小，氣體流量較小時(shí)，電弧空間中空氣所占比例過大，由于氬氣的擊穿電壓小于空氣的擊穿電壓，使得擊穿變得困難，等離子電弧無法引燃。

圖3 同軸式等離子MIG焊熔滴過渡示意圖[27]Fig.3 Coaxial plasma-MIG droplet transition diagram

圖4 電弧空間的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬[28]Fig.4 Simulation of flow field and temperature field in arc space

在等離子-MIG焊接成形組織的仿真研究方面，李麗瓊[29]等采用等離子-MIG焊方法，通過施加不同的熱輸入來分析 7075-T6鋁合金焊接熱裂紋的敏感性，并利用有限元軟件仿真分析了鋁合金熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理，其微觀裂紋的模擬結(jié)果如圖5所示，圖5a中無裂紋產(chǎn)生，圖5b中有裂紋產(chǎn)生，兩者的最大應(yīng)變分別為0.0101和0.0135。研究表明，根據(jù)“在脆性溫度區(qū)間相差微小的應(yīng)變?nèi)菀讓?dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生”的理論，從圖5a和圖5b發(fā)現(xiàn)，雖然兩者焊接線能量相差較大，但在相同限制條件下，兩者之間存在微小的應(yīng)變差是熱裂紋產(chǎn)生的主要原因。

文獻(xiàn)[30—33]利用有限元軟件構(gòu)建仿真模型，分別對(duì) MIG焊和等離子弧焊的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熔池形態(tài)等進(jìn)行了研究和分析，對(duì)等離子-MIG焊數(shù)值模擬方法研究也具備一定的指導(dǎo)作用。

2.2 等離子-MIG焊控制與監(jiān)測(cè)方法研究

等離子-MIG焊的可調(diào)節(jié)參數(shù)多，等離子弧焊參數(shù)和MIG焊參數(shù)對(duì)焊接過程、焊縫成形等都有影響，因此需要良好的控制和檢測(cè)手段對(duì)整個(gè)焊接過程進(jìn)行優(yōu)化。為了提高焊接質(zhì)量，Guo等[34]建立了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊接質(zhì)量智能判斷系統(tǒng)，對(duì)焊接過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了焊接缺陷的識(shí)別效率，其構(gòu)建的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。

該網(wǎng)絡(luò)首先獲取焊縫表面的圖像信息作為輸入層，在初始網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類，并在第二層中將其轉(zhuǎn)換為模糊量，在第三層模糊推理層中結(jié)合焊縫數(shù)據(jù)對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過第四層銳化處理得出優(yōu)化的控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫分類的準(zhǔn)確率高達(dá)90%，所提出的優(yōu)化焊接參數(shù)來提高焊接性能的方法有效可行。

楊濤等[35]開發(fā)了適用于等離子-MIG焊的增量式PID控制算法，將其應(yīng)用于短路過渡、滴狀過渡、噴射過渡3種形式下的復(fù)合電弧控制，得到的焊縫成形效果如圖7所示。

圖5 微觀裂紋模擬示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of micro crack

圖6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型[34]Fig.6 Structural model of fuzzy neural networks

圖7 3種形式下的焊縫成形圖像[35]Fig.7 Welding bead forming image under three forms

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用的增量式PID控制的等離子電弧具有自我調(diào)節(jié)功能，能夠通過電弧的自動(dòng)調(diào)節(jié)來穩(wěn)定焊接電流，在這 3種過渡形式下均能得到光滑的焊縫表面，焊接過程的飛濺問題得到了有效的控制，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性高、流動(dòng)性好、焊縫質(zhì)量高的焊接過程。

Liu等[36]建立了三維視覺傳感系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量熔池的幾何尺寸優(yōu)化焊接過程。該閉環(huán)控制系統(tǒng)的示意圖如圖8所示，在焊接過程中，高速攝影儀不斷獲取焊縫的圖像信息，經(jīng)過灰度處理后將熔池的形態(tài)數(shù)據(jù)特征實(shí)時(shí)傳入非線性ANFIS熔深估計(jì)模塊，經(jīng)過線性預(yù)測(cè)控制器處理后發(fā)送控制命令，對(duì)焊接電流和焊接速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，電弧長(zhǎng)度從 5 mm到3 mm的變化過程中，整個(gè)焊接過程仍能穩(wěn)定進(jìn)行，系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)性能良好，表明該系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。

圖8 控制系統(tǒng)示意圖[36]Fig.8 Schematic diagram of control system

文獻(xiàn)[37—40]采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID模型、視覺監(jiān)測(cè)和反饋控制方法、自適應(yīng)焊縫跟蹤監(jiān)測(cè)方法等對(duì)焊接過程進(jìn)行了優(yōu)化，研究成果對(duì)于提高電弧的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量具備一定的指導(dǎo)價(jià)值。

2.3 等離子-MIG工藝參數(shù)研究

合適的工藝參數(shù)是提高焊接質(zhì)量和效率、減少焊接缺陷的關(guān)鍵。Lee等[41]采用同軸式等離子-MIG焊來焊接低溫鋁合金材料，發(fā)現(xiàn)焊接過程中 MIG焊送絲速度和等離子焊槍噴嘴直徑參數(shù)不同會(huì)導(dǎo)致焊縫表面產(chǎn)生不對(duì)稱咬邊和黑色斑點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中控制等離子電流在200 A以下，逐漸提高送絲速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，MIG焊電流的增加是黑色斑點(diǎn)的成因。

Lee等[42]還研究了等離子電流對(duì)這兩種表面缺陷的影響，并與 MIG焊進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，保持送絲速度及焊槍噴嘴直徑不變，當(dāng)?shù)入x子電流超過200 A時(shí)，強(qiáng)等離子電弧力導(dǎo)致了焊縫表面產(chǎn)生咬邊缺陷，實(shí)驗(yàn)的焊縫外觀示意如圖10所示。

Guo等[43]采用旁軸等離子-MIG焊方法對(duì) 6 mm厚5083鋁合金板材進(jìn)行焊接，研究了焊接速度、等離子電流、MIG焊電流、等離子氣體流量等工藝參數(shù)對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，隨著焊接速度的增加，焊縫的熔寬和熔深均減??；隨著 MIG焊電流的增加，焊縫的熔寬和熔深均增大；隨著等離子弧焊電流和等離子氣體流量的增加，焊縫的熔深增大，而對(duì)焊縫的熔寬幾乎不產(chǎn)生影響。

文獻(xiàn)[44—46]也利用等離子-MIG 焊方法對(duì)鋁合金焊接的工藝參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，均取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。另外，在其他有色合金的應(yīng)用方面，Asai等[47]探究了等離子-MIG焊在銅合金材料上的可焊接性，以4 mm厚純銅板、1.2 mm純銅焊絲為原材料，在未進(jìn)行母材焊前預(yù)熱的前提下，利用等離子-MIG焊、等離子弧焊、MIG焊3種方法進(jìn)行焊接，得到的焊縫效果如圖12所示。

圖9 不同送絲速度下的黑色斑點(diǎn)缺陷[41]Fig.9 Welding defect of smut at different feeding speed

圖10 不同等離子電流下的不對(duì)稱咬邊缺陷[42]Fig.10 Welding defect of asymmetric undercut at different plasma currents

圖11 各項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)焊縫熔寬和熔深的影響[43]Fig.11 Effect of various technological parameters on weld width and penetration

圖12 各種焊接方式的焊縫成形[46]Fig.12 Weld seam forming diagrams of various welding methods

實(shí)驗(yàn)中等離子電流均為 200 A，MIG焊電流為200 A，等離子-MIG焊實(shí)驗(yàn)中MIG焊電流為144 A。結(jié)果顯示，在相同等離子電流下，只采用等離子弧焊不能將母材金屬熔化；將MIG焊和等離子-MIG焊相比，MIG焊需要更大焊接電流，且熔深淺、電弧穩(wěn)定性差、焊接時(shí)飛濺大。研究還發(fā)現(xiàn)等離子-MIG焊的等離子電弧起到了良好的預(yù)熱母材的效果，沉積金屬與母材具有良好的濕潤(rùn)性，電弧穩(wěn)定，飛濺減少。

在鎂合金研究方面，劉正等[48]將變極性等離子-MIG焊應(yīng)用于AZ31B鎂合金型材的加工制造，焊接設(shè)備選用旁軸式等離子-MIG焊機(jī)，研究了MIG電壓、等離子電流、焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響、焊件的金相組織及其力學(xué)性能，得到了豐富的研究成果。研究發(fā)現(xiàn)，鎂合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生飛濺，焊后會(huì)有焊瘤累積，如圖13所示。

研究結(jié)果表明，鎂合金相比鋁合金更加活潑，同樣作為輕質(zhì)有色金屬材料，鎂合金型材的焊接參數(shù)范圍窄，在有限的參數(shù)范圍中才能得到焊道連續(xù)、焊接缺陷較少的焊縫，限制了等離子-MIG焊在鎂型材上的應(yīng)用。進(jìn)一步深入研究其熔滴過渡機(jī)理和各個(gè)物理場(chǎng)的影響，對(duì)于將等離子-MIG焊應(yīng)用于鎂合金板材的焊接具有重大實(shí)現(xiàn)意義。

圖13 焊縫缺陷[48]Fig.13 Weld defect

3 等離子-MIG焊應(yīng)用前景及展望

有色焊接材料的應(yīng)用極為廣泛，覆蓋汽車、軌道交通、航天航空、核電、化工、石油、電力裝備、建材、電器、電子、輕工、金屬制品等產(chǎn)業(yè)，在整個(gè)制造業(yè)中占據(jù)重要地位[49—50]。近年來，作為溝通內(nèi)陸與港澳地區(qū)制造業(yè)發(fā)展的橋梁，大灣區(qū)焊接行業(yè)作為經(jīng)濟(jì)效益顯著、開放程度高的行業(yè)之一也得到了空前的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的航天航空、汽車及武器裝備等行業(yè)也需要高效率，低成本的先進(jìn)焊接制造技術(shù)為其提供高質(zhì)量、高性能、高可靠性的金屬構(gòu)件。等離子-MIG焊接就是適應(yīng)于這些領(lǐng)域的先進(jìn)焊接制造技術(shù)之一。與設(shè)備復(fù)雜，成本較高的電子束焊接和激光焊接相比較，等離子-MIG焊設(shè)備的生產(chǎn)成本更低，加工靈活性更強(qiáng)、生產(chǎn)效率更高。特別在現(xiàn)今鋁合金材料大規(guī)模應(yīng)用于各行各業(yè)，鈦、鎳等合金材料應(yīng)用于先進(jìn)裝備制造，中大厚度有色金屬材料開始供不應(yīng)求[51—53]，目前這些行業(yè)主要采用MIG焊方法，雖然MIG焊設(shè)備成本較低，焊接生產(chǎn)率高，但對(duì)于中大厚度構(gòu)件，MIG焊熱輸入不夠，難以做到一次成形，影響了制造效率。等離子-MIG焊是替代傳統(tǒng)MIG焊方式的首選，它不僅大大提高了焊接效率，同時(shí)改善了構(gòu)件的焊接質(zhì)量，能夠達(dá)到先進(jìn)制造要求。等離子-MIG焊在有色金屬領(lǐng)域的研究進(jìn)展顯著，但其復(fù)雜的雙電弧耦合機(jī)制，較困難的焊槍設(shè)計(jì)給等離子-MIG焊設(shè)備的推廣應(yīng)用帶來了一定的困難。等離子-MIG焊方法推廣應(yīng)用有下述問題需要進(jìn)一步研究和探討：① 等離子-MIG焊雙電弧耦合機(jī)理的研究有待推進(jìn)，需要借助仿真和實(shí)驗(yàn)等手段完善其理論體系；② 等離子-MIG焊的多物理場(chǎng)的協(xié)同作用機(jī)理需要進(jìn)一步探究，溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、電磁場(chǎng)等物理場(chǎng)的深入研究為等離子-MIG的熔滴過渡機(jī)理提供理論指導(dǎo)；③ 等離子-MIG焊系統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)一步優(yōu)化。借助先進(jìn)的智能控制方法、智能監(jiān)測(cè)手段提高整套設(shè)備的可靠性和精確性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過程的協(xié)調(diào)穩(wěn)定。