浅论铝及铝合金变极性等离子焊接

王晓磊

摘要：变极性等离子焊接是一種新型、高效、经济的焊接方法，在铝合金的焊接方面得到了广泛的应用。由于焊接变形小，生产率高与其它焊接方法相比设备简单，成本低且气孔、夹渣等缺陷少对经济和社会发展具有很强的作用。本文简要介绍了变极性等离子焊接以及其特点。

引言

随着科学技术的发展，低密度、高强度金属材料得到越来越多地应用，铝及其合金以其质量轻，强度高以及优良的耐蚀、耐低温性能，正广泛应用于航空、航天、汽车和民用等工业产品中，成为一种重要的加工材料。

变极性等离子弧焊（Variable Polarity Plasma Arc Welding简称VPPAw）是一种新型、高效、经济的焊接方法，在铝合金的焊接方面得到广泛应用。

1 变极性等离子焊接简介

变极性等离子焊接（Variable Polarity Plasma Arc Welding简称VPPAW）使用特殊设计的焊接电源和控制系统，通过极性的可控变换，可以获得正接时间较长，反接时间较短且电流值分别可调的电流波形。在工件接电源正极的时段中，焊枪可以有效地加热工件，此时钨极不会发生过热;而在工件接电源负极的时段内，则可以利用“阴极雾化”作用清理焊接区的氧化物。通过控制正、反极性时的电流大小以及变换频率，还可以调节熔透情况和阴极雾化清理的强度。

在研究阴极清理作用的影响因素时，发现工件接负极时段内电流大小的影响远大于时段长短的影响，此时段内的电流越大，阴极清理的效果越好;而延长此时段的时间，阴极清理宽度的增加则很有限。该方法很好地解决了焊接铝及铝合金时清除氧化膜和防止电极烧损之间的矛盾，实现了稳定的连续焊接。

2 变极性等离子焊接的特点

变极性等离子焊接具有以下几个方面的特点：

①温度高，能量集中，焊接熔深大，对中厚铝合金板，不开坡口单面焊双面成形，保证熔透。②焊前不需清理，变极性等离子弧的阴极清理作用可将污染物冲走，去除氧化膜效果好。③焊缝气孔率低，金属熔池内的气体能通过小孔全部排出，清除气孔比较彻底。④焊缝正反面受热比较均匀，焊接热影响区窄，工件变形小。⑤焊接层数少，焊缝宽度窄，焊材消耗量小，生产效率高、成本低。⑥钨极缩在喷嘴内不与工件接触，减少钨极损耗，并防止焊缝金属夹钨。⑦焊缝接头力学性能好，x射线探伤合格率高，焊接质量更有保证。

3 变极性等离子焊接设备

①等离子焊接电源;②等离子焊枪;③自动送丝系统;④控制系统;⑤智能温控水箱。

4 变极性等离子焊接的应用

美国国家航空和宇宙航行局（NASA）最早曾使用常规的直流TIG正接焊接方法制造火箭外部燃料储罐，这种铝合金储罐有多种不同的尺寸，其中一种的直径为8.717m、长46.939m，可装载530m3的液氧以及1438m3的液氢，曾用于土星号登月火箭。尽管焊前的接头准备十分充分，但是仍然经常出现焊缝气孔等缺陷。1978年，NASA决定采用由美国波音公司的B.P.VanCleave等在20世纪60年代末就已经开发出的变极性等离子焊接方法取代TIG焊，用于该储罐的焊接，使焊接质量得到了明显的提高。20世纪80年代波音公司也曾用变极性等离子焊接方法焊接了大量铝合金筒体结构的环缝，并对其焊接工艺、设备及质量控制等进行了一系列研究，推动了这种方法的完善。目前，变极性等离子焊接方法已在铝合金结构件的制造中获得了广泛的应用，成为一种很有发展前景的焊接方法。

该方法很适合于铝及铝合金的小孔法焊接。对于用TIG方法需要开坡口且多次焊接的焊缝，用变极性等离子焊接方法中可直接采用I形坡口，焊接一道焊缝既可，这可减少焊前坡口准备工作量，提高了工作效率。极性变换带来的熔池搅拌作用有利于气体的逸出和杂质的排除，焊缝缺陷少、焊道窄且变形小。该方法可以在平、横、立向上和立向下各种位置上焊接。

多年来，NASA对变极性等离子焊接方法进行了大量的实验研究和数值分析工作，包括对小孔焊接过程中能量的分布与损失、焊缝外形的成形规律、焊枪喷嘴结构设计以及各种焊接工艺参数对焊接质量和速度的影响等等，为这种方法在航天工程中的应用提供有价值的资料。目前，我国也已对变极性等离子焊接方法开展了一些研究。

参考文献

[1]薛根奇.VPPAW在铝合金焊接生产上的应用[J].电焊机，2006（2）：36-37.

[2]陈思远.变极性等离子弧焊铝合金厚板工艺研究[J].材料开发与应用，2011（10）：68-69.

[3]陈国余.铝及铝合金的变极性等离子焊接设备与工艺[J].电焊机，2006（2）：22-23.

（作者单位：大连环友屏蔽泵有限公司）