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航空弧焊新技术之超高频脉冲TIG焊接技术 |
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作者：齐铂金 杨明轩 从保强 刘方军 |
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超高频脉冲TIG焊接技术可实现20kHz以上的电流变换频率且具有超快速的电流沿变化速率(di/dt≥50A/us)，在其基础上可分别进行超高频直流脉冲TIG焊及超高频变极性脉冲TIG焊，完成对钛合金、铝合金等航空工业常用金属材料的焊接加工。结果表明，超高频脉冲TIG焊接技术可有效降低焊缝的气孔敏感性，细化晶粒，显著提高焊接接头力学性能，能大幅提升航空飞行器焊接结构件的综合性能，具有重要的工程意义和广泛的应用前景。
焊接作为一种传统的材料加工技术，在航空工业占有重要地位，广泛应用于飞机结构件连接、发动机制造等领域，其主要对象为钛合金、铝合金等金属材料，目前，尽管高能束流焊接（电子束、激光焊等）和固态焊接技术（搅拌摩擦焊等）都取得了较大进步，但钨极氩弧焊（TIG焊）作为航空工业中针对钛合金、铝合金的常用焊接方式，仍将以其独特的优势和工艺特点在今后相当长一段时间内占据重要地位。
钛合金具有较高的比刚度、优异的抗腐蚀性能，同时具有密度小，韧性和焊接性好等特点，在航空器制造中应用广泛，目前使用的钛合金中有50%为a + b双相Ti-6Al-4V钛合金。2219高强铝合金因为其优良的性能在航空领域也得到广泛应用。由于TIG焊局部加热的工艺特点，常规TIG焊钛合金焊件普遍存在接头晶粒粗大和组织不均匀的问题；2219铝合金常规TIG焊接头强度仅为母材金属的50%~60%，接头软化严重，气孔倾向性大。以上问题都阻碍了航空工业中常用金属材料的焊接加工，因此需要改进常规TIG焊技术以满足工程需求。
随着现代先进电源变换理论的发展，脉冲TIG焊作为一种先进的焊接工艺方法逐步在航空焊接中得到了广泛应用和推广，研究表明在自由电弧的基础上加入高频脉冲电流可提高电弧稳定性，促进焊缝晶粒细化，提高接头力学性能，有利于改善焊接质量。超高频脉冲TIG焊接技术基于新型电源拓扑大幅提升了电流沿变化速率(di/dt≥50A/us)，可输出20kHz以上的超高频脉冲方波电流，进一步增大了电弧能量密度、电弧力，提高了焊缝质量，并将在钛合金、铝合金等金属材料的航空器零部件加工中逐步得到应用，对焊接结构件的综合性能提升作用显著，具有重要的工程应用价值。
超高频脉冲TIG焊
超高频脉冲TIG焊电源可实现电流变换频率≥20kHz且具有超快速的电流沿变化速率(di/dt≥50A/us)，基于此可实现超高频直流脉冲TIG焊及超高频变极性脉冲TIG焊（见图1）。
图1 超高频脉冲焊接电弧
超高频脉冲方波电流输出有利于改善焊缝组织形态，增大熔池的流动性，从而有效减少甚至清除气孔，同时可促进焊缝晶粒细化，提升焊缝力学性能；较大的电流沿变化速率有利于保证脉冲方波电流的可控性，特别地，在铝合金超高频变极性脉冲TIG焊接过程中，50A/us以上的电流沿变化速率将有效避免了电流过零易熄弧的问题，保证了电弧的稳定性。
工艺适用性及技术特点
气孔敏感性 焊缝气孔是TIG焊工艺的典型焊接缺陷，严重影响飞行器结构件的承载能力及疲劳寿命。超高频脉冲TIG焊可有效提高熔池流动性，较大的电弧力对熔池形成机械冲击，有利于气孔的逸出，降低焊缝气孔敏感性。
图2为铝合金TIG焊焊缝成形及X射线探伤结果。由图2b（左）可知，常规TIG焊所焊接的2219铝合金焊缝中心出现了较大的连续气孔；图2b（右）为在同样工况条件采用超高频脉冲TIG焊焊缝则无气孔缺陷。
钛合金常规TIG焊过程中，焊缝中常会出现气孔（图3），气孔的存在不仅会造成应力集中，而且会降低钛合金焊接接头的抗腐蚀能力与疲劳寿命，影响钛合金焊接构件的可靠性。超高频脉冲TIG焊可有效减少甚至清除焊缝气孔，保证焊缝成形外观优良，提高焊缝质量（图4）。
焊缝显微组织 图5为常规TIG焊及不同频率的超高频脉冲TIG焊所焊接的2219铝合金焊缝显微组织，由结果可知，未加入脉冲电流时，接头焊缝区组织以粗大树枝晶为主，如图5a（左）所示；当脉冲电流频率增加至20 kHz以上时，在焊缝中部出现了平均晶粒尺寸约为23~26μm且呈带状分布的细小等轴非枝晶组织，并与焊缝中部的等轴树枝晶交替分布，晶粒细化明显，如图5a（右）及图5b所示。
采用常规变极性TIG焊接工艺进行2219-T87铝合金焊接，获得焊缝的热影响区硬度较高，焊缝金属区和熔合区（距离焊缝中心约3~5 mm）硬度均比较低，成为焊接接头的薄弱部位；加入超高频脉冲方波电流后，2219-T87焊缝金属区和熔合区硬度均明显提高，焊缝中心部位硬度可达95HV以上，有效地解决了高强铝合金TIG焊接头软化问题。
钛合金超高频脉冲TIG焊显微组织如图6所示，可见在高频脉冲电流作用下，晶粒细化趋势明显，显微组织以短棒状 a 马氏体组成的网篮状组织为主。
采用截距法测量钛合金焊缝显微组织晶粒尺寸（图7），由测试结果可知，常规直流TIG焊所焊接的焊缝晶粒度为-3级，与之相比，超高频脉冲TIG焊所焊接的焊缝晶粒平均截距减小了65%以上，晶粒细化显著。这是因为超高频脉冲TIG焊电磁搅拌增强了熔池流动性，降低了焊缝中粗大柱状晶出现的可能，同时，高频脉冲焊接电弧能量密集，在焊件均焊透的前提下，其焊接热输入低于常规直流TIG焊，而热输入直接影响焊缝冷却速度及在β相变点以上的高温停留时间，从而影响晶粒尺寸，有利于获得较好的接头综合性能。
对2219高强铝合金接头力学性能研究显示，采用超高频变极性脉冲TIG焊（HPVP-TIG）所焊接的接头抗拉强度、断后伸长率分别增大了15%、80%以上，接头塑性大幅提高，有利于提高航空飞行器焊接结构件的疲劳寿命。
基于TC4钛合金焊接接头进行拉伸性能测试，结果表明，与常规TIG焊相比，超高频脉冲TIG焊接头抗拉强度几乎等同（均高于母材），但断后延伸率及断面收缩率分别增长了30%和90%以上，接头塑性增强。
结论
(1)超高频脉冲TIG焊可有效降低焊缝的气孔敏感性，保证焊接质量；
(2)铝合金、钛合金等航空工业常用金属材料超高频脉冲TIG焊所焊接的焊缝显微组织晶粒细化明显，焊缝接头抗拉强度增大，伸长率和断面收缩率大幅提升，接头综合性能得到较大改善；
(3)与常规TIG焊相比，超高频脉冲TIG焊工艺适用性强，焊缝质量好，可更好地满足航空工业飞行器焊接结构件性能要求，具有广泛的应用前景。(end)
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(1/4/2013) |
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