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1、文献综述一 铝合金的焊接特点铝及其合金资源丰富，具有比重小、强度高、表面氧化膜有较强的抗腐蚀性能,现已广泛应用于航天、航空、核能、化工容器及军事工业等各个领域。铝及其合金具有以下一些焊接性能：1、铝及其合金非常容易和氧起作用，在表面生成一层致密而难熔的氧化膜（AL2O3），厚度约0.1-0.2微米，熔点高达20500C（铝合金熔点大于6000C）。比重也大（3.85克/厘米3），它防碍基本金属的熔化，极易造成夹渣，焊接时应把氧化膜清除掉。2、液态铝可以溶解大量氢气，固态铝却几乎不溶解氢，因此，焊接快速冷却凝固时，极易产生气孔。3、线膨胀系数和结晶收缩率比钢大2倍，易产生较大的焊接变形和内应力，
2、易产生裂缝。4、导热率高。铝具有高的的导热性（比钢大2-4倍）和热容量，因此铝及其合金焊接时，要求采用能量集中的强热源。5、合金元素的蒸发及烧损严重,从而改变焊缝金属的化学成分，性能下降。6、高温强度和塑性低，常常不能支持液体熔池金属的重量，破坏焊缝成形，易焊穿。7、固液态转变时无颜色变化，焊接时掌握加热温度很困难。二、TIG焊接设备及工艺发展及现状铝合金焊接早期主要采用气焊，由于气焊接头质量差、焊件变形大、生产效率低，目前已几乎不用。六十年代，随着铝合金得到越来越广泛的应用，铝合金的焊接技术也得到飞速发展，先后出现了MIG焊、TIG焊、等离子弧焊、电子束焊及激光焊。现又发明了FSW，Lase
3、r hybrid welding。TIG焊方法由于其独特的优点已成为工业生产中铝合金焊接的主要方法之一。近几十年来，TIG焊方法得到快速发展。人们先后研究了直流钨极接正（DCEP）TIG焊、直流钨极接负（DCEN）TIG焊、直流脉冲TIG焊、正弦波交流TIG焊、方波交流TIG焊，变极性TIG焊等。1、直流钨极接负（DCEN）TIG焊直流钨极接负（DCEN）TIG焊，在美国很早就应用于实际焊接中。用这种方法焊接时，钨极接负，钨作为热阴极，发射电子容易，阴极斑点稳定，电弧集中在钨极端部，铝作为阳极，电弧有寻找纯金属的特性，因而可以获得窄而深的焊缝，母材的收缩应力和变形都小。同时钨极作为负极，发射电
4、子有冷却作用，可以承受很大的电流而不被烧损变形，长时期保持钨极端部形状的稳定性，易于获得性能一致的焊接接头。但是DCEN TIG焊方法没有阴极雾化作用，焊前需要用机械的办法除掉焊接处的氧化膜，并且要有良好的气体保护，防止再次被氧化。在美国氦气资源比较丰富，氦气作为单原子气体，原子量小，易于扩散，导致电弧收缩，电弧能量高，用氦气DCEN TIG焊方法焊接铝合金材料时，铝合金表面的氧化膜被高温熔化破坏，可以实现自动清除氧化膜，方便地获得优质的焊缝，但是我国氦气资源很少，使这种方法受到限制。2、直流钨极接正（DCEP）TIG焊为了彻底清除铝合金焊接接头处难熔的氧化膜，人们进行了铝合金的直流钨极接正（
5、DCEP）TIG焊的研究。DCEP TIG焊时，铝合金表面阴极斑点能量密度高，受到质量很大的正离子的撞击，使表面氧化膜破碎蒸发被清除掉，并且氧化膜的电子逸出功小，电弧阴极斑点容易在它上面建立，即电弧自动寻找氧化膜，因而在被焊的铝合金试件上形成比熔化区宽的阴极清理区，焊缝表面光亮美洁。但是DCEP TIG焊时，由于电弧寻找氧化膜，电弧能量不集中，只能获得浅而宽的焊缝。另外，DCEP焊时，钨极接正，钨极温度很高，容易烧损变形，使焊接质量不稳定，同样直径的钨极只能承受小的电流，从而使这种方法的应用受到限制。3、正弦波交流TIG焊为了既能发挥阴极雾化作用，自动去除铝合金表面的氧化膜，又能减少钨极烧损，
6、在较大的电流下焊接，人们又研究了交流TIG焊接方法。交流TIG综合了两种焊接方法的优点，钨极接正半波，发挥阴极雾化作用去除铝合金表面的氧化膜，钨极接负半波，加热工件，减少钨极烧损。但是早期的交流焊接电源采用工频正弦波交流，其电流、电压波形如图1所示，电弧电流每秒钟有100次过零点，每次过零时，熄弧时间很长，电弧再引燃变得很困难，电弧的稳定性很差，这就要求焊接电源的空载电压很高，并且需稳弧脉冲，如图2所示。另外正弦波交流TIG焊时，钨极为正与钨极为负的时间相等，不能调节，致使钨极为正的时间过长，阴极雾化区过宽，钨极烧损仍然很严重。二(a) 波形图 (b) 焊接回路Uo -电源电压 Ua -电弧电
7、压 Ia -电弧电流图1 正弦波交流焊电弧电流、电压波形图1。2 正弦波交流TIG焊稳弧脉冲4、方波交流TIG焊正弦波交流TIG焊由于电弧过零时，反向电流的上升速度慢，熄弧时间长，电弧空间消离作用明显，所以需要很高的再引燃电压才能使电弧稳定燃烧。针对这一情况，人们提出如果提高电弧电流过零时的反向电流的上升速度，借助电弧的热惯性，使再引燃时电弧空间保持较高的电离度，则所需要的再引燃电压下降，使交流电弧的稳定性提高。正是基于这一思路，人们发明了方波交流TIG焊，其典型电流波形如图3tn-钨极为负半波时间 tp-钨极为正半波时间 I-焊接电流图3 方波交流TIG焊焊接电流示意图E-雾化区宽度 W-焊
8、缝熔宽 D-焊缝熔深 Dw-钨极端部直径图4 Mk对焊缝成形和钨极烧损的影响如果用Mk表示钨极为负半波时间与整个周期比例，则可以表示为：100% 图4给出了Mk的变化对焊缝成形和钨极烧损的影响。由图可见，在同样的焊接电流下，随着Mk的增加，雾化区宽度和焊接宽度减少，焊缝的熔深增加，逐步呈现出直流正接电弧的特性。但即使Mk变到80%以上还有一定的清理作用，可以得到光亮致密的焊缝。钨极的烧损随Mk的增加而减少。选Mk=60%或80%焊接时，不仅能保证满意的阴极清理作用，而且能使钨极烧损接近直流正接焊时的水平。根据方波电流的获得原理，目前方波交流弧焊电源主要分为两种7。一种是晶闸管加直流电抗器式，以
9、美国MILLER公司研制的SYCROWAVE焊机为典型代表，另一种是在直流弧焊电源后加H型逆变器的逆变式。下面将对这两种电源加以介绍。（1）、晶闸管加直流电抗器式8-10晶闸管加直流电抗器式方波交流电源主电路原理图如图5(a)所示，其工作原理如下：图 5(a) 可控硅方波交流电源示意图图 5(b) 波形变换图如图5所示，其主电路由4个晶闸管和一个电感组成。控制SCR1、SCR4和SCR2、SCR3两组可控硅的轮流导通和关断，将正弦波交流电切变成矩形波交流电。见图5(b)，假定t1时刻触发脉冲使可控硅SCR1、SCR4触发导通，负载上有电流通过。在t1、t2期间，因为u0uf，所以di/dt0，
10、电感上流过的电流i(即电弧电流if)增加，但电感对电流的增加有阻碍作用，因而电流增加变化缓慢。到t2时刻，u0=uf，di/dt=0，电流到达转折点，在t2、t3期间，u0 uf ，di/dt0，电流将减少，这时电抗器将阻止电流减小，它释放能量产生感应电动势使SCR1、SCR4仍承受正向电压继续导通。在t3、t4期间，虽然SCR2、SCR3都承受正向电压，但由于没有触发脉冲使其不能导通。在u0为负半波的t4时刻，触发脉冲使SCR2、SCR3都导通，使SCR1、SCR4承受反向电压而关断。负载电流if将从SCR1、SCR4上转移到SCR2和SCR3上，在t4、t5期间，电抗器储存能量，而t5、t
11、7期间电抗器释放能量，SCR2、SCR3导通到t7时刻。这样，如此循环下去，则形成整个方波交流电源的工作过程。通过电流负反馈实现恒流调节，改变给定电压大小可调节导通期间的电流幅值，改变两组可控硅控制角的比值，可实现正负半波通电时间的调节。（2）、直流弧焊电源后加H型逆变器式直流弧焊电源后加H型逆变器式方波交流电源原理图如图6所示，其中直流弧焊电源可以是下降特性的晶体管式、场效应管式或IGBT式直流弧焊电源，其后连接的H型逆变器，由四只功率开关管及其驱动电路构成。图 6 直流弧焊电源后加H型逆变器式方波交流电源原理图 图 7(a)电压波形图 图 7(b)电流波形图7 方波交流弧焊电源典型输出电流
12、和电压波形直流弧焊电源后加H型逆变器式方波交流电源工作原理如下：当K1和K3触发导通，K2和K4关断时，直流弧焊电源经K1、K3向电弧提供反极性电流；当K2和K4触发导通，K1和K3关断时，直流弧焊电源经K2、K4向电弧提供正极性电流；控制K1和K3及K2和K4两组开关轮流导通的导通时间及相对比例就可使电弧获得频率可变，不同极性电流比例可调的方波交流电流。方波交流弧焊电源的空载电压和焊接电流的调节是通过改变前级恒流源的空载电压和焊接电流来实现的。方波交流弧焊逆变电源典型输出电流和电压波形如图7(a)和7(b)所示： （1）、电流过零速度电抗器式，一般交流经过记忆电抗器，使正弦波畸变得到方波交流
13、，输出的电流不是真正的方波，交流电流过零的时间较慢，电源输出的电流在极性转变时的上升速度与可控硅的开关特性和直流电抗器的电感值有关，典型值为110A/100uS，必须在一定的焊接电流值以上才能实现不用专用的稳弧装置。逆变桥式，直流源经开关元件交替导通向电弧提供正负半波电流。由于开关速度快，其电流在极性转变时的上升速度很高，可达100A/20uS以上，电源在较低空载电压（30V）、较小电流（15A）情况下也能满意地进行铝合金的TIG焊。（2）、正负半波电流时间比率Mk的调节范围电抗器式方波交流电源由于电路结构所限，正负半波不对称产生的直流分量对变压器不利，当正负半波电流选的较大时，焊机的负载持续
14、率下降，这对Mk的变化范围有一定的限制。一般为40%-60%，当为60%时，焊机的负载持续率只有30%。而逆变桥式直流分量对电源不产生不利影响，Mk的值可由10%调到90%以上。（3）、效率 逆变式由于没有工频大变压器，损耗降低，效率提高。（4）、体积 逆变桥式由于去除了工频变压器，体积要小得多。（5）、噪声 电抗器式由于电流波形较平滑，噪声较小，而逆变式由于方波含有高次谐波，噪声很大。为减小噪声，一般把电流频率控制在100Hz以下低频范围内进行焊接。5变极性TIG焊变极性TIG焊t nt pDCENDCEPI nI ptII pDCEP半波电流幅值I nDCEN半波电流幅值t nDCEN半波
15、时间t pDCEP半波时间图 8 变极性电源典型电流波形也是一种交流焊接工艺。变极性TIG焊电源是近十几年才发展起来的一种新型电源。由于方波交流电源正负半波电流幅值不可调，人们开始采用幅值和时间都可调的不对称方波焊接电流波形，以最大限度地减少钨极接正的时间和增大正负半波电流幅值的比值，在保证与方波交流电源相同的阴极清理作用的条件下使钨极的损耗明显减少，这就是变极性焊接工艺。其典型输出电流波形如图8所示。变极性电源的具有如下特点：（1） 电弧较为稳定，电流过零点时重新引弧容易。（2） 通过调节正负半波时间比、幅值比，在保证阴极雾化作用的前提下，最大限度地减少钨极为正的时间，使电弧特点向直流钨极接负靠近，从而获得最佳的熔深，提高生产率和延长钨极的寿命。（3） 由于采用电子技术控制，可以方便地改变电弧形态，电弧作用力及对母材的热输入量，控制熔深及正反面成形。（4） 它与脉冲焊有类似的特点，可细化晶粒，提高焊接接头性能。（5） 采用IGBT作为逆变元件，提高了电源输出电流在极性转变时的上升速度，对改善交
