铝合金变极性氩弧焊阴极清理工艺研究
余忠贵 华学明 肖笑 李芳
（上海交通大学材料科学与工程学院焊接工程技术研究所
上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240）
摘要：本文对铝合金变极性氩弧焊阴极清理工艺进行了研究，获得了主要焊接参数对阴极清理和熔宽的影响规律。结果表明，阴极清理受多个参数影响，一定范围内增大反极性比，焊接电流，焊接速度，氩气流量，以及提高氩气纯度有利于提高阴极清理效果。
关键字：变极性氩弧焊阴极清理宽度焊缝宽度焊接参数
0前言
铝合金因为其轻质量、高强度和良好的低温性
能而获得越来越广泛的应用[1]。铝及铝合金的表面生成致密难熔的氧化膜(AI2O3，熔点2050℃)，而铝的熔点仅为660℃左右。在焊接时，氧化膜的存在阻碍了金属之间的良好结合，若不清除干净，焊缝容易夹渣[2,3,4]。因此，铝及铝合金焊前一定要清除氧化膜，而在电弧的高温下铝及铝合金又极易氧化，所以必须在高温下，既要焊接、又要时时不断地清除氧化膜，才能保证焊缝满足力学性能的要求。交流TIG焊机由于其反极性接法时具有阴极雾化作用而被广泛用于焊接铝合金。铝合金焊接既要发挥阴极清理作用去除表面致密的氧化膜,又要减少钨极烧损,保持钨极端头形状。阴极清理对铝合金焊接成形有着十分重要的意义[2,3,4,5,6]，而阴极清理作用受焊接参数的影响，对此，本研究的目的在于获得焊接参数对阴极清理宽度的影响规律，为铝合金变极性氩弧焊焊接参数的选取提供依据。
1焊接参数对阴极清理影响规律
实验中焊接设备为日本OTC公司生产的型号为DA300P的变极性交流氩弧焊焊接电源。实验分以下几个部分，分别研究主要的焊接参数（焊接电流，反极性比EP，频率，焊接速度，气流量，气体纯度等）对阴极清理宽度的影响。采用平板堆焊，每道焊缝长度为18cm,焊后测量每道焊缝及清理区的平均宽度。
图1（a）为变极性氩弧焊得到的典型焊缝，图中中间区域为焊缝（熔池），焊缝边缘被白色的清理区包围，焊缝美观。图1（b）为清理效果比较差边界仍有未破碎的氧化膜。由此可以认为只有当阴极清理区宽度大于熔宽是清理效果好，否则清理效果不好，实验过程中同时观察清理区宽度和熔池宽度的变化，以评价清理效果的好坏。
（a）
（b）
图1 焊缝宽度与清理区宽度: (a) 清理效果好
（b）清理效果不好
1.1 反极性比EP对阴极清理宽度的影响
实验条件：电流100 A，频率50 HZ，材料5052铝镁合金，尺寸300 mm×60 mm×6 mm，保护气体为普通纯氩，气流量10 L/min，速度150 mm/min，采用铈钨极，直径2.4 mm，钨极高度5 mm，喷嘴高度8 mm，反极性比EP分别取10%，15%，20%，30%，40%，50%五组值。。图2为焊缝形貌，图3为实验得出的反极性比EP对清理区宽度和焊缝宽度的影响规律曲线。
(a)EP=10% (b)EP=15%
(c)EP=20% (d)EP=30%
(e)EP=40% (f)EP=50%
图2 焊缝形貌
氧化膜
图3 EP 对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响
图2，图3可以看出，清洁区随EP 增大而呈现增大趋势，而EP 在10%到20%之间，清洁区宽度随EP 增大而显著变宽，EP 在20%到50%范围内增大时，阴极清理区宽度增长较小，基本保持不变，主要原因是反极性时间变长后，阴极斑点有更多的时间向外扩展，使得阴极清理区变宽。当清理区增大到一定程度后，由于受到氩气保护区域的限制而没法继续扩展因此不再随反极性时间的延长而变宽。
而当EP 在10%到20%范围内，焊缝宽度变化不大，在20%到50%范围内，焊缝宽度随EP 增大而呈现增大的趋势，这主要是由于EP 期间电弧对工件的热输入量增大导致熔宽增加。这是因为，在EP 期间，工件发射电子，由于工件为铝合金属于冷阴极，电子发射主要是场发射机制，因此阴极压降远大于钨极为阴极时的阴极压降，所以EP 时对工件的加热远大于正极性EN 时对工件的加热。
1.2 焊接电流对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，尺寸300×60×6mm，气流量10 L/min，频率50HZ，速度150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸出长度3 mm，喷嘴高度6 mm，板厚4 mm，反极性比EP=30%，正反极性电流大小相等，分别取80A，100A，120A,150 A，170A。
(a)I=80A (b)I=100A
(c)I=120A (d)I=150A
(e)I=170A
图4.不同电流条件下焊缝形貌
图5.电流大小对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响
由图4，图5可以看出，电流增大阴极清理区宽度和焊缝宽度都会增大，这主要是由于电流增大，将会有更多的氩气原子参与电离，即有更多的氩离子溅射到工件表面，使得清理区宽度增加，另外电流增大使得对工件的热输入增加，使得金属熔化量增加，即熔池变宽。此外从图中可以看出熔宽增加速度明显大于清理宽度的增加速度，电流较小时，清理宽度远大于熔池宽度，当两者之差逐渐缩小，到电流为150A 时清理宽度与熔宽接近，即正好满足清理要求，当电流继续增大至170A 时，熔池边界有氧化膜未被清理，阴极清理将不能完全满足要求。 1.3 焊接速度对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，尺寸300 mm ×60 mm×6 mm，气流量10 L/min，频率50 HZ，速度150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸出长度3 mm，喷嘴高度6 mm，板厚4mm，反极性比EP=30%，电流100 A，焊接速度分别取150 mm/min，300 mm/min,400 mm/min,500 mm/min，700 mm/min，1200 mm/min。
(a)S=150 mm/min (b)S=300 mm/min
(c)S=400 mm/min (d)S=500 mm/min
(e)S=700 mm/min (f)S=1200 mm/min
图
6 不同焊接速度条件下焊缝形貌
氧化膜
