铝锂合金交流CMT与DC-DC变换高频脉冲复合电弧焊接接头组织性能优化机理

Along with the urgent needs of high strength, lightweight Al-Li alloy structure in weapons industry and aerospace areas, reliable and efficient connection of Al-Li alloy appears increasingly important. It is prone to porosity, thermal cracks and other defects in traditional Al-Li alloy welding method because of oversized heat input and poor welding stability. In response to these issues, this paper proposed a novel method using alternating current CMT and DC-DC conversion high-frequency pulsed composite arc to carry out Al-Li alloy welding. It is using low heat input of alternating current CMT arc to break oxidation film in alloy surface, to reduce porosity and the thermal crack sensitivity of weld pool; and using the high frequency effect of high frequency pulse arc and its arc ultrasonic to refine grains and improve joint strength, in order to get a good combing property. This paper focus on the energy coupling mechanism and its precise control method of CMT arc and DC-DC conversion arc, comparatively studies the morphology of Al-Li alloy welding seam, metallographic organization of weld metal and mechanics properties of the welding seam under different pulse parameter and different composite arc atmosphere in various welding technology. This paper finally reveals the change regularity of welding joint organization properties under high-frequency pulsed composite arc atmosphere with low heat input, so as to achieve control and optimization of the structure and morphology of welding organization properties from micro to macro.

随着兵器工业和航空航天领域对高强、轻质Al-Li系合金结构件的迫切需求，实现Al-Li合金的可靠高效连接显得日益重要。针对在焊接Al-Li合金使用传统焊接方法易出现热输入量大、焊接稳定性差导致的组织性能差及气孔、热裂纹缺陷等问题，提出采用交流CMT与DC-DC变换高频脉冲复合电弧进行Al-Li系合金焊接，即利用低热输入量的交流CMT电弧破除合金表面氧化膜，减小熔池气孔和热裂纹敏感性，同时利用高频脉冲电弧的高频效应及其电弧超声细化晶粒，提高接头强度，从而获得良好的结合性能。重点研究CMT电弧和DC-DC变换高频脉冲电弧的能量耦合机理及精确控制方法，对比研究不同脉冲参数、不同焊接工艺复合电弧气氛下Al-Li合金焊缝的形貌、焊缝金属金相组织以及焊缝力学性能，揭示低热输入量高频脉冲复合电弧气氛下焊接接头组织性能变化规律，实现焊接接头组织性能从微观到宏观的结构、形态控制及优化。

针对课题需要，研制了基于DC-DC高频变换技术和数字信号处理器（DSP）的全数字化高频脉冲电流发生装置，提出了一种不同于传统的二次逆变结构的主电路拓扑结构，并采用数字信号处理器作为控制核心，目的是提高高频脉冲发生装置的精度和响应速度，同时扩展了电流、频率、占空比等参数的调节范围，以期满足不同的焊接工艺过程对高频脉冲电流的需求。. 试验将高频脉冲电流与交流CMT采用并联方式复合在一起，利用“弧焊过程高速摄像与电信号同步采集与分析系统”采集交流CMT与复合脉冲频率50KHz时的电弧形貌及电压电流信号，观察分析其变化规律；并选用不同牌号的母材及填充焊丝，分析研究高频脉冲电流对焊接接头的影响作用。首先选用焊丝ER4043，焊接第二代铝锂合金1420，分别复合20KHz、30KHz、40KHz、50KHz、60KHz、70KHz、80KHz的高频脉冲电流，通过焊接接头显微组织及力学性能的分析，确定出对焊接质量有显著影响的频率范围；接着选用第三代铝锂合金2198及2060作为母材，焊丝ER4043作为填充材料，分别复合与上述一致的高频脉冲电流，验证针对不同的焊接母材，试验结果是否相同；最后采用ER4043焊丝，焊接2198及2060铝锂合金，验证采用不同的填充焊丝，对焊接质量有明显提高的频率范围是否一致。. 试验结果表明，选用ER4043及ER5356作为填充材料，分别焊接第二代铝锂合金1420及第三代铝锂合金2198、2060时，当复合高频脉冲电流频率在50KHz~60KHz时，焊接接头气孔的大小及分布均出现明显的减少趋势，显微组织得到明显的细化。力学性测试结果表明，当复合的高频脉冲电流频率在60KHz和70KHz时，焊接接头焊缝中心的硬度值得到明显提升，抗拉强度提高约6%，综合分析认为高频脉冲电流在50KHz~70KHz时，对焊接质量的提升有显著作用。本研究对铝锂合金在减少焊缝中心气孔、细化组织晶粒、减小接头软化程度、提高焊接质量上具有重要意义。