能量配比对6 mm 7A52铝合金板材VPPA-MIG复合焊接残余应力分布的影响

Effect of energy proportion on residual stress distribution of 6 mm 7A52 aluminum alloy plates in VPPA-MIG hybrid welding

摘要

VPPA-MIG复合焊接的热源由VPPA和MIG两种电弧热源混合而成，该焊接方法集合了MIG焊接效率高、参数区间宽以及VPPA焊接能量集中、穿透深度大等优点，能够实现不同厚度铝合金板材的高效率和高质量焊接。在铝合金板材VPPA-MIG复合焊接过程中，VPPA与MIG两种电弧不同能量配比会影响焊后接头的残余应力分布。以6 mm厚7A52铝合金板材为试验材料，设置VPPA电弧能量配比不同的焊接参数进行VPPA-MIG复合焊接试验，焊后采用钻孔法测试并分析了接头残余应力分布及峰值大小。结果表明，复合焊接接头的熔合区和热影响区出现拉应力，母材区出现压应力。在复合焊接热源总能量不变的情况下，残余应力峰值随VPPA电弧能量配比的增加而增大，且当VPPA电弧能量配比从35%增大至40%时，可以获得成形效果良好的复合焊缝，横向残余应力峰值不超过73 MPa，纵向残余应力峰值不超过232 MPa，不会出现过大的残余应力峰值。与单MIG焊接相比，VPPA-MIG复合焊的残余应力峰值比单MIG焊大，而高应力区要比单MIG焊窄。

Abstract

The heat source of VPPA-MIG hybrid welding consists of a mixture of two arc heat sources, VPPA and MIG, and the welding method combines the advantages of high efficiency and wide parameter range of MIG welding and concentrated energy and large penetration depth of VPPA welding, which is capable of realizing high-efficiency and high-quality welding of different thicknesses of aluminum alloy plates. In the aluminum alloy plate VPPA-MIG composite welding process, the different energy proportion of VPPA and MIG arcs will affect the residual stress distribution in the welded joint. Taking 6 mm thick 7A52 aluminum alloy plate as the test material, different welding parameters of VPPA arc energy proportion were set for VPPA-MIG composite welding test, and the residual stress distribution and peak size of the joint were tested and analyzed by drilling method after welding. The results show that tensile stress appears in the fusion zone and heat affected zone of hybrid welded joint, while compressive stress appears in the base metal zone. Under the condition that the total energy of the hybrid welding heat source is constant, the peak magnitude of residual stress increases with the increase of the proportion of VPPA arc energy. When the proportions of VPPA arc energy increase from 35% to 40%, the hybrid weld with satisfied forming effect can be obtained without excessive peak magnitude of residual stress. The peak magnitude of transverse residual stress does not exceed 73 MPa, and the peak magnitude of longitudinal residual stress does not exceed 232 MPa. Compared with single MIG welding, the peak magnitude of residual stress of VPPA-MIG hybrid welding is larger, and the high stress zone is narrower than that of single MIG welding.

Graphical abstract

关键词

能量配比 / 变极性等离子弧-熔化极气体保护复合焊接 / 残余应力 / 铝合金 / 钻孔法

Key words

energy proportion / variable polarity plasma arc-MIG hybrid welding / residual stress / aluminum alloy / hole-drilling method hole-drilling method

铝合金因其独特的加工性能和力学性能，一直是航空、军事和交通等领域的理想战备材料^[1]，且铝合金的高效焊接质量对于这些领域的制造水平又起到至关重要的作用。采用传统的焊接工艺（如TIG焊、MIG焊）时，因其焊接热输入量小、穿透能力弱，使得铝合金表面极易氧化形成高熔点的氧化铝，焊缝中产生夹渣和热裂纹倾向会增大，接头软化严重^[2]。与传统的铝合金焊接工艺相比，变极性等离子弧-熔化极气体保护(Variable polarity plasma arc-metal inert gas, VPPA-MIG)复合焊接方法集合了MIG焊接效率高、参数区间宽以及VPPA焊接^[3-5]电弧能量集中、穿透深度大等优点，在中厚板铝合金焊接中优势明显，能够以较快的速度实现铝合金单层单道双面成形，提高了铝合金的焊接生产效率^[6-12]。然而，该复合焊接方法含有高能束热源（VPPA电弧热源），能量较MIG焊接电弧集中，一次实现焊接成形导致焊后接头会产生较为复杂的残余应力分布以及较大的残余应力峰值，对焊接结构的安全产生不利影响。为了克服残余应力的不利影响，获得可靠的VPPA-MIG复合焊接结构，在铝合金VPPA-MIG复合焊接过程中，分析和研究残余应力分布及其影响因素具有重要的意义。

目前，已经获得了铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力的分布特征^[13-14]，且采用热-弹-塑性有限元数值计算法详细地分析了7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力产生过程以及残余应的力分布规律^[15-18]，这些研究结果是在特定的复合焊接参数下获得的。在VPPA-MIG复合焊接过程中，熔化铝合金的热量来源于VPPA与MIG两种电弧热源复合而成的混合热源。VPPA电弧挺度大，其能量相对集中，在铝合金板材上加热区域相对较窄，而MIG电弧熔敷效率高，其能量相对发散，在铝合金板材上的加热区域相对较宽。VPPA-MIG复合焊接过程中输入的总热量（能量）不变时，VPPA与MIG两种电弧不同的能量配比既影响复合焊缝成形效果^{[14, 19-20]}，也会影响焊后接头残余应力分布，因此，文中以6 mm 7A52铝合金板材为对像，研究复合热源中两种电弧能量配比对VPPA-MIG复合焊接残余应力分布的影响。

1 试验方法

1.1 焊接方法

试验选用长度为250 mm，宽度为100 mm以及厚度为6 mm的7A52铝合金试板采用VPPA-MIG复合焊接系统（图1所示）进行VPPA-MIG复合焊接。在复合焊接过程中，焊丝选用1.6 mm ER5183，VPPA的电极选用3.2 mm钍钨极，喷嘴到工件的距离为10 mm，VPPA正反极性时间分别为17 ms与3 ms，等离子气和MIG保护气均包围在整体保护气内部，等离子气的流量为3.5 L/min，MIG保护气的流量为23 L/min，整体保护气的流量为40 L/min，保护气体均为纯氩气^[15]，复合焊接的速度为530 mm/min。

在VPPA-MIG复合焊接（图2所示）过程中，焊接试板获得的总热量E (kJ/cm)是由VPPA和MIG两种电弧输入的热量复合而成，如式(1)所示。在总能量中，VPPA和MIG两种电弧热源的能量配比E_Z-V和E_Z-M分别如式(2)和式(3)所示。

E=E_{\mathrm{V}}+E_{\mathrm{M}}={\eta }_{\mathrm{V}}\frac{U_{\mathrm{V}}+I_{\mathrm{V}}}{v}+{\eta }_{\mathrm{M}}\frac{U_{\mathrm{M}}+I_{\mathrm{M}}}{v}(1)

E_{\mathrm{{\rm Z}}-\mathrm{V}}=\frac{{{\rm E}}_{\mathrm{V}}}{E}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(2)

E_{\mathrm{{\rm Z}}-\mathrm{M}}=\frac{{{\rm E}}_{\mathrm{M}}}{E}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(3)

式中，E_V为VPPA电弧热输入量（能量），E_M为MIG电弧热输入量（能量），η_V为VPPA电弧的有效系数，一般取值为0.6，η_M为MIG电弧的有效系数，一般取值为0.65，U_V为VPPA电弧电压，U_M为MIG电弧电压，I_V为VPPA电弧电流，I_M为MIG电弧电流，v为复合焊接速度。

为了精确地分析VPPA与MIG两种电弧不同的能量配比对复合焊后接头残余应力分布的影响，选择复合焊接电流、电压等参数如表1所示，尽可能获得相同的总能量和两种电弧不同的能量配比。表中1~7组参数用于分析VPPA-MIG复合焊接残余应力，而第8组参数用于分析单MIG焊接残余应力。

1.2 残余应力测试方法

目前，钻孔法已经在中国、美国、欧盟等国家和地区形成相关标准，能够实现焊接残余应力的精确和快速测试。钻孔法测试原理^[22-26]为：假设σ₁、σ₂是被测焊接构件在待测位置的残余主应力，依据图3，在焊接试板的待测位置钻一个直径2a的小孔，原始残余应力失衡而得到释放，小孔周边会产生应变释放而使材料发生轻微的形态变化，根据测得的应变释放值可以计算得到测量位置的残余应力，如式(4)所示。

\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{\mathrm{1,2}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}A}\left({\epsilon }_{\mathrm{1}}+{\epsilon }_{\mathrm{3}}\right)\pm \frac{\sqrt[]{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}B}\sqrt[]{{\left({\epsilon }_{\mathrm{1}}-\epsilon {}_{\mathrm{2}}{}^{}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left({\epsilon }_{\mathrm{3}}-{\epsilon }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}}\\ \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\varphi =\frac{{\epsilon }_{\mathrm{1}}+{\epsilon }_{\mathrm{3}}-\mathrm{2}{\epsilon }_{\mathrm{2}}}{{\epsilon }_{\mathrm{1}}-{\epsilon }_{\mathrm{3}}}\end{array}\right.(4)

式中，σ₁、σ₂为残余主应力，ε₁、ε₂、ε₃分别为0^o、45^o、90^o应变片在实验中测量得到的应变释放值，A、B为应变释放系数，ϕ为主应力σ₁与0^o应变片的夹角。

依据钻孔法测试原理，搭建焊接残余应力测试系统，主要由工控计算机、传感器、NI数据采集卡组成，结构如图4所示。传感器选用了型号为BE120-2CA-K电阻应变片组成的直角应变花，数据采集卡为NI公司生产的型号为PXIe-4330板卡，钻孔装置包含定位装置、对心装置和型号为J1Z-AN-6的电钻。

一般对于焊件而言，在其中间部位的残余应力分布比较稳定。为获得表1中8组试验条件下焊接残余应力的分布，在每个7A52铝合金焊板中间且垂直于焊缝的横截面上选取残余应力测试点，如图5所示。在焊缝中线左右两侧对称地各取5个测试点，分别距离焊缝中心线0、6、20、45、60 mm，使这些测试点依次位于焊板的焊缝中心区、熔合区、热影响区和母材区，采用钻孔法测试每个点的横向焊接残余应力和纵向焊接残余应力。

2 试验结果与分析

2.1 VPPA-MIG复合焊接残余应力

将每个焊接试板表面的焊缝采用砂轮与砂纸等打磨平整，然后用无水乙醇与丙酮将表面擦拭，获得平整而清洁的表面^[25]。采用钻孔法测得VPPA电弧不同能量配比下7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力分布，如图6所示。

观察图6，发现在VPPA电弧能量配比不同的情况下，横向焊接残余应力与纵向焊接残余应力的分布规律相似，在焊缝中心区、熔合区以及热影响区出现拉应力，且在熔合区出现最大拉应力（峰值），在母材区出现压应力。在VPPA-MIG复合焊接过程中，由于存在VPPA电弧热源，无论VPPA电弧热源能量配比大小，输入的总热量比单MIG焊接输入的热量相对集中一些，试件上高温受热区域较窄，热量从焊缝中心向两侧传导，使焊缝及其邻近区域（熔合区、热影响区）获得的热量集中且温度梯度大，会出现高应力^[15]。从微观上来解释，熔合区和热影响区的组织非常不均匀^[5]，其内应力较大，而焊缝区域的组织是粗大等轴晶，使其内应力比熔合区与热影响区的内应力小，又由于晶粒粗大，其内应力又比母材区的内应力大。此外，复合焊板中内应力具有自身平衡的特征，残余应力在焊缝中心为拉应力，然后向两侧逐渐增大，在熔合区出现最大值。从热影响区至母材区又逐渐减小，且在母材区出现压应力，最终在同一截面上出现拉应力的面积等于压应力的面积。随着VPPA电弧能量配比的变化，复合焊缝及其邻近区域的残余应力以及残余应力峰值也会发生相应变化。

VPPA电弧能量配比由20.3%至49.7%（约20%至50%）增大过程中，复合焊板的残余应力峰值随VPPA电弧能量配比的增加而增大。横向残余应力峰值增加过程为48 MPa→51 MPa→65 MPa→66 MPa→73 MPa→119 MPa→121 MPa依次增大。纵向残余应力峰值增加过程为203 MPa→208 MPa→223 MPa→224 MPa→232 MPa→263 MPa →265 MPa依次增大。在复合焊板的残余应力峰值增大过程中，当VPPA电弧能量配比增大约10%时，横向残余应力和纵向残余应力峰值均会明显地增大。

上述现象可解释为7A52铝合金在VPPA-MIG复合焊接过程中，VPPA电弧输入的热量比MIG电弧更加集中，在复合热源输入总能量不变的情况下，VPPA电弧能量配比越大，使得输入的总能量越集中，试件上高温受热区域变窄，热量从焊缝中心向两侧传导^[14-15]，使焊缝及其两侧的熔合区与热影响区获得的热量集中且温度梯度增大，局部加热的不均匀性会加剧，导致集中受热区域的应力值增大和焊后会出现更大的残余应力峰值。

按照表1所示的焊接参数对6 mm 7A52铝合金试板进行VPPA-MIG复合焊接，焊后发现VPPA电弧能量配比(E_Z-V)分别为34.8%、39.9%和43.8%时，焊缝成形宏观形貌较好，如图7所示。

观察图7，发现焊缝宏观形貌良好，无出现咬边、驼峰等缺陷，焊缝正面鱼鳞纹较均匀，背面也比较光滑均匀。由图6可知，残余应力峰值随VPPA电弧能量配比的增加而增大。VPPA电弧能量配比分别为34.8%与39.9%时，对应的残余应力峰值相差不大，而当VPPA电弧能量配比为43.8%时，残余应力峰值明显高于VPPA电弧能量配比为39.9%残余应力峰值，且横向与纵向残余应力峰值高出的比例分别达到44%和14%，易造成接头局部的应力集中，对接头的可靠性造成较大威胁，因此，同时考虑残余应力峰值和焊缝成形效果，选择VPPA电弧能量配比为34.8%和39.9%的焊接参数，焊后能够获得宏观形貌良好的焊缝，且不会产生过大的残余应力峰值。

综合考虑复合焊缝成形效果和残余应力峰值，选择VPPA电弧能量配比为35%~40%之间的焊接参数对7A52铝合金试板进行复合焊接，可以获得宏观形貌良好的焊缝，且横向残余应力的峰值不超过73 MPa，纵向残余应力的峰值不超过232 MPa，因此，当VPPA电弧能量配比从35%增大至40%时，能够获得成形效果良好的复合焊缝，不会产生过大的残余应力峰值，避免了应力集中，有利于提高7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接接头的可靠性。

2.2 复合焊与单MIG焊残余应力比较

在相同的热输入条件下，选择VPPA电弧能量配比为35%~40%之间的复合焊接参数，与单MIG焊接残余应力作对比，分析两种焊接方法所产生残余应力的分布异同，进一步验证复合焊接参数选择的合理性。选用表1中第5组复合焊接参数（VPPA电弧能量配比为39.9%）和第8组单MIG焊接参数，获得VPPA-MIG复合焊与单MIG焊的横向残余应力与纵向残余应力，如图8所示。

6 mm 7A52铝合金单MIG焊残余应力沿焊缝两侧分布规律与VPPA-MIG复合焊相似，在熔合区附近出现拉应力峰值，横向残余应力与纵向残余应力峰值分别为52 MPa与203 MPa，均低于复合焊接横向残余应力峰值(73 MPa)与纵向残余应力峰值(232 MPa)，且比例达14%以上，但高应力区比复合焊宽一些，这是由于VPPA-MIG复合焊接电弧能量比单MIG更加集中，热源能量集中使VPPA-MIG复合焊焊缝两侧的高温受热区域要比单MIG焊窄，VPPA-MIG复合焊焊缝区域温度梯度大，造成局部加热的不均匀性更加严重，因此，VPPA-MIG复合焊的残余应力峰值比单MIG焊大，而高应力区要比单MIG焊窄^[15]，与单MIG焊相比，VPPA-MIG复合焊的优势主要表现为高应力区较窄一些，而在应力峰值方面优势不明显。

3 结论

1) 采用钻孔法测试并分析了6 mm厚7A52铝合金试板在VPPA-MIG复合焊接过程中能量配比对残余应力分布的影响，VPPA电弧能量配比由20%增大至50%，横向残余应力峰值由48 MPa增大至121 MPa，纵向残余应力峰值由203 MPa增大至265 MPa。

2) 综合考虑复合焊缝成形效果和残余应力峰值，选择VPPA电弧能量配比为35%~40%之间的复合焊接参数，可以获得宏观形貌良好的焊缝，横向残余应力的峰值不超过73 MPa，纵向残余应力的峰值不超过232 MPa，不会产生过大的残余应力峰值，可以避免应力集中现象，有利于提高7A52铝合金复合焊接接头的可靠性。

3) 在相同的热输入条件下，与单MIG焊接相比，VPPA-MIG复合焊的残余应力峰值比单MIG焊大，而高应力区要比单MIG焊窄。VPPA-MIG复合焊的优势主要表现为高应力区较窄一些，而在应力峰值方面优势不明显。

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基金资助

内蒙古自治区科技计划项目(2020GG0313)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2021BS05016)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2024MS05043)

内蒙古工业大学科学研究项目(BS2021033)