3.1.3氦弧与氩弧的加热区域不同 17

3.1.4氦弧具有清理母材表面氧化膜的作用 17

3.2不同焊接工艺参数对焊接外形的影响 18

3.2.1焊接电流对焊缝外形的影响 19

3.2.2焊接速度对焊缝外形的影响 23

3.2.3钨针外形对焊缝成型的影响 25

3.3高速氦弧焊的经济性分析 28

结论 30

致谢 31

参考文献 32

第一章绪论

1.1实验目的及意义

相比于传统的铆接来说，焊接的优点比较突出。比如，焊接接头密封性比较好：由于焊缝是一条由填充金属及母材组成的，并且焊缝金属达到了原子间的结合，因此其水密性，气密性均优于其他方法；焊接结构的设计灵活性比较大，可以体现在焊接接头形式多样有对接，搭接，T型接头等；焊接接头可以大大减轻结构件的重量。相比于铆接来说说，焊接接头免去了连接处出现铆钉等，可以大大减轻焊接结构的重量，这一优点在航空航天领域的应用尤其突出；最后，焊接接头强度高，而铆接或者螺栓连接的结构，由于要在木材上打眼钻孔，因此减少了受力的截面面积，容易引起应力集中，从而使构件的强度大大降低。

近年来，由于轻质结构金属质量轻，可以减少汽车、飞机等运输工具的重量，从而节省能源，提高能源的使用效率，因此被广泛用于运输工具之中[1-3]。铝合金作为轻质结构金属更是得到了广泛的应用。从上世纪开始，铝合金就成为了运输部门应用极为广泛的金属。这种金属的回收能力已经与钢铁相当。同时，与钢铁相比，铝合金具有优异的机械性能如高比强度，良好的耐冲击性，良好的铸造、成型和回收技术，以及优异的腐蚀性能。并且，科学家们还在不断地对这种金属进行研究和试验，因此这种金属成为了工业领域中不可或缺的选择[4-5]。同传统的钢铁结构一样，铝及其合金结构的建筑等也可以使用焊接方法进行连接，但是由于铝及其合金的导热系数比较大，热量的利用效率低。相比于钢铁来说，熔化相同质量的铝合金需要吸收更多的热量。因此，在焊接领域，铝合金的焊接难度要比钢铁大。主要表现在，常规的焊接方法很难焊接厚度比较大的铝板，并且焊接速度也比较慢，生产效率低。因此大大影响了铝合金在工业领域的应用。

使用TIG焊焊接铝合金薄板时的速度仅为每分钟十几公分或二十几公分，焊接效率十分低，劳动力消费高，生产成本高。因此，如何能够提高铝合金TIG焊接的速度已经引起了很多研究人员的兴趣。这不仅会节省大量的能源、人力、物力消耗，还可以促进人们对于铝合金焊接研究的深入。

1.2铝合金高速氦弧焊的难点分析

作为性能优良、用途广泛的轻质金属，铝及其合金的焊接技术问题一直受到国内外研究者的关注。铝合金的焊接难点主要有以下几点：

1.2.1铝合金导热系数大

铝合金的导热系数比较大（参见表1-1），是钢的导热系数的4-5倍。因此，在同样的热输入的条件下，钢的焊接速度更快，熔深更深，而焊接铝合金时必须增加热输入，这就需要放慢焊接速度，以得到良好的焊缝成形。

表1-1部分铝合金的线膨胀系数及热导率

铝合金牌号 平均热膨胀系数/（20-160℃）/(10-6/℃) 热导率（25℃）W/m·℃

1060 23.6 234

1350 23.75 234

2011 22.9 151

2117 23.75 154

3004 23.9 163

4043 22.1 163

5083 23.75 117

6066 23.2 154

1.2.2气孔问题

铝合金焊接时最容易出现的缺陷是气孔[6]，而气孔中最主要的是氢气孔[7-10]。产生氢气孔的主要原因是铝及其合金在加热和冷却过程中引起氢的溶解度变化。研究表明，氢在铝及其合金的溶解度随温度变化很大，在凝固点附近时可以从0.69ml/100g会急剧降低至降低到0.036ml/100g。因此铝及其合金在冷却至固溶点附近是会有大量的残余氢来不及完全逸出而产生气孔。通常，氢气孔一般位于焊缝的表面，常成喇叭状。这种现象在MIG焊中尤其明显，这是因为MIG焊时，焊丝及保护气体，母材中均可能含有水分，氧化膜等[11],而TIG焊一方面由于不采用焊丝进行焊接，因此进入焊缝的水分很少；另一方面，由于不采用焊丝，无法利用焊丝中的合金元素进行去氢反应，因此氢气一旦进入焊接熔池，就很容易产生气孔。实际焊接过程中，应当注意对焊接区的保护，避免或减少空气进入焊接区。