焊枪喷嘴对铝合金焊接性能的影响

1 引言

铝合金具有密度低，比强度和耐腐蚀性强的优点，被广泛应用于航空航天，汽车制造和船舶工业。焊接作为铝合金加工中的一种关键连接方式，焊接质量对于铝合金结构件性能和可靠性具有重要意义。焊枪喷嘴是焊接设备中的关键零件，虽然其体积较小，但它在焊接中占有极其重要的地位，它对铝合金的焊接性能有很多方面的影响。深入探讨焊枪喷嘴在铝合金焊接过程中的作用，对优化焊接工艺，提高焊接质量和扩大铝合金的使用范围有实际意义。

2 铝合金焊接特点及焊枪喷嘴工作原理

2.1 铝合金焊接特点

铝合金的熔点通常较低，例如 6061 铝合金的熔点大约在 580-650^∘ °C 之间，但其热导率是碳钢的 2-3 倍，这导致在焊接过程中热量迅速流失，难以形成大的熔池，从而增加了焊接的难度。同时，铝合金表面易形成一层致密的氧化膜（Al2O3），其熔点高达 2050^∘ C,远高于铝合金熔点，阻碍焊接过程中母材与填充金属的熔合，且氧化膜易吸附水分，在焊接高温下分解产生氢气，导致焊缝中出现气孔缺陷。另外铝合金线膨胀系数较高，在焊接过程中由于温度的变化会产生很大热应力，容易诱发焊接变形，甚至开裂。

2.2 焊枪喷嘴工作原理

焊接时焊枪喷嘴的作用主要表现为两个方面。一是引导保护气体匀速稳定喷出，使焊接区域内形成持续密实的保护气幕与空气隔离，阻止空气中氧的进入、氮气和其他有害气体在高温下与焊接熔池和电弧反应，从而避免了焊缝金属被氧化，氮化和力学性能下降。如MIG（熔化极惰性气体防护焊接）焊铝合金过程中，从喷嘴喷射出的氩气能有效地保护熔池和防止铝合金被氧化。二是对焊接电弧起约束压缩作用。设计合理的喷嘴结构可使电弧更集中、电弧能量密度更强、焊接过程更稳定，从而提高了焊缝成形质量。以等离子弧焊枪喷嘴为例，它通过压缩等离子体，使得电弧能量高度聚集，可以达到铝合金深熔焊接。

3 焊枪喷嘴对铝合金焊接性能的影响

3.1 对焊缝成形的影响

喷嘴形状，大小和距工件距离对焊缝成形有明显影响。喷嘴的不同形态，例如圆形、椭圆形或矩形，会导致保护气体的流场分布存在差异。圆形喷嘴喷射出的保护气流是轴对称的，对常规焊接中的焊接区域能够起到很好的保护作用；椭圆形喷嘴能够为指定方向提供较为集中的防护气流，适合某些需要焊缝某侧防护的焊接情景。喷嘴尺寸上，大直径喷嘴能够提供较宽的保护气覆盖范围，但是可能会造成保护气体流速下降，削弱保护效果；直径小的喷嘴虽然可以提高保护气体流速，但是保护范围比较窄。如果喷嘴的大小和焊接电流及焊接速度不相匹配，就会造成焊缝宽窄不均和余高太大或者太小的缺陷。喷嘴和工件之间的间距也是至关重要的，太近了，容易使喷嘴被焊接飞溅物污染，即使会因为温度过高而损伤喷嘴，也会使保护气体冲击熔池过大，使熔池稳定性受到破坏而影响焊缝成形；距离远了，保护气体保护效果恶化，并削弱电弧约束作用，使电弧发散、焊缝加宽、熔深较深、焊接质量受到影响。

3.2 对气孔缺陷的影响

铝合金焊接时气孔是一种普遍存在并对焊接质量造成严重影响的缺陷，焊枪喷嘴对气孔的产生起着至关重要的作用。一方面如果保护气体的纯度不够，其中包含水分，氧气和其他杂质，或者焊接时由于喷嘴设计的不合理和气体流量的不稳定性造成对气体的保护不够，很容易将空气卷入到焊接区。空气中水受高温电弧作用分解生成氢原子，氢原子进入熔池后溶解度较大，焊缝固化时溶解度骤减，如果来不及逃逸，焊缝内将团聚生成氢气孔。例如，在氩气纯度低于 99.99% 的情况下，焊接部位气孔出现的几率会显著上升。另一方面焊枪喷嘴内如果不洁，存在油污和杂质，焊接高温时还会分解生成气体并流入熔池中形成气孔。另外保护气体流量太大或者太小均不利于气孔的预防。流量过大会产生紊流使空气卷入弧柱区及熔池中；流量太小，又不能有效地隔绝空气，使得焊缝气孔的倾向加大。

3.3 对焊接热输入的影响

焊枪喷嘴还能调节焊接热输入。喷嘴约束电弧程度影响电弧能量分布及热传递效率。喷嘴结构设计合理且电弧约束较好时电弧能量较集中且热量集中于焊接熔池区域且热影响区较狭窄，能够减小铝合金母材在焊接时的热损伤和减小焊接变形风险。反之，如果喷嘴对电弧的约束不佳、电弧发散、热量散失，则不仅造成焊接熔深较浅、热影响区较宽，并可能造成铝合金母材组织性能改变和焊接接头力学性能下降。以铝合金薄板 TIG（钨极惰性气体保护焊等）为例，采用能够有效限制电弧的喷嘴可以准确地控制热输入、避免薄板过热烧坏、同时确保焊接接头性能。

4 焊枪喷嘴的设计与改进

4.1 喷嘴结构优化

为了更好的适应铝合金焊接的需要，喷嘴结构的优化至关重要。研究者们研制了许多新的喷嘴结构。例如使用多层同心套管式喷嘴时，内层套管喷高速等离子体或保护气体以强烈约束电弧，而外层套管喷低速、大流量保护气体扩大了保护范围和提高了保护效果。还具有喷嘴内壁上设有专门的导流槽或者扰流装置使得保护气体喷出后形成具体流场分布以增强焊接区域防护作用和焊缝成形。此外，考虑到某些特定的焊接技术和焊接位置，设计了特殊形状的喷嘴，例如专为窄缝焊接设计的细长喷嘴，它可以深入窄缝内部，为焊接提供出色的保护和电弧限制。

4.2 喷嘴材料选择

喷嘴材料的特性对于焊接时的工作效果及使用寿命具有重要的影响。传统焊枪喷嘴大多由纯铜材料制成，由于其导电性好、导热性好等特点，可以有效地散热并降低喷嘴温度。但是在某些高功率，焊接时间较长或者铝合金焊接品质要求非常高的情况下，纯铜喷嘴不一定能满足需要。这时可以选择钨铜合金这种高性能的材料。钨铜合金集钨的高熔点，高强度与铜良好的导电性，导热性于一体，在高温焊接环境中，不仅具有高强度，抗变形，还可以通过蒸发铜带走大量热，避免喷嘴温度过高而融化，增加了喷嘴耐高温性能及使用寿命。以高功率激光-电弧复合焊接铝合金为例，当使用铜含量约为 16% 的钨铜合金喷嘴时，焊接过程的稳定性和质量都得到了显著的提高。

5 结论

总之，焊枪喷嘴虽然是焊接设备的小件，但它对铝合金焊接性能的影响是全方位和显着的，涉及焊缝成形，气孔缺陷控制和焊接热输入调整等诸多关键领域。通过对喷嘴结构的合理设计和喷嘴材料的优化选用，可以有效地增强焊枪喷嘴焊接铝合金时的工作特性，从而改善铝合金的焊接质量，减少焊接缺陷、降低焊接变形风险、发挥铝合金材料性能优势等。在今后铝合金焊接技术开发过程中要继续对焊枪喷嘴及焊接工艺参数进行深入研究，并对新型喷嘴结构及材料进行继续探索，为了满足人们对铝合金越来越复杂的焊接要求，促进其在更多的领域中得到广泛的应用。

参考文献

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