来自西南交通大学研究人员在国际期刊“Journal of Manufacturing Processes”发表的“Arcs interaction mechanism in Plasma-MIG hybrid welding of 2219 aluminium alloy”。

01 论文导读

2219铝合金凭借其高强重比和优异的耐腐蚀性，在航空航天领域得到了广泛应用。然而，传统的焊接技术在处理该合金时，常面临焊接变形大、气孔率高以及接头强度系数低等问题，难以满足日益增长的工业需求。

为了解决这些问题，等离子-MIG（Plasma-MIG）复合焊接技术应运而生。该技术结合了等离子弧（PA）深熔深和MIG焊优异填充能力的优势，通过同轴焊枪产生复合电弧——即外部等离子弧（OPA）包围内部MIG电弧（IMA）。尽管该技术能有效提升接头质量，但由于复合电弧的作用模式复杂，其核心的“电弧相互作用机制”仍不明确 。本文旨在通过光谱诊断和高速摄像技术，从电弧温度场、电弧行为及熔滴过渡模式三个维度，深入揭示电弧相互作用的物理本质。

02 全文概述

本文通过搭建等离子-MIG复合焊接实验系统，利用光谱诊断和高速摄像技术，系统研究了2219铝合金焊接过程中的物理机制。研究发现，电弧相互作用导致电流分流，大部分电流流向外部等离子弧（OPA），使得复合电弧的径向温度分布呈现出与传统MIG电弧截然不同的“中间低、两边高”的马鞍形特征（先升高后降低再升高）；这种特殊的分布导致表面温度梯度较小，有利于铝合金均匀受热并减少焊接变形。在电弧稳定性方面，随着外部等离子电流（Ip）的增加，电弧间的相互作用增强，OPA对内部MIG电弧产生明显的压缩和束缚作用，使得MIG电压-电流（U-I）的随机分布曲线更加集中，显著提高了电弧稳定性。此外，这种相互作用还显著改善了熔滴过渡行为：在短路过渡中，它降低了电压波动范围，消除了波形中的“驼峰”现象并减少了飞溅；而在球状过渡中，由于电流分流降低了流经熔滴的电流密度和温度，导致表面张力增大且电磁力减小，从而促进了熔滴的持续长大并降低了过渡频率。

03 图文解析

图1展示了等离子体-MIG混合电弧的温度分布特征。结果表明，该复合电弧呈现出轴对称分布，其中最高温度集中于OPA，致使其整体温度显著高于IMA。造成这一温差的主要原因在于电弧间的相互作用：该作用促使IMA电流向OPA偏移，进而削弱了IMA的热作用，导致其温度相对较低。此外，在两弧之间观测到的明显低温等温区，进一步证实了OPA与IMA之间存在清晰的分界区域。

图1 等离子-MIG复合电弧的温度分布：（a）温度场数据分布，（b）温度场分布的三维轮廓，（c）温度场分布的三维表面

图2表明了在激光-电弧复合焊短路过渡过程中，即使内层电弧（IMA）在短路瞬间熄灭，外层等离子电弧（OPA）仍持续存在并提供稳定的导电与热环境，从而维持复合电弧空间的整体稳定性。这种作用保证了液滴顺利脱落并促使IMA快速重燃，显著提高了短路过渡过程的稳定性与连续性。

图2 等离子-MIG复合电弧焊的短路过渡模型：（a）短路时刻和（b）短路过渡过程

图3展示了等离子-MIG复合焊中独特的球状过渡特征：熔滴被内部MIG电弧（IMA）和外部等离子弧（OPA）双重包裹，这种特殊的电弧环境为熔滴提供了良好的物理生长空间。这种包围效应使得熔滴在脱落前能够持续长大，从而导致其最终尺寸显著大于传统MIG焊，并伴随着过渡频率的降低。

图3 等离子-MIG混合焊接的球状过渡模型：（a）球状形成和（b）球状过渡过程

04 结论

1、电弧相互作用导致电流分流，使大部分电流流向OPA。同时，复合电弧表面温度梯度减小，有利于热量均匀分布，减少焊接变形。

2、电弧相互作用增强电弧稳定性，随着外等离子电流增大，电弧行为趋于稳定，有助于提高焊接质量。

3、在短路过渡中，电弧相互作用降低电压波动，提升过渡稳定性，减少飞溅。

4、在球状过渡中，电弧相互作用促进熔滴持续长大，降低过渡频率，改善焊缝成形质量。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.05.014