铝合金变极性氩弧焊阴极清理工艺研究
余忠贵 华学明 肖笑 李芳
（上海交通大学材料科学与工程学院焊接工程技术研究所 上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240）
摘要：本文对铝合金变极性氩弧焊阴极清理工艺进行了研究，获得了主要焊接参数对阴极清理和熔宽的影响规律。结果表明，
阴极清理受多个参数影响，一定范围内增大反极性比，焊接电流，焊接速度，氩气流量，以及提高氩气纯度有利于提高阴极清
理效果。
关键字：变极性氩弧焊 阴极清理宽度 焊缝宽度 焊接参数 0前言
铝合金因为其轻质量、高强度和良好的低温性
能而获得越来越广泛的应用[1]。铝及铝合金的表面
生成致密难熔的氧化膜(AI2O3，熔点2050℃)，而铝
的熔点仅为660℃左右。在焊接时，氧化膜的存在
阻碍了金属之间的良好结合，若不清除干净，焊缝
容易夹渣[2,3,4]。因此，铝及铝合金焊前一定要清除
氧化膜，而在电弧的高温下铝及铝合金又极易氧
化，所以必须在高温下，既要焊接、又要时时不断
地清除氧化膜，才能保证焊缝满足力学性能的要
求。交流TIG焊机由于其反极性接法时具有阴极雾
化作用而被广泛用于焊接铝合金。铝合金焊接既要
发挥阴极清理作用去除表面致密的氧化膜,又要减
少钨极烧损,保持钨极端头形状。阴极清理对铝合
金焊接成形有着十分重要的意义[2,3,4,5,6]，而阴极清
理作用受焊接参数的影响，对此，本研究的目的在
于获得焊接参数对阴极清理宽度的影响规律，为铝
合金变极性氩弧焊焊接参数的选取提供依据。
1焊接参数对阴极清理影响规律
实验中焊接设备为日本OTC公司生产的型号为
DA300P的变极性交流氩弧焊焊接电源。实验分以下
几个部分，分别研究主要的焊接参数（焊接电流，
反极性比EP，频率，焊接速度，气流量，气体纯度
等）对阴极清理宽度的影响。采用平板堆焊，每道
焊缝长度为18cm,焊后测量每道焊缝及清理区的平
均宽度。
图1（a）为变极性氩弧焊得到的典型焊缝，图
中中间区域为焊缝（熔池），焊缝边缘被白色的清
理区包围，焊缝美观。图1（b）为清理效果比较差
边界仍有未破碎的氧化膜。由此可以认为只有当阴
极清理区宽度大于熔宽是清理效果好，否则清理效
果不好，实验过程中同时观察清理区宽度和熔池宽
度的变化，以评价清理效果的好坏。
（a）
（b）
图1 焊缝宽度与清理区宽度: (a) 清理效果好
（b）清理效果不好 1.1 反极性比EP对阴极清理宽度的影响
实验条件：电流100 A，频率50 HZ，材料
5052铝镁合金，尺寸300 mm×60 mm×6 mm，保
护气体为普通纯氩，气流量10 L/min，速度150
mm/min，采用铈钨极，直径2.4 mm，钨极高度5 mm，
喷嘴高度8 mm，反极性比EP分别取10%，15%，
20%，30%，40%，50%五组值。。图2为焊缝形貌，
图3为实验得出的反极性比EP对清理区宽度和焊
缝宽度的影响规律曲线。
(a)EP=10% (b)EP=15%
(c)EP=20% (d)EP=30%
(e)EP=40% (f)EP=50%
图2 焊缝形貌
氧化膜
清理区宽度 焊缝宽度
图3 EP对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响
图2，图3可以看出，清洁区随EP增大而
呈现增大趋势，而EP在10%到20%之间，清洁区
宽度随EP增大而显著变宽，EP在20%到50%范围
内增大时，阴极清理区宽度增长较小，基本保持
不变，主要原因是反极性时间变长后，阴极斑点
有更多的时间向外扩展，使得阴极清理区变宽。
当清理区增大到一定程度后，由于受到氩气保护
区域的限制而没法继续扩展因此不再随反极性时
间的延长而变宽。
而当EP在10%到20%范围内，焊缝宽度变化
不大，在20%到50%范围内，焊缝宽度随EP增大
而呈现增大的趋势，这主要是由于EP期间电弧对
工件的热输入量增大导致熔宽增加。这是因为，
在EP期间，工件发射电子，由于工件为铝合金属
于冷阴极，电子发射主要是场发射机制，因此阴
极压降远大于钨极为阴极时的阴极压降，所以EP
时对工件的加热远大于正极性EN时对工件的加
热。
1.2 焊接电流对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，尺寸300
×60×6mm，气流量10 L/min，频率50HZ，速度
150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸出长度3 mm，
喷嘴高度6 mm，板厚4 mm，反极性比EP=30%，
正反极性电流大小相等，分别取80A，100A，
120A,150 A，170A。
(a)I=80A (b)I=100A
(c)I=120A (d)I=150A
(e)I=170A
图4.不同电流条件下焊缝形貌
图5.电流大小对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响 由图4，图5可以看出，电流增大阴极清理
区宽度和焊缝宽度都会增大，这主要是由于电流
增大，将会有更多的氩气原子参与电离，即有更
多的氩离子溅射到工件表面，使得清理区宽度增
加，另外电流增大使得对工件的热输入增加，使
得金属熔化量增加，即熔池变宽。此外从图中可
以看出熔宽增加速度明显大于清理宽度的增加速
度，电流较小时，清理宽度远大于熔池宽度，当
两者之差逐渐缩小，到电流为150A时清理宽度与
熔宽接近，即正好满足清理要求，当电流继续增
大至170A时，熔池边界有氧化膜未被清理，阴极
清理将不能完全满足要求。
1.3 焊接速度对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，尺寸300 mm
×60 mm×6 mm，气流量10 L/min，频率50 HZ，
速度150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸出长
度3 mm，喷嘴高度6 mm，板厚4mm，反极性比
EP=30%，电流100 A，焊接速度分别取150 mm/min，
300 mm/min,400 mm/min,500 mm/min，700 mm/min，
1200 mm/min。
(a)S=150 mm/min (b)S=300 mm/min
(c)S=400 mm/min (d)S=500 mm/min
(e)S=700 mm/min (f)S=1200 mm/min
图
6 不同焊接速度条件下焊缝形貌 氧化膜
图7. 焊接速度对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响 由图6，图7可以得出，随着焊接速度的增
大，阴极清理宽度和熔池宽度都减小，原因是焊
接速度增大后，阴极斑点来不及向外扩展，且由
于速度增大后熔池热输入量减少，金属熔化量减
少，从而使得熔宽减小。图中同时可以看出熔池
宽度减小较清理宽度减小得更快，使得两者之差
变大，从清理效果的角度看，清理效果随速度的
增大而变好。
1.4 频率对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，尺寸300 mm
×60 mm×6 mm，气流量10 L/min，频率50 HZ，
速度150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸出长
度3mm，喷嘴高度6 mm，板厚4 mm，反极性比
EP=30%，电流100A，频率50 HZ，80 HZ,120 HZ,150
HZ，200 HZ。
图8. 频率对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响 由图8可以得出频率对阴极清理宽度及熔宽
几乎无影响。
1.5 气体纯度对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，尺寸300 mm
×60 mm×6 mm，气流量10 L/min，频率50 HZ，
焊接速度150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸
出长度3 mm，喷嘴高度6 mm，板厚4 mm，反极性比EP=30%，电流100 A，气体分别为99.9%的
普通氩气和99.999%的高纯氩气.EP分别取10%，
20%，30%三组值。
(a1)普通氩气EP=10% (a2)高纯氩气EP=10%
(b1)普通氩气EP=20% (b2)高纯氩气EP=20%
(c1)普通氩气EP=30% (c2)高纯氩气EP=30%
图8 不同纯度氩气条件下焊缝形貌
图9. 氩气纯度对阴极清理宽度和焊缝宽度的影响 如图9所示，高纯氩气的清理宽度明显大于
普通氩气的清理宽度，熔池稍大于普通氩气，这
可能是因为高纯氩气由于纯度高，焊接过程中对
母材的二次氧化量少，因此电弧为寻找易发射电
子的氧化膜更易扩展，清理区的宽度随之也增大，
同时由于再次氧化的可能性小，工件表面的电子
发射的阴极压降进一步增加，阴极发热更大，造
成熔池的宽度比低纯度氩气更大的熔池。
1.6 气体流量对阴极清理的影响
实验条件：材料5052铝镁合金，频率50 HZ，
速度150 mm/min，钨极直径2.4 mm，钨极伸出长
度3 mm，喷嘴高度6 mm，板厚4 mm，反极性比
EP=30%，电流100 A. 气体流量分别取2 L/min，
5 L/min，10 L/min，15 L/min三组值。
(a)L=2L/min (b)L=5L/L
(c)L=10L/min (d)L=15L/min