随着铝合金焊接结构大型化发展,原位焊接制造成为关注的焦点,其中最为典型的应用是重型运载火箭燃料贮箱的焊接,而铝合金横焊技术成为制约其发展的瓶颈。铝合金横焊难度较大、焊接质量和效率较低,主要是重力对熔池作用和铝合金本身物理特性导致。为解决上述问题、提高铝合金横焊效率和质量,开展了变极性等离子弧铝合金穿孔横焊技术的研究。根据常规变极性等离子弧(简称“常规电弧”)穿孔横焊难点和穿孔熔池稳定建立条件,从改变电弧特性角度出发,提出柔性变极性等离子弧(简称“柔性电弧”)。在穿孔焊接前提下,通过改变电弧能量和压力分布,促进穿孔熔池稳定建立,最终实现了8mm厚2A14铝合金板穿孔横焊,焊缝成形良好且组织、力学性能优异。首先,采用常规电弧对6mm、8mm厚铝合金板进行穿孔横焊试验,明确铝合金穿孔横焊的瓶颈问题。板厚6mm时,穿孔横焊的难点是咬边和气孔缺陷的控制;板厚8mm时,穿孔横焊的难点是如何保证穿孔熔池稳定建立。针对穿孔横焊难点,探究咬边缺陷的成因和穿孔熔池稳定建立的条件。正面咬边缺陷主要是由较大热输入和电弧压力导致;背面咬边缺陷主要是由较小热输入或较大电弧压力导致。熔池动态行为观察结果表明,熔池背面上、下侧熔化金属的搭桥连接是穿孔熔池建立的关键,熔化金属在熔池正面的填充能够防止穿孔熔池的崩溃,围绕小孔的流动是稳定穿孔熔池的标志。根据问题产生原因,提出了初步控制措施。“小规范+背面预热”措施可消除6mm板穿孔横焊咬边缺陷;“坡口设计”措施可促进8mm板穿孔熔池的建立,但未能彻底解决穿孔熔池稳定性问题。根据穿孔熔池稳定建立的热、力条件,提出了从改变电弧特性角度控制穿孔熔池稳定性的研究思路。通过使用三孔型水冷喷嘴,改变电弧能量和压力分布,获得柔性变极性等离子弧,改善了横焊缝成形、提高了穿孔过程稳定性。良好作用效果源于其独特的电弧特性。与常规电弧相比,柔性电弧形态扩展,压缩程度降低;静特性下移,阻抗特性降低。通过分裂阳极法测量电弧能量密度分布,利用水冷铜板小孔法检测电弧压力分布。与常规电弧相比,柔性电弧能量集中程度较高,源于三孔型水冷喷嘴的使用和较大的离子气流量;在工件表面柔性电弧能量分布呈椭圆形,改变了穿孔熔池形貌;柔性电弧压力幅值及梯度都大大降低,增加了电弧稳定性。通过穿孔熔池受力计算和流动行为分析,阐释了柔性电弧的作用机理:电弧压力的减小,使焊缝背面最大允许孔径增大,促进了穿孔熔池尾部的填充;其热源特性提高了熔化金属的流动性,促进了熔化金属的搭桥连接和正面填充,提高了穿孔焊接的稳定性。利用流体动力学计算软件Fluent,对穿孔焊接过程进行数值模拟,定量研究电弧形式和电弧压力对熔池行为的影响。为准确描述柔性电弧特性,建立了双椭圆面-锥体复合热源模型和力源模型。通过UDF(User Defined Function)二次开发和VOF(Volume of Fluid)界面追踪技术,实现了三维瞬态穿孔焊接数值模拟并验证了模型的可靠性。在穿孔熔池形成过程模拟中,柔性电弧穿孔速度慢,热传导在工件宽度方向作用显著,熔池温度较高,温度场分布不对称;电弧压力增加使穿孔直径增大、小孔周围金属液膜变薄、向熔池正面的流动速度降低。在穿孔熔池填充过程模拟中,柔性电弧熔池内熔化金属的搭桥连接速度快、填充能力强,熔池凝固速度慢。根据模拟结果,提出了穿孔熔池填充判定条件:表面张力附加力大于电弧力和重力合力;熔化金属搭桥连接和正面填充时间小于熔池凝固时间。判定条件揭示了横焊位置穿孔熔池的热、力平衡机制。最后,对铝合金柔性电弧穿孔横焊工艺及接头组织、力学性能进行研究,并与常规电弧立焊进行对比分析,检验工艺稳定性和接头可靠性。柔性电弧穿孔横焊工艺窗口较宽,具有良好的焊接稳定性;采用大电流、氧化膜刮削和焊前预热的综合措施可有效控制气孔缺陷。柔性电弧横焊接头抗拉强度和断后延伸率略高于立焊接头,断裂模式为塑性断裂,接头中微气孔缺陷和离异共晶是重要的裂纹源。横焊接头上侧热影响区组织晶粒细小、硬度值较高,组织和力学性能具有不对称性。这种不对称性是由横焊缝上、下侧焊接热循环的不对称性引起的,而根源是重力导致的穿孔熔池金属流动的不对称。