超聲對(duì)等離子電弧的影響及焊接試驗(yàn)研究

范成磊，謝偉峰，楊春利，林三寶，孫清潔，范陽陽

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超聲對(duì)等離子電弧的影響及焊接試驗(yàn)研究

范成磊1，謝偉峰1，楊春利1，林三寶1，孫清潔2，范陽陽3

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東威海 264209；3.東方電機(jī)有限公司，四川德陽618000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,超聲波在材料加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，相繼出現(xiàn)了多種超聲波與焊接相結(jié)合的方式，在一定程度上提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了焊接的適應(yīng)性。詳細(xì)介紹了一種超聲電弧技術(shù)，即利用外加超聲源調(diào)控等離子電弧作為相應(yīng)熱源進(jìn)行焊接的技術(shù)。電弧試驗(yàn)研究顯示，受超聲調(diào)制的等離子電弧呈規(guī)則的圓錐形，壓縮明顯，電弧中心區(qū)壓力增大。在焊接試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)施加超聲后，焊接熔滴尺寸更小，過渡頻率明顯增加，焊縫的熔寬和熔深都不同程度增加。利用該方法可以克服普通電弧焊接熔深淺、電弧能量不集中、焊接效率低等缺點(diǎn)。

超聲；等離子電??；壓縮效應(yīng)；熔滴過渡

0 引言

焊接技術(shù)[1]，它采用熱、電、光、聲、磁等一切可以利用的熱源，借助電子、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的控制技術(shù)，應(yīng)用于能源、航空航天、環(huán)境、海洋、船舶、汽車、壓力容器等領(lǐng)域。在其應(yīng)用過程中，由于技術(shù)上的突破，理論上的逐步成熟，使它成為一門系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接的應(yīng)用也越來越廣泛，目前，世界主要工業(yè)國(guó)家生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的50~60%[3]。其中弧焊的應(yīng)用最為廣泛。電弧焊是通過焊槍將氣體(如惰性氣體氬和氮)轉(zhuǎn)換為等離子高焓氣體并作為熱源的冶煉連接方法，普通電弧焊接多屬于弱等離子弧熱源。為了拓展電弧焊的應(yīng)用范圍，同時(shí)進(jìn)一步提高焊接效率，出現(xiàn)了許多新的弧焊方法。通過對(duì)焊接熱源的調(diào)控以改善正常規(guī)范下的電弧特性及焊縫熔池形貌，如高頻脈沖氬弧焊[4]、激光增強(qiáng)電弧復(fù)合焊[5]、雙面電弧焊[6]及雙鎢極TIG[7]等。但是目前上述方法仍存有不足，如輔助工序多、焊接效率低、成本高及很難適用于密閉容器等問題。

鑒于超聲的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，越來越多學(xué)者將超聲振動(dòng)引入到焊接中，如超聲輔助焊接、焊后超聲沖擊處理[8]、功率超聲焊接[9]、超聲釬焊[10]等。這些方法在不同層次上將超聲的優(yōu)點(diǎn)引入到焊接過程中，起到了細(xì)化晶粒的作用[11]。不過以上超聲引入都是在固態(tài)物質(zhì)緊密接觸情況下，將超聲振動(dòng)作用到焊縫區(qū)的金屬，超聲效果不免會(huì)受到焊接工件的空間結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合常規(guī)電弧焊接及超聲振動(dòng)輔助焊接的相關(guān)特點(diǎn)，本文提出了超聲與電弧復(fù)合焊接方法，針對(duì)超聲對(duì)電弧和焊接熔滴的影響作初步研究。

1 研究方案

本研究分別進(jìn)行了超聲鎢極氬氣保護(hù)等離子電弧形態(tài)研究試驗(yàn)(U-TIG)和超聲熔化極氬氣保護(hù)焊接試驗(yàn)(U-MIG)。電弧實(shí)驗(yàn)中以水冷銅板作陽極，非熔化鎢極作電弧陰極，在兩極間形成等離子弧，焊接電源為L(zhǎng)ORCH-V24焊機(jī)。焊接實(shí)驗(yàn)中以1.2 mm的H08Mn2Si融化焊絲為陽極，Q235低碳鋼作為陰極進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)，焊接電源為Kemppi- MIG500焊機(jī)。試驗(yàn)原理圖如圖1所示。超聲電源型號(hào)均為CSHJ-1000，電源中心頻率為20 kHz，最大負(fù)載功率為220 W，其他試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)

為分析超聲振動(dòng)對(duì)等離子弧宏觀形態(tài)影響，首先對(duì)常規(guī)電弧圖像進(jìn)行采集，電弧采集系統(tǒng)如圖2所示，主要包括光學(xué)投影儀和數(shù)碼照相機(jī)兩部分。電弧中心軸線附近部位是電弧溫度最高的區(qū)域，也是等離子體最集中、電流密度最大的區(qū)域，是熔化母材的能量主要來源。本文將觀測(cè)重點(diǎn)放在電弧中心區(qū)域，通過減小電弧投影儀光圈濾掉對(duì)電弧分析作用較小的電弧周邊區(qū)域形態(tài)，僅采集亮度最高電弧中心區(qū)域形態(tài)進(jìn)行分析。圖3為采集的電弧形態(tài)示意圖。圖中灰色區(qū)域即為所采集的可視部分即電弧高亮區(qū)。另外電弧及熔滴微觀形態(tài)變化研究試驗(yàn)均采用高速攝像系統(tǒng)完成，其中高速相機(jī)采集頻率為3000 fps。電弧壓力采用通用的靜態(tài)小孔法測(cè)量。焊接過程中電信號(hào)采集選用LEM公司的LT1000-S型電流傳感器和LV28-P型電壓傳感器，并利用USB2813數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，采集頻率為11500 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲對(duì)電弧的影響研究試驗(yàn)

2.1.1電弧形態(tài)的變化

保持其他工藝參數(shù)不變，每次將焊槍整體向上調(diào)節(jié)，電弧穩(wěn)定后進(jìn)行電弧形態(tài)的采集，實(shí)驗(yàn)過程中輻射端高度與電弧長(zhǎng)度同時(shí)按0.3 mm遞增。為了清晰地分辨電弧中心區(qū)域形態(tài)，更有利于電弧形態(tài)變化的分析，對(duì)采集到的電弧圖片進(jìn)行閾值處理。常規(guī)電弧和超聲電弧形態(tài)對(duì)比如圖4所示，圖中左側(cè)為常規(guī)電弧，右側(cè)為超聲電弧。圖像采集條件相同，閾值也非常接近，可以初步認(rèn)為電弧圖像中相同灰度區(qū)域代表的弧光強(qiáng)度區(qū)間是相同的，而弧光強(qiáng)度則與電弧溫度有著直接的聯(lián)系。在電弧空間中，受激發(fā)電子極不穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)將從高能級(jí)狀態(tài)回到較低的激發(fā)能級(jí)或基態(tài)能級(jí)上，電子的能量差將以輻射的形式放出，產(chǎn)生不同頻率的光量子，形成電弧輻射，其中可見光頻段的電弧輻射形成肉眼可見的電弧形態(tài)。電弧溫度越高，處于高能級(jí)狀態(tài)的電子數(shù)量越多，其電弧輻射越強(qiáng)，電弧形態(tài)高亮區(qū)域的面積越大。通過電弧形態(tài)中高亮區(qū)域的變化可以判斷電弧空間中的溫度變化情況。

圖4 常規(guī)電弧和超聲電弧形態(tài)對(duì)比

從圖4中可以看出：隨著弧長(zhǎng)增加，超聲電弧的高溫區(qū)域分布發(fā)散，但是超聲作用下的電弧高溫區(qū)域向下擴(kuò)展明顯。鎢極端部亮度最高的白色部分的區(qū)域面積擴(kuò)大，其在電弧軸向上的長(zhǎng)度增加，超聲作用下的電弧中心區(qū)域溫度升高。超聲作用下電弧形態(tài)整體出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，電弧中心區(qū)域半徑減小，軸向長(zhǎng)度增加，中心發(fā)亮部分向工件延伸，電弧挺度也隨之增加。但是不同電弧高度條件下所表現(xiàn)出的壓縮程度不一。

2.1.2 電弧壓力的變化

圖5是焊接電流()和電弧長(zhǎng)度()分別為50 A和2~5 mm時(shí)，不同輻射端高度()的電弧壓力徑向分布曲線。由于穩(wěn)態(tài)電弧呈中心對(duì)稱分布，圖中只示出其正半軸。由圖5的電弧壓力分布圖可以看出，施加超聲振動(dòng)后電弧壓力分布形式不變，中心區(qū)域壓力最大，邊緣處壓力逐步減小。超聲振動(dòng)對(duì)電弧壓力的影響趨勢(shì)相似，即超聲作用下電弧壓力水平整體增加。如圖5(a)所示，在電弧長(zhǎng)度為2 mm的情況下，電弧壓力隨著輻射端高度增加而增大，在輻射端高度為26 mm時(shí)，超聲電弧壓力最高值達(dá)145.7 Pa，相當(dāng)于常規(guī)電弧壓力的141%左右。以電弧壓力峰值為考察目標(biāo)時(shí)，隨著電弧長(zhǎng)度的變化，與之匹配的輻射端高度也各有不同，總體呈現(xiàn)出電弧長(zhǎng)度與輻射端高度相匹配。

(a)=50 A，=2 mm

(b)=50 A，=3 mm

(c)=50 A，=4 mm

(d)=50 A，=5 mm

圖5 電弧壓力徑向分布

Fig.5 Radial distribution of arc pressures for different arc lengths

在電弧中引入超聲振動(dòng)，影響電弧壓力分布。電弧長(zhǎng)度不同時(shí)，超聲作用的最佳輻射端高度各不相同，以電弧壓力最高峰值衡量，電弧長(zhǎng)度分別為2、3、4、5 mm時(shí)，電弧中心壓力峰值最大，分別為145.7、99.3、80.0、74.0 Pa。相同條件下常規(guī)電弧壓力峰值分別為103.3、67.4、53.3、43.0 Pa，超聲電弧壓力峰值增加量分別為41.0%、47.3%、50.1%、72.1%，隨著電弧長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，與之匹配良好的輻射端高度降低，最大峰值壓力提高幅度漸增。主要是由于電弧長(zhǎng)度增加導(dǎo)致超聲作用的電弧空間增加，并且弧柱內(nèi)粒子密度降低導(dǎo)致電磁收縮力降低，超聲對(duì)電弧壓縮效果明顯，壓力峰值增量變大。基于對(duì)壓力分布曲線的歸納，電弧長(zhǎng)度增加最佳輻射端高度降低，主要是因?yàn)殡S著電弧的增長(zhǎng)，電弧向環(huán)境中散失的熱量增加，引入的超聲能量尚不能彌補(bǔ)其散失的熱量，導(dǎo)致電弧溫度下降，聲場(chǎng)諧振曲線會(huì)向左方向偏移，表現(xiàn)為輻射端高度降低才得以滿足聲場(chǎng)諧振要求。在其他焊接電流下輻射端高度對(duì)電弧壓力分布的影響規(guī)律基本相同。

2.1.3 電弧挺直度的分析

試驗(yàn)采用先點(diǎn)燃電弧，后加超聲波的方式對(duì)電弧挺直度進(jìn)行分析。為使電弧輪廓更為清晰，便于觀察，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化處理。圖6為電弧長(zhǎng)度4 mm時(shí)施加超聲前后電弧的變化情況。由圖可見未施加超聲振動(dòng)(=0)時(shí)，電弧呈自由狀態(tài)鋪展，施加超聲后，整個(gè)電弧都受到超聲場(chǎng)的拘束和限制作用而產(chǎn)生壓縮。隨著作用的繼續(xù)，最終電弧呈現(xiàn)較為規(guī)則的圓錐形，電弧的高溫區(qū)被拉長(zhǎng)，這樣的電弧形態(tài)對(duì)實(shí)際的焊接過程是極為有利的。

在焊接生產(chǎn)中，焊接電弧由于導(dǎo)線接線位置、鐵磁性物質(zhì)、弧長(zhǎng)較長(zhǎng)等原因而受到足夠大干擾時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電弧偏離電極軸線，引起偏吹，降低電弧的穩(wěn)定性。為了清晰表達(dá)超聲對(duì)電弧的作用，驗(yàn)證電弧挺直度，進(jìn)行了電弧偏吹條件試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)前將常規(guī)電弧調(diào)節(jié)為偏吹狀態(tài)，點(diǎn)燃電弧后施加超聲振動(dòng)，高速攝像中可以明顯發(fā)現(xiàn)電弧偏吹現(xiàn)象減輕、電弧挺直度提高的效果。并且從試驗(yàn)中可以看出，超聲的作用方式為逐層加載，就焊接電弧而言屬于外加方式，而非改變焊接電源獲得的結(jié)果。

(a)=0 s (b)=0.001 s

(c)=0.002 s (d)=1 s

圖7 施加超聲前后電弧形態(tài)(偏吹狀態(tài))

Fig.7 Dynamic photos of arc visible profile before and after ultrasound applied (side-blowing condition)

2.1.4 電弧局部光譜的分析

為了進(jìn)一步研究超聲對(duì)電弧內(nèi)部的物理過程及現(xiàn)象，進(jìn)行局部光譜分析。通過調(diào)節(jié)光纖入口位置，使電弧中距母材表面不同高度截面所發(fā)出的光輻射進(jìn)入光譜儀，沿電弧徑向移動(dòng)入口，每次移動(dòng)2 mm，從而獲得電弧不同截面徑向的光譜分布。選取波長(zhǎng)為434.81 nm的特征譜線作為研究對(duì)象。電弧長(zhǎng)度為4 mm，輻射端高度為22 mm，對(duì)電弧中部距陽極2.5 mm處(1)及電弧下部距陽極0.5 mm處(2)進(jìn)行光譜分析，普通電弧和U-TIG電弧具體測(cè)試點(diǎn)軌跡如圖8所示。

圖9為距銅板2.5 mm處常規(guī)電弧和超聲電弧特征譜線強(qiáng)度對(duì)比?？v坐標(biāo)為譜線強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為距電弧中心徑向距離?？梢钥闯?，靠近電弧中心區(qū)域，由于超聲電弧溫度提高，譜線強(qiáng)度更強(qiáng)。超聲電弧譜線強(qiáng)度分布更陡，在徑向距離為2 mm時(shí)開始低于常規(guī)電弧，這是由于超聲電弧收縮，徑向分布半徑減小，該測(cè)試點(diǎn)偏離了電弧位置所導(dǎo)致。圖10為距銅板0.5 mm處特征譜線強(qiáng)度對(duì)比。靠近陽極的電弧尾部，超聲電弧并沒有明顯的收縮趨勢(shì)，但是其譜線強(qiáng)度皆有較大提高，表明超聲電弧溫度更高，對(duì)陽極的熱輸入更大。超聲電弧尾部收縮不明顯原因主要有兩點(diǎn)，一是超聲波傳遞到陽極表面時(shí)，會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的反射作用，導(dǎo)致該處超聲波對(duì)粒子作用的紊亂，聲輻射力不能有效壓縮電弧粒子；二是由于電子的加速過程，陽極表面電子速度較大，超聲波傳遞速度無法與之匹配也會(huì)造成作用的不明顯。

2.2 超聲電弧焊接試驗(yàn)

與常規(guī)電弧焊相比，超聲電弧復(fù)合后電弧特征發(fā)生了顯著變化，而電弧行為的變化直接影響到熔滴過渡過程中焊絲熔化、熔滴形成、熔滴脫落的過程，并最終影響焊縫成形。

2.2.1 超聲對(duì)熔滴過渡的影響

圖11和圖12為普通電弧焊和超聲電弧復(fù)合焊的一個(gè)滴狀過渡周期。從圖11可以看出，普通電弧焊過程中熔滴位置較高，熔滴呈球狀并逐漸長(zhǎng)大。在該試驗(yàn)條件下，熔滴直徑達(dá)到2.85 mm左右，約為焊絲直徑的2.5倍，單個(gè)熔滴過渡周期為106 ms，測(cè)得熔滴過渡頻率結(jié)果顯示為10 Hz。在圖12所示的超聲電弧焊過程中，電弧同樣表現(xiàn)出收縮而且亮度更高的特點(diǎn)。在熔滴過渡的過程中，熔滴的尺寸減小，過渡周期僅為28 ms，過渡頻率達(dá)到32 Hz。從熔滴形狀來看，當(dāng)熔滴直徑接近焊絲直徑后，熔滴就開始在軸線方向上發(fā)生了明顯的拉長(zhǎng)，而熔滴直徑幾乎保持不變。從2.951 s后就可以看出熔滴的直徑始終與焊絲直徑幾乎保持一致而在焊絲軸線方向不斷增大，脫離焊絲時(shí)呈細(xì)長(zhǎng)的橢球狀。同時(shí)，熔滴和焊絲之間的頸縮形成時(shí)間更短，持續(xù)時(shí)間更久、形狀表現(xiàn)出更細(xì)長(zhǎng)的特點(diǎn)。

=3.603s=3.613s=3.623s=3.632s

=3.642s=3.651s=3.661s=3.671s

t=3.680s t=3.690s t=3.700s t=3.709s

=2.943s=2.946s=2.948s=2.951s

=2.953s=2.956s=2.958s=2.961s

t=2.963s t=2.966s t=2.968s t=2.971s

2.2.2超聲對(duì)焊縫成形的影響

焊縫成形是焊接過程中電弧熱作用和熔滴過渡特點(diǎn)的最終體現(xiàn)。普通電弧焊接和超聲電弧復(fù)合焊接宏觀形貌如圖13所示。普通電弧焊接的焊道仍保持窄而高的特點(diǎn)，而超聲電弧復(fù)合焊道則鋪展良好，焊道寬度明顯增加，而且焊縫尺寸的均勻性要優(yōu)于普通電弧焊接。

圖14為焊縫斷面形貌對(duì)比。超聲電弧復(fù)合焊接在滴狀過渡時(shí)仍然能夠保持良好的熔池金屬鋪展和對(duì)稱的熔池形態(tài)，其熔深和熔寬均有不同程度增加，這主要是由于超聲的加入顯著改善熔池金屬的鋪展，使焊縫熔寬增加，余高降低，而且焊縫的熔深也有不同程度的增大，在母材上獲得了更大的熔化面積。母材熔化特點(diǎn)的變化主要是由電弧加熱特點(diǎn)的變化引起。在超聲電弧復(fù)合焊接過程中，電弧形態(tài)明顯收縮，亮度和挺度均有增加，對(duì)母材的加熱更加集中而且穩(wěn)定，因此有助于獲得穩(wěn)定的熔池狀態(tài)和更大的熔化面積。

3 結(jié)論

通過超聲電弧復(fù)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加超聲后，等離子電弧明顯壓縮，呈圓錐形，電弧中心區(qū)壓力顯著增加。

通過超聲電弧焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加超聲后，焊接熔滴尺寸更小，過渡頻率明顯增加，在試驗(yàn)條件下，熔滴直徑接近焊絲直徑，過渡頻率提高2倍多。焊縫熔寬和熔深都不同程度增加。

關(guān)于等離子聲學(xué)的研究一直是熱點(diǎn)也是難點(diǎn)，本文通過相應(yīng)試驗(yàn)研究也為深入理解聲能對(duì)等離子體調(diào)制打下良好基礎(chǔ)，也為該焊接工藝的深入研究及將來實(shí)用化推廣做好準(zhǔn)備。

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Effect of ultrasound on plasma arc and experimental research on welding

FAN Cheng-lei1, XIE Wei-feng1,YANG Chun-li1, LIN San-bao1, SUN Qing-jie2, FAN Yang-yang3

(1. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, Heilongjiang,China;2.Shandong Provincial Laboratory of Special Welding Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, Shandong, China; 3. Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., Deyang618000, Sichuan, China)

With thedevelopment of modern industry,the applicationof ultrasound inmaterials processingis getting more and morewidespread and important. There are manyultrasonund- welding methods, all of those have improvedwelding quality andproductionefficiency to a certain degree, and enhancethe adaptabilityofwelding. An ultrasonic-arctechnique, utilizingexternalultrasonic sourceto regulateplasma arc(welding heat source), isdescribed in detailin this paper.The arc test shows that theshape of the arc modulated by ultrasound isconicalinstead ofbell-shaped, and thiscompression effectis very obvious.While in thewelding test, with ultrasound, the size of weldingdroplet is smaller than that without ultrasound, and the transition frequency is significantlyincreased.By using thismethod, some of theshortcomingsin ordinaryarc welding can be overcomed, such asarc energydivergence,the low qualityof weldsand low weldingefficiency.

ultrasound;plasma arc; compression effect;droplet transition

TB559 TG456

A

1000-3630(2015)-01-0029-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.006

2013-11-21;

2014-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275134)

范成磊(1976－), 男, 副教授, 研究方向?yàn)楹附舆^程控制及高效焊接。

謝偉峰, E-mail: xiewf1985@163.com