脈沖等離子- MIG復(fù)合焊熔滴過渡行為研究

陳樹君宋亞修肖 珺白立來王旭平

(1.北京工業(yè)大學(xué)汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京100124; 2.首都航天機(jī)械公司，北京100076)

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脈沖等離子- MIG復(fù)合焊熔滴過渡行為研究

陳樹君1宋亞修1肖 珺1白立來1王旭平2

(1.北京工業(yè)大學(xué)汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京100124; 2.首都航天機(jī)械公司，北京100076)

將脈沖等離子電弧與MIG電弧同軸復(fù)合，期望利用等離子弧脈沖峰值電流產(chǎn)生的高速等離子射流沖擊熔滴和熔池，促進(jìn)熔滴過渡，同時(shí)增加焊縫熔深。開發(fā)了一套高速視覺與電信號精確同步的焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對脈沖等離子-MIG復(fù)合焊熔滴過渡行為進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)將等離子電流調(diào)制成脈沖波形，等離子弧對工件總體熱輸入下降，等離子峰值電流產(chǎn)生的等離子流力可以有效促進(jìn)熔滴過渡。在此基礎(chǔ)上深入分析了等離子脈沖峰值電流、脈沖寬度及熔滴在等離子弧過渡位置等參數(shù)對熔滴過渡的影響，獲得了脈沖等離子-MIG復(fù)合焊一脈一滴過渡的工藝參數(shù)窗口。

脈沖等離子-MIG 熔滴過渡 等離子流力 一脈一滴過渡

0序 言

等離子-MIG復(fù)合焊是由等離子電弧和MIG電弧組成的復(fù)合電弧焊接方法[1]，最早是由W.G.Essers和A.C.Liefken等人[2]提出。等離子-MIG復(fù)合電弧具有較大的能量密度，等離子電弧對工件及焊絲的預(yù)熱作用，使得焊縫區(qū)晶粒細(xì)化、熔滴溫度降低、焊縫氣孔減少，提高了焊縫成型質(zhì)量[3-4]。

目前為止，國內(nèi)外對等離子-MIG復(fù)合焊接工藝的研究，大多認(rèn)為等離子電弧是“輔助”作用，主要是對母材、焊絲預(yù)熱以及MIG電弧的保護(hù)作用，而MIG電弧主要決定了熔滴過渡的類型以及焊縫熔深[5-9]。鋁合金對熱輸入比較敏感，中厚板焊接過程中容易造成未熔透或者燒穿的現(xiàn)象，而等離子弧電源是恒流源，可以穩(wěn)定控制對母材的熱輸入，并且將等離子電流調(diào)制成脈沖波形，既可以有效降低熱輸入、控制焊縫熔深，又可以在脈沖峰值期間獲得較大的等離子流力促進(jìn)熔滴過渡。因此文中重點(diǎn)研究等離子弧脈沖參數(shù)對等離子-MIG復(fù)合焊熔滴過渡的影響規(guī)律，找到穩(wěn)定的一脈一滴焊接工藝區(qū)間，優(yōu)化脈沖等離子-MIG復(fù)合焊接過程。

1焊接系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

等離子-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)由米勒Dynasy700焊機(jī)、肯比X450焊機(jī)、泰佰億PLM600同軸復(fù)合焊槍以及焊接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。焊接多信息同步采集系統(tǒng)主要由Y-4高速攝像機(jī)，霍爾電壓、電流傳感器，高速數(shù)據(jù)采集卡組成。高速攝像采樣頻率為3 000幀/秒，電信號采樣頻率為150 kHz，焊接過程中電信號和高速攝像同步采集，便于對熔滴過渡行為進(jìn)行精確分析，焊接試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

等離子弧電源和MIG弧電源均采用直流反接方式，焊接板材為5183鋁合金，焊絲選用直徑為1.2 mm 的5356鋁合金焊絲。中心氣、離子氣、保護(hù)氣均為純氬氣，氣體流量分別為10 L/min，10 L/min，15 L/min。送絲速度定為6.9 m/min，脈沖頻率定為30 Hz。分別研究熔滴在等離子弧軸向的相對位置(以下簡稱熔滴位置)、等離子電弧脈沖峰值電流以及峰值時(shí)間對熔滴過渡的影響，試驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖1等離子-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)

表1脈沖等離子-MIG復(fù)合焊接試驗(yàn)參數(shù)

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1熔滴位置對熔滴過渡的影響

熔滴位置主要取決于MIG電弧弧長的大小。等離子電弧對焊絲的熱輸入，改變了MIG焊機(jī)電流和電壓的平衡機(jī)制，因此MIG焊機(jī)選擇非一元化設(shè)置。送絲速度為6.9 m/min，等離子峰值電流為500 A，脈沖時(shí)間為3 ms，MIG電壓設(shè)置為17 V，19 V，21 V時(shí)，熔滴位置分別對應(yīng)等離子壓縮噴嘴外部、噴嘴口處和噴嘴內(nèi)部(圖2)，觀察這三種位置的熔滴過渡行為，研究噴嘴內(nèi)外等離子流力大小的差異及其對熔滴過渡的影響。

圖3為熔滴在噴嘴外部時(shí)典型熔滴過渡和電壓波形，圖片數(shù)字編碼是高速攝像實(shí)時(shí)拍攝幀數(shù)，記錄不同時(shí)刻熔滴過渡狀態(tài)。第一個(gè)脈沖到來時(shí)，熔滴在脈沖等離子流力作用下軸向拉伸，但不足以克服表面張力進(jìn)入熔池；在第二個(gè)脈沖作用下熔滴脫離焊絲并產(chǎn)生飛濺。熔滴脫離焊絲的瞬間，MIG電弧跳躍拉長，電弧電壓達(dá)到了24 V，在脈沖結(jié)束后逐漸恢復(fù)到設(shè)定的17 V電壓。

圖4為熔滴在噴嘴口處時(shí)典型熔滴過渡和電壓波形。此時(shí)熔滴過渡位置處于噴嘴內(nèi)外的臨界位置，受到的等離子流力增大。當(dāng)?shù)入x子脈沖到來時(shí)，熔滴在脈沖等離子流力作用下被軸向拉伸，并在等離子脈沖峰值期間發(fā)生充分頸縮，脈沖結(jié)束后脫離焊絲。熔滴過渡形式為穩(wěn)定的一脈一滴過渡。

圖2熔滴不同過渡位置示意圖

圖5為熔滴在噴嘴內(nèi)部時(shí)典型熔滴過渡和電壓波形。從高速攝像拍到的圖片可以看到熔滴過渡順暢，在熔滴過渡過程中MIG電壓波動(dòng)較小，焊接過程穩(wěn)定。

噴嘴外部的等離子體流速要遠(yuǎn)小于噴嘴內(nèi)部，因此熔滴受到的脈沖等離子流力作用較小，故而熔滴在噴嘴外部時(shí)形成兩脈一滴過渡過程；熔滴在噴嘴內(nèi)部過渡時(shí)能夠獲得穩(wěn)定的一脈一滴過渡，但熔滴在噴嘴內(nèi)部過渡時(shí)加速距離較長，對熔池有較大的沖擊力，在焊接過程中產(chǎn)生細(xì)微飛濺，因此實(shí)際焊接過程中控制熔滴在噴嘴口處過渡。

2.2峰值電流對熔滴過渡的影響

MIG電壓定為19 V，控制熔滴在噴嘴口處過渡，等離子弧脈沖寬度為3 ms，峰值電流分別為400 A，450 A，500 A，550 A時(shí)，觀察峰值電流的變化對熔滴過渡的影響。

圖6為等離子脈沖峰值電流400 A時(shí)的典型熔滴過渡。第一個(gè)脈沖到來時(shí)，熔滴在脈沖等離子流力的作用下被軸向拉伸(第2幅圖片)，但不足以脫離焊絲；在脈沖結(jié)束后，熔滴在表面張力的作用下收縮回到等離子噴嘴口處(第4幅圖片)；第二個(gè)脈沖到來時(shí)，熔滴受到的重力和脈沖等離子流力增加，熔滴脫離焊絲形成兩脈一滴的過渡方式。

圖7為等離子脈沖峰值電流450 A時(shí)的典型熔滴過渡。熔滴過渡形式為一脈一滴過渡，脈沖峰值電流期間，熔滴在等離子流力沖擊作用下，向熔池方向運(yùn)動(dòng)，由于熔滴在脈沖峰值期間被充分加速，熔滴在脈沖結(jié)束后仍然具備足夠的動(dòng)量以克服表面張力，從而在基值電流期間脫離焊絲。從圖7中第6幅圖片可以看到，熔滴在脫離焊絲的瞬間形狀近似球狀，無明顯軸向拉伸，因此在其它焊接參數(shù)不變的情況下，450 A等離子峰值電流接近保證熔滴一脈一滴過渡所需的臨界峰值電流。

圖8為等離子脈沖峰值電流500 A時(shí)的典型熔滴過渡。熔滴在脫離焊絲的瞬間被軸向拉伸變形(第6幅圖片)，由此可知熔滴脫離焊絲前所受的等離子流力沖量較大，熔滴過渡過程順暢。

繼續(xù)增加脈沖峰值電流到550 A，典型熔滴過渡如圖9所示。熔滴脫離焊絲前被軸向拉伸變形更加嚴(yán)重(第6幅圖片)，因此熔滴受到的等離子流力沖量更大，但這時(shí)的脈沖等離子流力還不足以使熔滴在脈沖時(shí)間內(nèi)脫離焊絲進(jìn)入熔池，對熔池的沖擊還不是很大。

通過高速攝像拍攝頻率(熔滴脫離焊絲進(jìn)入熔池的圖片拍攝幀數(shù))可以得到熔滴在電弧中的飛行時(shí)間，控制焊槍與工件之間的高度可以得知熔滴在電弧中的飛行距離，從而計(jì)算出熔滴在電弧中的平均速度。熔滴在電弧中的速度與脈沖峰值電流的關(guān)系如圖10所示。等離子流力隨著脈沖峰值電流的增加而增加，而熔滴速度取決于脈沖等離子流力對熔滴沖量的大小，因此熔滴速度隨著脈沖峰值電流的增加而加快。

2.3脈沖時(shí)間對熔滴過渡的影響

該組試驗(yàn)MIG電壓確定為19 V，同樣控制熔滴位置在噴嘴口處，等離子弧脈沖峰值電流為500 A，脈沖時(shí)間分別為2 ms，3 ms，4 ms，5 ms，熔滴過渡方式見表2。

當(dāng)脈沖時(shí)間為2 ms時(shí)，脈沖等離子流力對熔滴施加的沖量較小，熔滴過渡方式是兩脈一滴；脈沖時(shí)間增加到3 ms，一個(gè)脈沖能夠打掉一個(gè)熔滴；繼續(xù)增加脈沖時(shí)間到4 ms，熔滴仍是在基值電流期間脫離焊絲，過渡方式為一脈一滴。

當(dāng)脈沖時(shí)間增加到5 ms時(shí)，熔滴在脈沖時(shí)間內(nèi)脫離焊絲并伴隨飛濺，如圖11所示。熔滴在脈沖等離子流力作用下向熔池方向運(yùn)動(dòng)，在脈沖時(shí)間內(nèi)熔滴上部液態(tài)金屬發(fā)生頸縮并爆斷，產(chǎn)生飛濺(第5和6幅圖片)。

熔滴過渡速度與脈沖時(shí)間的關(guān)系如圖12所示。從圖中可以看到熔滴速度隨著脈沖時(shí)間的增加而提高。當(dāng)脈沖時(shí)間為2 ms時(shí)，熔滴不能脫離焊絲；當(dāng)脈沖時(shí)間達(dá)到5 ms時(shí)，熔滴在脈沖時(shí)間內(nèi)脫離焊絲，并在焊接過程中產(chǎn)生飛濺。因此在實(shí)際焊接過程中脈沖時(shí)間控制在3～4 ms之間。

3結(jié) 論

(1)等離子-MIG復(fù)合電弧焊接過程中，等離子電流引入脈沖波形，能夠有效促進(jìn)熔滴過渡；調(diào)整合適的焊接參數(shù)，可以獲得穩(wěn)定的一脈一滴過渡。

(2)等離子脈沖寬度增加，熔滴過渡更加順暢；等離子脈沖峰值電流減小，熔滴過渡變得困難。熔滴在等離子壓縮噴嘴內(nèi)部受到的脈沖等離子流力更大，過渡更加容易。

(3)熔滴在基值電流期間脫離焊絲，過渡過程穩(wěn)定并且MIG電壓波動(dòng)較小，焊接質(zhì)量好；熔滴在脈沖峰值電流期間脫離焊絲進(jìn)入熔池，熔滴飛行速度快，在焊接過程中產(chǎn)生飛濺。參考文獻(xiàn)

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陳樹君，1971年生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士，“長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授、博士生導(dǎo)師。獲國務(wù)院政府特殊津貼，北京市百千萬人才工程人選，北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計(jì)劃領(lǐng)軍人才。先后主持國家科技重大專項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金等國家、省部級科研項(xiàng)目30余項(xiàng)。近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，獲國際專利2項(xiàng)，國家發(fā)明專利30余項(xiàng)，在高端焊接裝備和航天航空領(lǐng)域取得良好成果，攻克了航天鋁合金大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)焊接難題，獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)及多項(xiàng)省部級以上獎(jiǎng)勵(lì)。主要研究領(lǐng)域焊接電弧物理，變極性等離子弧焊接工藝及裝備，鋁合金絲材電弧增材制造，機(jī)人協(xié)作智能焊接，以及特種焊接工藝及裝備研究?，F(xiàn)任北京工業(yè)大學(xué)焊接技術(shù)研究所副所長，教育部汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)工程研究中心副主任，北京市焊接設(shè)備研究與開發(fā)中心副主任，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電焊技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任，中國焊接協(xié)會(huì)教育與培訓(xùn)工作委員會(huì)副理事長兼秘書長，中國焊接學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)主任委員，中國職工焊接技術(shù)協(xié)會(huì)焊接設(shè)備專業(yè)委員會(huì)副理事長,全國電焊機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC70)副主任委員。

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2016-10-12