基于三維重構(gòu)技術(shù)的K-TIG熔池流動(dòng)表征

羅 震，解 龑，崔霜林

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

K-TIG焊接工藝是1997年澳大利亞學(xué)者首先發(fā)明的，它以傳統(tǒng) TIG焊接為基礎(chǔ)，通過增大電流并增強(qiáng)焊槍冷卻，形成較大的電弧力并增大熱輸入，熔池中金屬迅速汽化并對(duì)熔池中液態(tài)金屬產(chǎn)生排斥力.電弧力與金屬蒸汽對(duì)液態(tài)金屬的作用力疊加，使熔池中形成小孔，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定深熔焊接[1].K-TIG焊接方法比傳統(tǒng) TIG焊接方法的熔深增大，比埋弧焊、激光焊等中厚板焊接方法成本降低、效率提高.在中厚板焊接中可以實(shí)現(xiàn)不開坡口，不需添加焊絲與焊劑，單道焊雙面成型，且焊接過程穩(wěn)定，焊縫性能優(yōu)良.在結(jié)構(gòu)件與壓力容器等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[2].

由于 K-TIG焊接方法比激光焊、等離子焊等穿孔焊接方法熔池體積更大，在大電流作用下，其熔池流動(dòng)行為比傳統(tǒng) TIG焊更為復(fù)雜，故研究 K-TIG焊熔池流動(dòng)行為對(duì)解釋并預(yù)防許多焊接缺陷具有重要意義[3].本文采用在熔池中加入鈦元素進(jìn)行示蹤的方法，根據(jù)熔池凝固后鈦元素的分布情況表征熔池的流動(dòng)行為.

傳統(tǒng)金相觀測(cè)的手段只能研究熔池的二維流動(dòng)行為，然而熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)場(chǎng)在三維空間中非常復(fù)雜，故觀察熔池的三維流動(dòng)行為非常必要.目前常見的三維重構(gòu)方法包括連續(xù)切片法、原子探針法、X射線斷層掃描法以及共聚焦粒子束法(FIB)等，但大多設(shè)備成本高昂、重構(gòu)尺寸受限，故實(shí)際應(yīng)用難以推廣[4].而基于連續(xù)切片的三維重構(gòu)方法成本低，效率高，且重構(gòu)尺寸靈活可變，是最經(jīng)濟(jì)、最有應(yīng)用前景的三維重構(gòu)方法.本文采用連續(xù)切片方法重構(gòu)了K-TIG熔池的三維形貌，觀察并分析了 K-TIG熔池小孔周圍未穩(wěn)定區(qū)域液態(tài)金屬的流動(dòng)行為，并將熔透情況與未熔透情況對(duì)流運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行對(duì)比，探討了未熔透時(shí)氣孔缺陷的成因.

1 實(shí)驗(yàn)方法

K-TIG焊接示意如圖 1(a)所示，電弧作用于小孔前壁，并在板材背面形成小孔，尾焰沿焊接方向的反方向噴出.焊接材料為 AISI430不銹鋼，尺寸250,mm×150,mm×8,mm.標(biāo)記材料為厚度 0.5,mm的純鈦箔，將鈦箔預(yù)置于待焊表面并用夾頭固定，使鈦箔與待焊表面緊密接觸.焊接過程采用平板堆焊工藝，不加焊絲，焊接電流分別為580,A與480,A，電弧電壓分別為 15.3,V與 15.5,V，焊接速度400,mm/min，弧長(zhǎng) 2.5,mm，保護(hù)氣體為純氬氣，流量20,L/min，焊前打磨去除表面氧化層.圖 1(b)為實(shí)驗(yàn)中使用的Leica EM TXP精研一體機(jī)，該設(shè)備沿切片厚度方向有自動(dòng)步進(jìn)功能，步進(jìn)精度最小可達(dá)0.5,μm，可以保證切片的間距精確.本實(shí)驗(yàn)沿垂直于焊接方向切片，切片進(jìn)給方向?yàn)楹附臃较颍策M(jìn)行 10次切片，580,A試樣切片步進(jìn)精度為3.5,mm，進(jìn)行10次切片，總切片厚度為 35.0,mm，480,A 試樣切片步進(jìn)精度為 0.5,mm，進(jìn)行 10次切片，總切片厚度為5,mm.對(duì)每次磨削后的切片進(jìn)行腐蝕，腐蝕液成分為硝酸、鹽酸和冰乙酸，體積比為 1∶1∶1.使用顯微維氏硬度儀器在拋光并腐蝕過的試樣上進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為1,000g，保持時(shí)間15,s.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental devices

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔池流動(dòng)行為分析

圖 2為加入鈦元素示蹤的熔池橫截面金相照片及 EDS分析結(jié)果.圖 2(a)為焊接電流 580,A的試樣，熔透，熔池截面沿板厚方向分為 3個(gè)區(qū)域.由于不銹鋼熔池中加入鈦元素會(huì)生成 Fe-Ti系金屬間化合物[5]，硬度大于母材，故焊縫硬度會(huì)提高，在3個(gè)區(qū)域多點(diǎn)測(cè)試硬度取平均值，區(qū)域 1、2、3的平均硬度分別為 390.3,HV、210.9,HV和 381.7,HV.區(qū)域 1與區(qū)域3中鈦元素含量應(yīng)高于區(qū)域2.圖2(b)為焊接電流 480,A的試樣，未熔透，熔池分為內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域，在兩個(gè)區(qū)域多點(diǎn)測(cè)試硬度去平均值，區(qū)域 1與區(qū)域 2的平均硬度分別為414.5,HV和 213.6,HV，區(qū)域 1中鈦元素含量應(yīng)多于區(qū)域2.圖2(c)為焊接電流 580,A試樣的 EDS線掃描結(jié)果，掃描位置為圖 2(a)中黃色線段位置，沿箭頭方向跨過區(qū)域 1與區(qū)域 2的邊界.結(jié)果顯示，區(qū)域 1鈦元素含量明顯高于區(qū)域2；圖2(d)為焊接電流 480,A試樣的 EDS線掃描結(jié)果，掃描位置為圖 2(b)中黃色線段位置，沿箭頭方向跨過區(qū)域1與區(qū)域2的邊界.結(jié)果顯示，區(qū)域1中鈦元素含量明顯高于區(qū)域2.

電弧焊熔池中存在兩個(gè)對(duì)流圈，在靠近熔池表面處由于表面張力作用，產(chǎn)生馬蘭格尼對(duì)流；在靠近熔池底部處由于洛侖茲力作用，也產(chǎn)生一個(gè)對(duì)流圈[6].根據(jù) Kou等[7]的數(shù)值模擬結(jié)果，表面張力與洛侖茲力推動(dòng)熔池流動(dòng)的速度遠(yuǎn)高于焊接速度.故在不考慮對(duì)流圈的情況下，熔池內(nèi)成分應(yīng)為均勻的，熔池產(chǎn)生成分不同的3個(gè)區(qū)域的原因應(yīng)為兩個(gè)對(duì)流圈相對(duì)封閉，物質(zhì)傳輸較少.結(jié)合 EDS分析與硬度測(cè)量結(jié)果可推斷，圖2(a)區(qū)域1為馬蘭格尼對(duì)流圈，區(qū)域3為洛侖茲力推動(dòng)的對(duì)流圈，區(qū)域2為兩對(duì)流圈的過渡區(qū)域；圖2(b)中區(qū)域1為馬蘭格尼對(duì)流圈，未觀測(cè)到明顯的洛侖茲力推動(dòng)的對(duì)流圈.故熔透熔池與未熔透熔池的流動(dòng)行為示意如圖 3所示.據(jù)研究，在未熔透或焊接電流較小時(shí)，洛侖茲力產(chǎn)生的對(duì)流較小，有時(shí)可以忽略不計(jì)，熔池中只有馬蘭格尼對(duì)流圈[8].小電流未熔透時(shí)馬蘭格尼對(duì)流圈較小，而大電流熔透時(shí)馬蘭格尼對(duì)流圈體積較大，這是因?yàn)轳R蘭格尼對(duì)流受表面張力梯度影響，而液態(tài)金屬的表面張力隨溫度升高而降低，即 ?γ/? T＜ 0，較高的焊接熱輸入可以提高熔池中心區(qū)溫度，并增大熔池的溫度梯度，熔池內(nèi)的表面張力梯度隨之增大，有助于推動(dòng)馬蘭格尼對(duì)流，使其流動(dòng)更強(qiáng)[6,8].由于穿孔焊接方法能量密度高，對(duì)流強(qiáng)烈，未焊透時(shí)易卷入保護(hù)氣形成氣孔，這也是KTIG焊接方法最易產(chǎn)生的缺陷之一.圖 2(b)中馬蘭格尼對(duì)流圈與熔池壁之間仍有一段距離，此處液態(tài)金屬流動(dòng)較慢，熔池對(duì)流情況更為復(fù)雜，出現(xiàn)氣孔.

圖2 熔透與未熔透接頭橫截面及EDS測(cè)試結(jié)果Fig.2 Cross sections of penetrated and incompletely penetrated joints as well as the EDS test results

圖3 熔池流動(dòng)行為示意Fig.3 Schematic diagram of molten pool flow behavior

2.2 三維重構(gòu)模型的建立

使用 Photoshop軟件對(duì)獲得的切片圖像進(jìn)行二值化處理，提高圖像對(duì)比度并增大圖像邊界銳度，便于去除噪點(diǎn)和陰影部位，防止對(duì)重構(gòu)結(jié)果產(chǎn)生影響.分離熔池的不同部位，便于三維重構(gòu)軟件識(shí)別.

將 Photoshop處理過的照片導(dǎo)入逆向工程軟件Mimics中，通過閾值分割的方法進(jìn)行邊緣檢測(cè)，以識(shí)別焊縫中的馬蘭格尼對(duì)流圈，結(jié)果如圖 4(a)所示；再以傅里葉變換算法進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)與三維計(jì)算，獲得焊縫中馬蘭格尼對(duì)流圈的三維模型，如圖 4(b)所示.重復(fù)上述方法，分別重構(gòu)出洛侖茲力推動(dòng)的對(duì)流圈與兩對(duì)流圈之間的過渡區(qū)域的三維模型，將模型拼合，即可獲得完整的焊縫分區(qū)三維模型.

圖4 三維建模過程軟件截圖Fig.4 Software screenshots of 3D reconstruction process

2.3 熔池流動(dòng)穩(wěn)定過程

K-TIG焊接為穿孔焊接方法，觀察熔池由不穩(wěn)定到穩(wěn)定的過渡過程對(duì)于分析熔池流動(dòng)行為、焊縫凝固過程、缺陷形成均有重要意義.圖 5是對(duì)小孔周圍熔池未穩(wěn)定區(qū)域的熔池重構(gòu)所得的三維模型.圖中藍(lán)色部分代表熔池中的馬蘭格尼對(duì)流圈，小孔前壁處沒有明顯的鈦元素分布，這是因?yàn)樾】浊氨谔幠芰枯斎爰?，液態(tài)金屬與金屬蒸氣被迅速推開，排至小孔后部[5]，所以沒有明顯的鈦元素存留在此處.經(jīng)測(cè)量，小孔前壁液態(tài)金屬層厚度為 0.34～0.57,mm，與激光焊小孔前壁液態(tài)金屬厚度相似[9].小孔后壁后側(cè)出現(xiàn)了馬蘭格尼對(duì)流圈，熔池逐漸加寬加深直至穩(wěn)態(tài)，小孔后壁后側(cè)熔池部分凹陷，由圖 6(a)照片可知，這與宏觀照片相吻合.熔池在經(jīng)過小孔之后熔深加深，這體現(xiàn)了穿孔焊接方法焊接厚板的優(yōu)勢(shì).紫色部分是熔池中洛侖茲力推動(dòng)的對(duì)流圈，此對(duì)流圈是在小孔穿透后約7.2,mm之后才開始出現(xiàn)，結(jié)合圖6(b)焊縫背面宏觀照片可以看出，當(dāng)熔池熔透后才形成了明顯的洛侖茲力推動(dòng)的對(duì)流圈.黃色部分是兩對(duì)流圈之間鈦元素含量較少的部位，由三維模型可以看出，在小孔附近，黃色區(qū)域較薄，這是因?yàn)榭拷】滋帨囟容^高，液態(tài)金屬對(duì)流強(qiáng)烈，而隨著與小孔距離增大，溫度下降，對(duì)流變緩，黃色層逐漸增厚，直至穩(wěn)態(tài).

圖5 熔池三維重構(gòu)結(jié)果Fig.5 3D reconstruction of molten pool

圖6 重構(gòu)結(jié)果與宏觀照片對(duì)比Fig.6 Comparison between reconstruction results and macrophotograph

圖7是480,A試樣氣孔處重構(gòu)獲得的三維模型，藍(lán)色區(qū)域?yàn)轳R蘭格尼對(duì)流圈，黃色區(qū)域?yàn)閷?duì)流圈與熔池邊緣之間的區(qū)域，綠色區(qū)域?yàn)闅饪?黃色區(qū)域厚度明顯大于熔透情況，表明未熔透時(shí)熔池內(nèi)對(duì)流圈明顯小于熔透時(shí)，黃色區(qū)域位于對(duì)流圈外，此處的液態(tài)金屬流動(dòng)弱于對(duì)流圈內(nèi)的液態(tài)金屬，故此位置處的氣體較難排出，易于形成氣孔.將黃色區(qū)域設(shè)為透明，從熔池底部向上觀察對(duì)流圈與氣孔的形貌，氣孔產(chǎn)生處對(duì)流圈較無氣孔時(shí)明顯縮小，這是因?yàn)闅饪滓自谝簯B(tài)金屬流動(dòng)較弱的位置產(chǎn)生，與在激光穿孔焊接中觀察到的現(xiàn)象一致[9].

圖7 焊縫氣孔三維重構(gòu)結(jié)果Fig.7 3D reconstruction of weld porosity

3 結(jié) 論

本文結(jié)合鈦元素示蹤方法與三維重構(gòu)技術(shù)，首次在三維模型中研究了 K-TIG焊接方法熔池流動(dòng)情況，主要獲得以下結(jié)論.

(1) 采用基于連續(xù)切片三維重構(gòu)技術(shù)成功獲得了 K-TIG熔池小孔附近流動(dòng)未穩(wěn)定區(qū)域的液態(tài)金屬流動(dòng)行為三維模型.

(2) K-TIG焊接方法熔透并形成穩(wěn)定小孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)流圈，上側(cè)為馬蘭格尼對(duì)流圈，下側(cè)為洛侖茲力推動(dòng)的對(duì)流圈，上側(cè)對(duì)流圈體積明顯大于下側(cè)對(duì)流圈.未熔透時(shí)只有馬蘭格尼對(duì)流圈.

(3) 小孔前壁處只有一層厚度僅為 0.34～0.57,mm的液態(tài)金屬，小孔后壁后方兩個(gè)對(duì)流圈逐漸形成并趨于穩(wěn)定，熔池流動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，小孔出現(xiàn)后 7.2,mm之后才出現(xiàn)洛倫茲力推動(dòng)的對(duì)流圈.未熔透時(shí)對(duì)流流動(dòng)明顯弱于熔透時(shí)，對(duì)流流動(dòng)減弱易于造成氣孔的產(chǎn)生.

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