超聲輔助水下濕法焊接電弧特性研究

馬明豪　劉一博　王建峰　孫清潔

摘? ?要：焊接過(guò)程受水介質(zhì)的影響，電弧穩(wěn)定性較差，通過(guò)引入適當(dāng)?shù)某曊駝?dòng)，可提高電弧穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析超聲復(fù)合水下焊接和普通水下濕法焊接電流電壓（U-I）圖，結(jié)合高速攝像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)超聲作用使熄弧區(qū)和短路過(guò)渡區(qū)密集程度降低，穩(wěn)定燃燒區(qū)密集程度增加，實(shí)現(xiàn)了提高水下濕法焊接電弧穩(wěn)定性的目的。根據(jù)高速攝像拍攝結(jié)果，超聲輔助水下焊接比普通水下濕法焊接熔滴過(guò)渡頻率更低，電弧形態(tài)更均勻。

關(guān)鍵詞：水下? 超聲? 穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TG456.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（b）-0109-03

1? 引言

水下濕法焊接因?yàn)樗率┕さ奶厥猸h(huán)境，電弧穩(wěn)定性較差[1]，電弧存在“穩(wěn)定燃弧區(qū)”、“熄弧區(qū)”和“短路過(guò)渡區(qū)”[2]三類。超聲振動(dòng)是一種能量傳遞的載體，超聲振動(dòng)與普通水下濕法焊接[3]相結(jié)合，通過(guò)超聲的作用減少外界波動(dòng)對(duì)電弧的影響，減小電弧偏吹和電弧熄滅率，提高焊接質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)超聲復(fù)合水下焊接和普通水下濕法焊接電流電壓（U-I）圖配合高速攝像進(jìn)行測(cè)試和分析，研究超聲輔助水下濕法焊接電弧特性。

2? 材料信息

本實(shí)驗(yàn)采用的板材為E40鋼板，尺寸為200mm×20mm，厚度8mm，焊材選用CHT-T81Ni2藥芯焊絲，直徑D為1.2mm。焊絲成分與母材成分的比較如表1所示。

3? 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.1 焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在平板進(jìn)行堆焊，控制試驗(yàn)變量，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。保持送絲速度及焊接速度不變，焊接電壓不斷升高，每組試驗(yàn)增加4V，按照超聲復(fù)合水下濕法焊接及常規(guī)水下濕法焊接加倍試驗(yàn)。使用電弧信號(hào)采集器，記錄50s內(nèi)的電流電壓變化數(shù)據(jù)，形成U-I圖。具體的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

3.2 電壓-電流圖分析

焊接電壓-焊接電流循環(huán)圖根據(jù)電壓電流工作點(diǎn)的分布密度可以分析電弧的燃燒情況，通過(guò)分析電弧電壓和焊接電流的波動(dòng)情況，推斷焊接電弧的穩(wěn)定性。水下濕法焊接過(guò)程，水介質(zhì)環(huán)境以及水壓的影響，電弧不穩(wěn)定，除電弧穩(wěn)定燃燒階段，還會(huì)出現(xiàn)斷弧和短路過(guò)渡現(xiàn)象。在U-I圖中的近X軸區(qū)域?yàn)槎搪愤^(guò)渡區(qū)，近Y軸頂端的區(qū)域?yàn)橄ɑ^(qū)，中間部分為穩(wěn)定燃弧區(qū)。分析三個(gè)區(qū)域工作點(diǎn)的集中程度推斷電弧穩(wěn)定的程度。

圖1～8為24V～36V的電壓電流（U-I）循環(huán)圖。分為三個(gè)區(qū)域：熄弧區(qū)、穩(wěn)定燃燒區(qū)和短路過(guò)渡區(qū)域。隨著電壓的增加，熄弧區(qū)點(diǎn)的密度降低，當(dāng)焊接電壓大于28V時(shí)，隨著焊接電壓的增加，熄弧區(qū)點(diǎn)的密度增加;穩(wěn)定燃燒區(qū)域工作點(diǎn)密集程度隨著焊接電壓的增大先越來(lái)越集中，當(dāng)焊接電壓增大到32V時(shí)，穩(wěn)定燃燒區(qū)的工作點(diǎn)的密度隨著電壓的增大越來(lái)越離散。短路過(guò)渡次數(shù)隨著焊接電壓的增加逐漸減少，當(dāng)焊接電壓大于28V時(shí)，穩(wěn)定燃燒區(qū)域工作點(diǎn)密度更集中。

3.3 熔滴過(guò)渡頻率

飛濺會(huì)影響焊接電弧的穩(wěn)定性，水下濕法焊接的飛濺與熔滴過(guò)渡到熔池時(shí)的爆破力有關(guān)。熔滴過(guò)渡頻率越低那么焊接過(guò)程的電弧穩(wěn)定性就越高。圖9為熔滴過(guò)渡頻率與焊接電壓關(guān)系曲線。隨著焊接電壓的增加熔滴過(guò)渡頻率先減小后增加，焊接電壓在28～32V區(qū)間，熔滴過(guò)渡頻率都低于4Hz，之后隨焊接電壓的增加熔滴過(guò)渡頻率增加。對(duì)比常規(guī)水下濕法焊接，超聲輔助水下濕法焊接的熔滴過(guò)渡頻率更低，當(dāng)短路過(guò)渡頻率較高時(shí)，超聲作用效果更明顯。

4? 結(jié)語(yǔ)

分析各組焊接工藝參數(shù)下，超聲復(fù)合水下焊接和普通水下濕法焊接電流電壓（U-I）圖，研究穩(wěn)定燃弧區(qū)、熄弧區(qū)和短路過(guò)渡區(qū)三個(gè)區(qū)域工作點(diǎn)密度，隨著焊接電壓的增加，電弧穩(wěn)定燃燒區(qū)域的工作點(diǎn)密集程度先增加后減少，熄弧區(qū)和短路過(guò)渡區(qū)的工作點(diǎn)密集程度先減少后增加。超聲使熄弧區(qū)和短路過(guò)渡區(qū)工作點(diǎn)密度降低，穩(wěn)定燃燒區(qū)工作點(diǎn)密度增加，水下濕法焊接電弧穩(wěn)定性增加。研究熔滴過(guò)渡過(guò)程，隨焊接電壓增加，熔滴過(guò)渡頻率顯著降低，達(dá)到一定焊接電壓后熔滴過(guò)渡頻率增加?？傮w而言，超聲復(fù)合水下焊接熔滴過(guò)渡頻率低于普通水下濕法焊接方法的熔滴過(guò)渡頻率，超聲能夠提高焊接穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張博文，李吉. 水下焊接技術(shù)在我國(guó)海洋工程中的應(yīng)用分析[J]. 船舶物資與市場(chǎng)，2020（2）：19-20.

[2] 趙琛，沈杰，李思穎.水下核電機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展分析[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2019（11）：94-98.

[3] 嚴(yán)春妍，吳立超，張可召，等.水下濕法多層焊接頭顯微組織和應(yīng)力分析[J].電焊機(jī)，2019（10）：22-27.