基于MATLAB 微束等離子弧焊絲網(wǎng)搭接成形機(jī)理研究

徐 磊， 何建萍， 王付鑫， 劉華榮

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海201620）

0 引 言

由于絲網(wǎng)自身的特殊結(jié)構(gòu)，使得絲網(wǎng)在焊接時(shí)限制了焊接接頭和裝配方式［1］。 絲網(wǎng)經(jīng)線在焊接方向上是不連續(xù)分布的，因此，金屬量不足，在焊接時(shí)絲網(wǎng)經(jīng)線間的間隙難以被熔化后的金屬絲填滿，焊后絲網(wǎng)接頭處形成的焊點(diǎn)是不連續(xù)分布的。 為了得到連續(xù)的焊點(diǎn)成形，彌補(bǔ)接頭處熔池金屬量不足的缺陷，本文采用絲網(wǎng)的搭接接頭進(jìn)行焊接［2－3］。絲網(wǎng)搭接接頭的焊接方法有TIG、MPAW、RSW、激光焊等［4］。

雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)絲網(wǎng)焊接進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于微束等離子弧焊絲網(wǎng)的搭接焊研究很少，對(duì)于絲網(wǎng)焊點(diǎn)成形機(jī)理的研究更少。 本文采用MPAW 的焊接方法對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行搭接焊，研究不同裝配方式下其焊點(diǎn)的形貌特征和成形條件，根據(jù)其成形條件通過(guò)MATLAB 研究其成形機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

絲網(wǎng)的裝配示意如圖1 所示。 圖中L 為絲網(wǎng)接頭兩側(cè)經(jīng)線間的距離。 本文采用絲徑為0.28 mm，目數(shù)為20×20 的0Cr18Ni9 不銹鋼超細(xì)絲網(wǎng)作為試驗(yàn)材料，焊接方法使用MPAW。 在焊接過(guò)程中，將焊槍高度設(shè)定為2 mm，保護(hù)氣流量設(shè)定為3.5L／min，離子氣流量設(shè)定為0.5L／min。

圖1 絲網(wǎng)搭接焊接頭的裝配示意圖Fig.1 The schematic diagram of assembly of mesh lap joint

根據(jù)不同留絲長(zhǎng)度進(jìn)行組合的6 種絲網(wǎng)搭接裝配方式如圖2 所示。 在絲網(wǎng)搭接時(shí)，要求絲網(wǎng)一側(cè)毛邊的經(jīng)線必須搭接在另一側(cè)的緯線上，通過(guò)控制L 的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)上下層絲網(wǎng)經(jīng)線間距離的控制［5－6］。圖2 中當(dāng)絲網(wǎng)間經(jīng)線距離L ＝0 時(shí)，上下層絲網(wǎng)的搭配方式依次為長(zhǎng)毛邊與長(zhǎng)毛邊搭接、長(zhǎng)毛邊與中毛邊搭接、長(zhǎng)毛邊與短毛邊搭接、短毛邊與短毛邊搭接、短毛邊與中毛邊搭接、中毛邊與中毛邊搭接等6種不同的裝配方式。 在裝配時(shí)，每種搭接方式的上層絲網(wǎng)經(jīng)線必須與下層絲網(wǎng)的緯線緊密相貼。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 絲網(wǎng)焊點(diǎn)形貌特征及成形條件

本文研究了6 種不同的絲網(wǎng)搭接接頭裝配方式。 由于每種方式接頭處上下層絲網(wǎng)的毛邊長(zhǎng)短以及絲網(wǎng)經(jīng)線間距離L 都不同，所以每種裝配方式的搭接接頭處金屬量也不同；每種裝配方式中經(jīng)線間距L 的不同，使得散熱條件也有差異［7］；不同裝配方式絲網(wǎng)搭接接頭處待焊絲網(wǎng)金屬量不同，在焊接時(shí)焊接熱輸入相差較大，造成接頭處形成的焊點(diǎn)差別也比較大。

“蠕蟲狀”焊點(diǎn)的搭接接頭裝配方式、對(duì)應(yīng)的裝配參數(shù)和工藝參數(shù)，見表1。 其在5 種不同裝配方式、不同工藝參數(shù)下的焊點(diǎn)形貌如圖3（a）～3（e）所示。 由圖可知，除兩短毛邊搭接由于上層絲網(wǎng)在表面張力的作用下上下絲網(wǎng)的經(jīng)線未被焊上外，其他幾種裝配方式焊接成形較好。 其中，圖3（b）、3（d）這兩種裝配方式下成形情況相似，除絲網(wǎng)經(jīng)線間距離L 相同外，其他參數(shù)均不同。 焊接時(shí)上下層絲網(wǎng)的經(jīng)線均熔化并依附下層絲網(wǎng)的緯線上形成類似于“蠕蟲狀”的焊點(diǎn)。 區(qū)別是兩者的體積大小不同，圖3（b）中下層經(jīng)線沒(méi)有熔化，所以金屬量比較少，因此它的焊點(diǎn)體積較小。

表1 蠕蟲狀焊點(diǎn)成形參數(shù)Tab.1 Worm－like solder joint forming parameters

圖3 不同裝配方式的蠕蟲狀焊點(diǎn)成形形貌Fig.3 The shapes of vermicular welds in different assembly modes

表2 所示為“連續(xù)型”焊點(diǎn)的搭接接頭裝配方式及其對(duì)應(yīng)的裝配參數(shù)和工藝參數(shù)。 其長(zhǎng)毛邊與長(zhǎng)毛邊搭接、長(zhǎng)毛邊與短毛邊搭接、中毛邊與中毛邊搭接、中毛邊與短毛邊搭接以及兩個(gè)短毛邊搭接的焊點(diǎn)形貌分別如圖4（a）～圖4（f）所示。 由圖4（c）可知上下層絲網(wǎng)的中毛邊緊密的相貼在一起，并且上層絲網(wǎng)經(jīng)線與下層絲網(wǎng)的緯線緊密的焊接在一起。 這些焊點(diǎn)體積較小，呈線狀首尾相連，形成一條連續(xù)的焊縫。 同等條件下當(dāng)L ＝0.36 mm，焊點(diǎn)的成形如圖4（d）所示：上層絲網(wǎng)經(jīng)線位于下層兩經(jīng)線之間，并且與下層緯線焊接在一起，形成的焊點(diǎn)斷斷續(xù)續(xù)。 這種結(jié)果是由于上層經(jīng)線過(guò)長(zhǎng)，阻礙了焊接時(shí)金屬液的流動(dòng)。 由圖4（e）、4（f）所示，在除裝配方式與經(jīng)線距離L 改變，其它條件不變時(shí)，形成的連續(xù)焊縫類似，并且該焊縫成形光滑、牢固，焊接質(zhì)量較好。

表2 連續(xù)型焊點(diǎn)成形參數(shù)Tab.2 Continuous solder joint forming parameters

圖4 不同裝配方式的連續(xù)型焊點(diǎn)成形形貌Fig.4 Continuous solder joint forming morphology in different assembly modes

圖5 不同裝配方式的三角形焊點(diǎn)成形形貌Fig.5 Shapes of triangular solder joints in different assembly methods

“三角形”焊點(diǎn)的搭接接頭裝配方式及對(duì)應(yīng)的裝配參數(shù)、工藝參數(shù)，如表3 所示。 其長(zhǎng)毛邊與長(zhǎng)毛邊搭接及兩個(gè)短毛邊搭接的焊點(diǎn)形貌分別如圖5（a）、5（b）所示?！叭切巍焙更c(diǎn)成形要求L 為0 mm，在焊接速度相同的條件下，長(zhǎng)毛邊在焊接熱輸入較大的情況下與短毛邊較小焊接熱輸入的焊接情況類似，同樣形成了“三角形”焊點(diǎn)。 二者區(qū)別在于：1）圖5（a）中焊點(diǎn)是由上層絲網(wǎng)的一條經(jīng)線與下層絲網(wǎng)兩條上翹經(jīng)線熔化。 由于兩條上翹的經(jīng)線比上層絲網(wǎng)的下凹經(jīng)線高，最先接觸電弧，所以在上層絲網(wǎng)的緯線上先熔化形成焊點(diǎn)；而圖5（b）中焊點(diǎn)是由上層絲網(wǎng)的兩條上翹的經(jīng)線與下層絲網(wǎng)的一條下凹經(jīng)線融化。 由于高度不同，所以上層經(jīng)線先熔化后與下層經(jīng)線在下層絲網(wǎng)緯線上形成焊點(diǎn)。 2）圖5（a）中絲網(wǎng)長(zhǎng)毛邊的金屬量比短毛邊大的多，所以形成的焊點(diǎn)體積較大。

表3 三角形焊點(diǎn)成形參數(shù)Tab.3 Delta solder joint forming parameters

表4 四方形焊點(diǎn)成形參數(shù)Tab.4 Four square solder joint forming parameters

圖6 不同裝配方式的四方形焊點(diǎn)成形形貌Fig.6 Four－square solder joint forming morphology in different assembly methods

表4 所示為：不同裝配方式、焊接速度、焊接電流和熱輸入以及L 為0 的情況下“四方形”焊點(diǎn)的形成條件。 其長(zhǎng)毛邊與中毛邊搭接、中毛邊與中毛邊搭接、中毛邊與短毛邊搭接的焊點(diǎn)形貌分別如圖6（a）、6（b）、6（c）所示。

在接頭兩側(cè)絲網(wǎng)經(jīng)線間距離L 同等于0 的情況下，上下層絲網(wǎng)的經(jīng)線與下層緯線焊接在一起。 由圖6（a）可知下層絲網(wǎng)的左側(cè)經(jīng)線均未融化，并且在焊接過(guò)程中阻礙了上層絲網(wǎng)左側(cè)經(jīng)線與下層絲網(wǎng)的液態(tài)流動(dòng)，由于在焊接過(guò)程中金屬量少，所以形成了不規(guī)則的、體積較小的“四方形”焊點(diǎn)。 由圖6（b）可知，絲網(wǎng)的留絲方向同樣會(huì)影響焊點(diǎn)的成形。 留絲方向?yàn)橄掳嫉南聦咏z網(wǎng)經(jīng)線與電弧形成焊接回路，造成留絲方向?yàn)樯下N的上層絲網(wǎng)經(jīng)線先熔化，而下層絲網(wǎng)經(jīng)線未熔化，形成的焊點(diǎn)成形較差。 由圖6（c）可知，在焊接熱輸入增大后，下層絲網(wǎng)的短毛邊與上層絲網(wǎng)的毛邊幾乎同時(shí)熔化，比前兩種條件下的金屬量多，形成的“四方形”焊點(diǎn)更加牢固，同時(shí)也可以達(dá)到單面焊雙面成形的效果。

2.2 搭接接頭絲網(wǎng)焊接的焊點(diǎn)成形原理

蠕蟲狀、 連續(xù)型和四方形焊點(diǎn)的接頭裝配條件、焊接位置條件、熱輸入條件及焊接位置的金屬量均有所差異。 以接頭兩側(cè)經(jīng)線間距離L、平均熱輸入X2、接頭上層絲網(wǎng)毛邊長(zhǎng)度X3和接頭下層絲網(wǎng)毛邊長(zhǎng)度X4為自變量，分別對(duì)蠕蟲狀、連續(xù)型和四方形焊點(diǎn)體積目標(biāo)函數(shù)Y1、Y2和Y3進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。通過(guò)MATLAB 對(duì)不同形貌焊點(diǎn)體積及成形參數(shù)進(jìn)行誤差計(jì)算，得知其相對(duì)誤差均小于0.05%，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響較小。 通過(guò)MATLAB，在控制一定變量的情況下進(jìn)一步研究各自變量對(duì)不同形貌焊點(diǎn)成形的具體影響。

2.2.1 “蠕蟲狀”焊點(diǎn)的成形機(jī)理

表1 中，蠕蟲狀焊點(diǎn)成形參數(shù)及焊點(diǎn)體積Y1為目標(biāo)函數(shù)的擬合，如公式（1）所示。

圖7 所示為“蠕蟲狀”焊點(diǎn)在接頭兩側(cè)經(jīng)線間的距離為0 mm，下層絲網(wǎng)長(zhǎng)度分別為0.3 mm 和0.65 mm時(shí)，不同平均焊接熱輸入下，焊點(diǎn)體積隨上層絲網(wǎng)毛邊長(zhǎng)度的變化情況。 圖7（a）中，除X2＝14 kJ 時(shí)，焊點(diǎn)體積Y1隨著X3的增大而逐漸減小直至趨于平緩?fù)猓?dāng)X2＞14 kJ 時(shí)，焊點(diǎn)體積Y1隨X3的增大逐漸增大。 其中，當(dāng)X2為14.5 kJ 與15 kJ時(shí)，焊點(diǎn)體積Y1 隨X3 的增大先增大，后逐漸減小直至趨于平緩。 由于當(dāng)X2＝14X kJ 時(shí)焊接平均熱輸入X2較小，隨著X3 的增大散熱條件增強(qiáng)，而焊接熱輸入不足以熔化更多的絲網(wǎng)毛邊所致。 當(dāng)X2＞14 kJ 時(shí)，隨著X2 的增大，焊接熱輸入對(duì)于焊接的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散熱條件的影響，使得距焊點(diǎn)中心更遠(yuǎn)的絲網(wǎng)毛邊熔化，并且隨著X2 的增大Y1也逐漸增大。 當(dāng)X3＝0.8 mm 時(shí)，焊接熱輸入為14.5 kJ 與15 kJ 時(shí)，焊點(diǎn)體積Y1 達(dá)到最大值。 但是，不同熱輸入情況下的焊點(diǎn)體積也不同。 這是由于隨著X3的逐漸增大，散熱條件逐漸得到改善，在X2 ＝14.5 kJ時(shí)焊接熱輸入并不足以使上層絲網(wǎng)全部的毛邊熔化，所以此時(shí)的焊點(diǎn)體積Y1 小于焊接熱輸入為15 kJ 與15.5 kJ 時(shí)的焊點(diǎn)體積。 圖7（b）中焊點(diǎn)體積Y1的變化趨勢(shì)與圖7（a）中相似。 最大的區(qū)別在于當(dāng)X3 相同時(shí)，隨著X4 的增加焊點(diǎn)體積Y1 的總體值變大，焊點(diǎn)體積的最大值也增大。 由于在相同條件下，下層絲網(wǎng)毛邊長(zhǎng)度X4的增大會(huì)使得接頭的待焊金屬量增多，造成了焊點(diǎn)體積的總體增加。

圖7 蠕蟲狀焊點(diǎn)成形參數(shù)與焊點(diǎn)體積的關(guān)系Fig.7 Relationship between worm－shaped solder joint forming parameters and solder joint volume

2.2.2 “連續(xù)型”焊點(diǎn)的成形機(jī)理

表2 中連續(xù)型焊點(diǎn)的相關(guān)成形參數(shù)及連續(xù)型焊點(diǎn)體積Y2為目標(biāo)函數(shù)的擬合，如公式（2）所示。

圖8 連續(xù)型焊點(diǎn)成形參數(shù)與焊點(diǎn)體積的關(guān)系Fig.8 The relationship between continuous solder joint forming parameters and solder joint volume

圖8 （a）所示為連續(xù)型焊點(diǎn)，在L 為0.36 mm、X2為15.4 J×103時(shí)，焊點(diǎn)體積Y2 隨X3 的變化情況。由圖可知，除X4為0.3 mm 外，其他條件下焊點(diǎn)體積Y2隨著X3的增長(zhǎng)先逐漸增加，后漸漸減小。 由于當(dāng)X4為0.3 mm 時(shí)，焊接熱輸入對(duì)其的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散熱條件的影響。 此時(shí)下層絲網(wǎng)毛邊可全部熔化，并隨X3增大。 待焊金屬量增加， Y2也隨之增大。 X4為0.65 mm 和1 mm 時(shí)，在同等條件下Y2達(dá)到最大值后，隨之慢慢減小。 其主要原因是此時(shí)焊接熱輸入并不足以將其上下層絲網(wǎng)的毛邊都熔化。隨著X3的增加，焊接位置的散熱條件增強(qiáng)，所以焊點(diǎn)體積Y2會(huì)減小。 圖8（b）為在L 與X4為定值時(shí)，焊點(diǎn)體積Y2隨X2的變化趨勢(shì)。 由圖8（b）可知，在X3為0.3 mm 時(shí)不同熱輸入條件下焊點(diǎn)體積相同。而隨著X3的增大，除X2為14 kJ 外，其他熱輸入條件下焊點(diǎn)體積均先增大后減小。 原因在于隨著X2的增大，可以熔化更多的母材，所以Y2逐漸增大。隨著X3的增大，焊點(diǎn)附近的散熱條件逐漸改善，所以會(huì)造成Y2的減小。 另外圖8（a）與圖8（b）最大的區(qū)別在于當(dāng)X2相同時(shí)，圖8（b）中焊點(diǎn)體積Y2的總體值均大于圖8（a）中的Y2值。

2.2.3 “四方形”焊點(diǎn)的成形機(jī)理

以表4 四方形焊點(diǎn)的成形參數(shù)以及焊點(diǎn)體積Y3為目標(biāo)函數(shù)的擬合如公式（3）所示。

圖9（a）所示為四方形焊點(diǎn)在L ＝0 mm、 X4＝0.3 mm時(shí)不同焊接熱輸入下Y3隨著X3長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)。 由圖9（a）可知，隨著X2的增大，Y3也隨之增大。 當(dāng)X2為14.5 kJ 與15 kJ 時(shí)，Y3隨著X3的增大先增大后減小。 圖9（b）將X4增加為0.65 mm，其他條件不變。 通過(guò)比較可知，隨著X4的增加，四方形焊點(diǎn)體積Y3總體增加，這是由于在同等條件下待焊金屬量增加的原因。 另外，還可以看出，當(dāng)X2較大時(shí)，焊點(diǎn)體積Y3隨X3的增加而變化率增加。

圖9 四方形焊點(diǎn)成形參數(shù)與焊點(diǎn)體積的關(guān)系Fig.9 Relationship between forming parameters of square solder joints and solder joint volume

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）使用微束等離子弧焊對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)的搭接進(jìn)行焊接時(shí)，形成了“蠕蟲狀”、“連續(xù)型”、“四方形”、“三角形”等四種特殊的焊點(diǎn)形貌。

（2）在焊接過(guò)程中裝配方式、絲網(wǎng)經(jīng)線間距、絲網(wǎng)留絲長(zhǎng)度等不同，將對(duì)待焊金屬量、焊點(diǎn)體積等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響焊接熔池的大小和分布，所得到的焊點(diǎn)形貌也會(huì)不同。

（3）在一定條件下，平均熱輸入的增加，使得焊點(diǎn)體積也會(huì)、所需絲網(wǎng)上層毛邊長(zhǎng)度也隨之增加。絲網(wǎng)下層毛邊長(zhǎng)度的增加，使得焊點(diǎn)體積總體增大。當(dāng)X3增加到一定程度時(shí)，由于散熱條件的影響使焊點(diǎn)體積減小。