鋁合金等離子-MIG 復合焊接電弧行為

韓蛟，韓永全，洪海濤，王學龍

(內蒙古工業(yè)大學,教育部先進輕金屬材料開發(fā)與加工防護工程研究中心,呼和浩特,010051)

0 序言

高強鋁合金因其具有低密度、高強度的優(yōu)點，廣泛應用于軍工、交通以及航空航天等領域[1].鋁合金表面易產生氧化膜，高強鋁合金焊接易發(fā)生接頭軟化[2].20 世紀70 年代，荷蘭PHILIPS 研究中心的Essers 等人[3]提出了等離子-MIG 復合焊，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，依據電弧不同的空間位置，現在形成了同軸以及旁軸兩種等離子-MIG 復合焊接方法.等離子-MIG 復合焊接是一種新型的高效的焊接方法，同時具備了等離子弧能量集中，MIG 焊熔覆效率高的優(yōu)點，焊接過程穩(wěn)定而且效率高，焊接缺陷少.

目前國內外主要對同軸等離子-MIG 復合焊進行了較多的研究，包括電弧光譜信息、耦合機理、熔滴過渡、電弧行為、焊接穩(wěn)定性以及焊接工藝等[4-10].近些年對旁軸等離子-MIG 復合焊的研究有所增多，包括焊接工藝、焊接接頭組織、熔滴過渡以及耦合機理等[11-15].洪海濤等人[16]研究了旁軸VPPAMIG 復合焊接的電弧形態(tài)及伏安特性，認為等離子弧正反極性期間不同的自感應磁場是造成復合電弧形態(tài)變化的主要原因，而且分析了MIG 電弧對等離子弧電信號的影響.實際焊接中MIG 焊通常采用脈沖焊的形式，脈沖MIG 焊可以在較低的平均電流下實現射滴過渡，進一步降低熱輸入.對于旁軸等離子-MIG 復合焊，國內外研究者未考慮脈沖MIG 焊在不同的電流階段的電弧行為，包括電弧形態(tài)以及電信號的研究.電弧特征粒子的分布可以在一定程度上反映電弧的動態(tài)變化，輔助闡明電弧行為機理.而對于等離子-MIG 復合焊電弧中特征粒子的分布也未見報道.因此有必要對鋁合金等離子-MIG 復合焊的電弧行為做進一步研究.為此將考慮脈沖MIG 焊在不同階段的焊接電流，研究MIG 焊接電流對復合焊接電弧行為的影響，包括電弧形態(tài)、電信號、特征粒子分布.

1 試驗方法

試驗采用旁軸式等離子-MIG 復合焊接方法，沿焊接方向，等離子弧在前，MIG 弧在后.等離子-MIG 復合焊接系統包括等離子電弧電源、SUPERMIG 復合焊槍、Fronius TPS4000 數字焊機和KUKA焊接機器人.電弧行為檢測系統如圖1 所示，包括Baumer HX13 高速攝像機、NI 數據采集系統、電流電壓傳感器等.

圖1 等離子-MIG 復合焊接系統Fig.1 Plasma-MIG hybrid welding system

試板為12 mm 厚的7075 鋁合金，焊絲牌號為ER5183，直徑1.6 mm.試驗過程中，等離子弧采用直流正接，MIG 采用直流反接的方法，離子氣、MIG 中心氣和總保護氣為99.9%的氬氣，焊接速度400 mm/min.高速攝像采集頻率4 000 幀/s.

2 結果與討論

2.1 特征粒子分布

圖2 所示為等離子弧焊接電流為130 A，不同MIG 焊接電流時的等離子-MIG 復合焊接電弧形態(tài)圖.由圖可知，隨著MIG 焊接電流的增加，電弧形態(tài)在脈沖基值以及峰值都發(fā)生了一定的變化.電弧等離子體的動態(tài)變化主要依賴其內部粒子的電離及擴散，而鋁合金等離子-MIG 復合焊接電弧中的介質主要為鋁金屬蒸氣以及氬氣，為了探究復合焊接電弧的動態(tài)變化，采用Ar 794.8 nm ± 1.5 nm 及Al 396.1 nm ± 1.5 nm 的窄帶濾波片分別觀察復合電弧中特征粒子的分布，如表1 和表2(Iplasma=130 A，IMIG=200 A).

圖2 不同MIG 焊接電流時的復合焊接電弧形態(tài)圖Fig.2 Arc morphology of hybrid welding under different MIG currents

由表1 和表2 發(fā)現，等離子弧中主要為Ar 794.8 譜線，MIG 電弧在脈沖基值時期電流較小(約95 A)，電離度低，且高速攝像在采集圖像時除使用窄帶濾波片外，還使用了中灰鏡組降低曝光值，因此MIG 電弧在脈沖基值時期的特征粒子分布并不明顯.MIG 焊在電流上升階段，Ar 794.8 譜線分布較發(fā)散，而Al 396.1 譜線集中于焊絲軸線附近.表1 所示復合焊中，MIG 焊接電流增加時，MIG 電弧中Ar 794.8 譜線相比單獨MIG 焊時有部分偏向等離子弧，在MIG 焊接電流剛達到脈沖峰值時，MIG 電弧在復合焊接中的Ar 譜線較單獨MIG 焊偏向等離子弧膨脹.對比表2 發(fā)現，復合焊中在MIG 焊接電流上升階段，MIG 電弧中的Ar

表1 Ar 794.8 譜線在等離子焊、MIG 焊及復合焊中不同時段的分布情況Table 1 Distribution of 794.8 nm Ar spectrum line at different times in plasma welding,MIG welding and hybrid welding

表2 Al 396.1 譜線在等離子焊、MIG 焊及復合焊中不同時段的分布情況Table 2 Distribution of 396.1 nm Al spectrum line at different times in plasma welding,MIG welding and hybrid welding

794.8譜線的分布較Al 396.1 分布范圍更廣且更偏向等離子弧，在MIG 焊接電流剛達到脈沖峰值時,復合焊MIG 電弧中的Al 396.1 譜線并未出現向等離子弧方向膨脹的現象.由于等離子弧氛圍中充滿了作為保護氣體及離子氣體的氬氣，而且電流為130 A 時不會產生過多的金屬蒸氣，因此等離子弧主要電離介質為氬氣，且復合焊中MIG 電弧偏向等離子弧的部分主要電離介質為氬氣，少部分鋁蒸氣參與了電離.

2.2 電弧動態(tài)行為

圖3 所示為復合焊中，等離子弧焊接電流130 A，MIG 焊接電流分別為180 和270 A 時MIG 焊接電流信號與電弧形態(tài)對應圖.由圖3 發(fā)現，等離子弧焊接電流為130 A，MIG 焊接電流為180 A 時，MIG 電弧在脈沖基值時期以及脈沖電流上升階段會有部分電弧等離子體偏向等離子弧，而當MIG 電流為270 A 時，以上現象消失.對于電弧等離子體，其運動軌跡主要由兩個因素決定：等離子流效應和電荷流效應[17].等離子流效應主要與焊接電流有關，電流越大，等離子流效應越強.電荷流效應在電流較小時起主導作用，電弧在阻抗最小的路徑燃弧.鋁合金旁軸等離子-MIG 復合焊過程中，等離子弧氛圍中充滿氬氣，由于等離子弧為壓縮電弧，電弧介質電離充分，等離子弧附近會存在大量帶電粒子、高溫狀態(tài)的氬氣，以及由等離子弧熔化試板產生的鋁蒸氣.MIG 焊接電流為180 A 時，其脈沖基值時期的焊接電流只有約88 A，基值時期等離子流效應不足以使整個電弧沿焊絲軸線燃燒，此時根據熱電離的Saha 公式，即

圖3 MIG 焊接電流波形與電弧形態(tài)對應圖Fig.3 Correspondence between MIG current waveform and arc shape.(a) Iplasma=130 A;IMIG=180 A;(b) Iplasma=130 A;IMIG=270 A;(c) arc shape of Fig.3a and Fig.3b

式中：ne為電子密度;nn為中性粒子密度;Vi為電離電位;T為弧柱溫度.等離子弧附近的帶電粒子、高溫氬氣以及鋁金屬蒸氣會為MIG 電弧提供一個阻抗較小的燃弧通道，因此可觀察到基值時期MIG電弧的部分等離子體偏向等離子弧.

圖4 所示為等離子弧焊接電流130 A，MIG 焊接電流180 A 時復合焊中MIG 電弧電壓與單獨MIG 焊電弧電壓對比.可以發(fā)現脈沖基值時期，復合焊中MIG 電弧電壓低于單獨MIG 焊時的電弧電壓，證明了脈沖基值時期復合焊中MIG 電弧燃弧通道的阻抗相比單獨MIG 焊接更小.當MIG 焊接電流由基值向峰值轉變時，隨著電流的增加，等離子流效應逐漸增強，電荷流效應逐漸減弱，MIG電弧應與焊絲軸線保持一致，但MIG 焊接電流由基值到峰值的變化速度很快(可達330 A/ms)，由于焊接電弧存在熱慣性，MIG 電流快速增加時，MIG電弧軸線不能在瞬間與焊絲軸線保持一致，因此可以觀察到在焊接電流剛達到峰值時，MIG 電弧仍偏向等離子弧膨脹.而此時由于MIG 焊接電流的增加，等離子弧附近的帶電粒子、高溫氬氣及鋁蒸氣對阻抗的降低作用減弱，但電弧弧長相比單獨MIG 焊接有所增加，因此此刻復合焊中MIG 電弧電壓要較單獨MIG 焊更高，如圖5 所示，在電流上升階段，MIG 電弧電壓出現尖峰狀波形，由圖4 可知，此時復合焊接中MIG 電弧電壓大于單獨MIG焊.而當MIG 焊接電流為270 A 時，基值時期電流值約為150 A，相比基值電流為88 A 的電弧，等離子流效應更強，因此復合焊時MIG 電弧在基值時期沒有出現MIG 電弧燃弧通道偏向等離子弧的情況，且MIG 電弧在整個峰值時期均為規(guī)則的鐘罩形，其電流電壓波形如圖6 所示，并未出現尖峰狀的電壓波形.

圖4 復合焊中MIG 電壓與單獨MIG 焊電壓對比圖Fig.4 Comparison of MIG voltage in hybrid welding and single MIG welding

圖5 復合焊中MIG 焊接電流及電弧電壓波形(Iplasma=130 A，IMIG=180 A)Fig.5 MIG welding current and arc voltage waveform in plasma-MIG hybrid welding (Iplasma=130 A，IMIG=180 A)

圖6 復合焊中MIG 焊接電流及電弧電壓波形(Iplasma=130 A，IMIG=270 A)Fig.6 MIG welding current and arc voltage waveform in plasma-MIG hybrid welding (Iplasma=130 A,IMIG=270 A)

為了探究MIG 電弧偏向等離子弧時是否會影響電弧穩(wěn)定性，計算不同參數下，MIG 電弧處于峰值時期的電弧電壓變異系數，變異系數是對數據離散程度進行分析的一個重要統計量，表示被檢測量的穩(wěn)定性或一致性.設變異系數為C.V，則其可表示為

式中：sd標準方差；為均值.由式（2）可知，變異系數C.V是一個相對變量，無量綱并且不受樣本均值的影響.對于焊接過程，意味著基于變異系數法的電信號特征參數不受焊接規(guī)范參數的影響，客觀的表征整個過程的波動程度，變異系數越小表明整個過程越均勻，結果如圖7 所示.結合圖2 可以發(fā)現，MIG 電弧偏向等離子弧時電弧穩(wěn)定性有所降低，隨著MIG 焊接電流的增加，電弧穩(wěn)定性逐漸增加.

圖7 MIG 電弧在脈沖峰值期間的電壓變異系數與電流Fig.7 Relationship between voltage variation coefficient and current of MIG arc during peak pulse

3 結論

(1) 鋁合金等離子-MIG 復合焊中，等離子弧焊接電流為130 A，MIG 焊接電流為180 A 時，MIG焊接電流從脈沖基值到剛達到脈沖峰值階段，MIG 電弧偏向等離子弧方向燃弧，偏向等離子弧方向的MIG 電弧電離介質主要為氬氣,MIG 焊接電流增加到240 A 后，以上現象消失.

(2) MIG 焊接電流為180 A 時，復合焊中MIG電弧電壓在脈沖基值時期低于單獨MIG 焊，基值時期的MIG 電弧，偏向等離子弧方向燃弧時阻抗更小.在MIG 焊接電流上升階段，由于焊接電弧存在熱慣性，電弧形態(tài)的變化滯后于電流，導致復合焊中MIG 電弧電壓高于單獨MIG 焊.

(3) 復合焊中，當MIG 電弧存在偏向等離子弧方向燃弧的現象時，MIG 電弧穩(wěn)定性有所降低，隨著MIG 焊接電流的增加，電弧穩(wěn)定性增加.