6061鋁合金超聲電弧MIG 焊聲電特性和工藝

李洪亮,崔展祥,劉世雄,馬強,姚亦強,雷玉成,*

1.江蘇大學 材料科學與工程學院,鎮(zhèn)江 212013

2.中廣核研究院有限公司,深圳 518000

6061鋁合金焊接結構件廣泛應用于航空、航天等領域,采用的焊接工藝包括熔化極氣體保護(Metal Inert-Gas,MIG)焊、等離子弧焊(Plasma Arc Welding,PAW)、攪拌摩擦焊、釬焊等,其中,鋁合金MIG 焊具有操作簡單、效率高、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,常用于鋁合金的連接,但其焊縫氣孔率高、組織粗大、強度韌性損失多等問題限制了該方法的發(fā)展。而超聲輔助電弧焊是新發(fā)展起來的一種復合焊接技術,該技術借助超聲在電弧或熔池中的機械振動、聲空化、聲流等非線性效應,起到穩(wěn)定電弧、減少缺陷、改善接頭質量的作用。

常用的超聲與電弧焊的復合焊接是通過輔助機械振動裝置將超聲能量引入熔池中,該工藝已被應用到鋁合金的電弧焊過程中。然而,常規(guī)機械超聲產生方法存在裝置復雜、耦合困難、參數(shù)不易調節(jié)的缺點,使其應用受到限制。

電弧超聲是超聲輔助電弧焊的另外一種形式,其使用超聲頻的電信號激發(fā)電弧,產生作用于電弧以及熔池內部的超聲,從而達到輔助焊接過程的作用。目前的研究集中于超聲電弧焊接對鈦合金、鋁基復合材料、高溫合金等材料焊縫組織和性能的影響,但對于6061鋁合金MIG 焊的超聲電弧復合焊接工藝特征的研究較少。同時,由于超聲在電弧或熔池中的激發(fā)過程是介質對輸入能量的一個響應過程,不同類型的等離子體對超聲的響應過程有“選擇性”,因此也有必要對6061鋁合金超聲電弧MIG 焊的聲電特性進行研究。

采用自制隔離耦合裝置,將超聲波電源的高頻脈沖激勵信號對MIG 焊接電弧進行調制,實現(xiàn)6061鋁合金的超聲電弧MIG 焊接,研究超聲電弧對MIG 焊電弧的電信號和聲信號特性的影響以及焊縫成形和組織特征,以進一步完善超聲電弧在電弧焊過程中的激發(fā)和作用機理,為鋁合金超聲電弧MIG 焊技術在航空航天領域的應用提供指導。

1 試驗材料及方法

使用MIG 焊對4 mm 厚的6061鋁合金進行平板堆焊,焊絲選用1.2 mm 的ER5356焊絲,焊接電源為恒壓模式,極性為直流反接,保護氣為氬氣,焊接工藝參數(shù)如表1所示。再對6061鋁合金進行超聲電弧MIG 焊,其原理為,焊接電弧作為產熱負載的同時,也可以成為超聲發(fā)射源,超聲激勵源輸出的高頻脈沖信號經隔離耦合裝置后進入焊接電弧,對焊接電弧進行高頻調制,從而激發(fā)出超聲波,實現(xiàn)超聲波與MIG 焊接復合。具體操作的方法為：待常規(guī)MIG 焊接電弧穩(wěn)定后,打開隔離耦合裝置的開關,接入超聲激勵信號,超聲激勵參數(shù)分為A 和B兩組,分別改變的是超聲激勵電壓和激勵頻率,如表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

表2 超聲激勵參數(shù)Table 2 Ultrasonic excitation parameters

焊接完成后,采用線切割機沿垂直于焊縫方向取20 mm×10 mm×4 mm 的金相試樣,試樣經300#～2000#砂紙打磨后,利用金剛石拋光液進行機械拋光,對拋光后試樣進行陽極覆膜,觀察焊縫金屬微觀組織。陽極覆膜電解液為3%的氟硼酸水溶液。采用配有電子背散射衍射(EBSD)系統(tǒng)的ZEISS掃描電子顯微鏡進行晶粒取向及尺寸分析,試樣尺寸為8 mm×5 mm×5 mm,依次經過砂紙打磨、機械拋光后,在15%高氯酸的酒精混合溶液中進行電解拋光。

試驗設備包括超聲電弧MIG 焊接設備和信號檢測設備,圖1為試驗系統(tǒng)的示意圖。超聲電弧MIG 焊接設備由MIG 焊接電源、超聲激勵源和隔離耦合裝置3部分組成,MIG 焊機采用奧太Pulse MIG-350Y 焊機,搭 配ESS-500G 送 絲 機 使用。超聲激勵電源可輸出交變的矩形脈沖信號,頻率、電壓、占空比均可調,最大輸出功率為2 k W,頻率在20～100 k Hz連續(xù)可調,電壓在0～75 V 連續(xù)可調,試驗中占空比設為50%。隔離耦合裝置的作用是將超聲激勵電源與焊接電源并聯(lián)耦合,使超聲激勵信號傳輸至焊接電弧,且對電源形成隔離保護作用。隔離耦合原理采用電容-電感串聯(lián)諧振,減少激勵回路中電抗和信號失真,以增加激勵源的傳輸效率。

圖1 超聲電弧MIG 焊接試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of MIG ultrasonic-arc test system

在不同的激勵參數(shù)下,用示波器測量空載條件下(未接入MIG 焊接電源)經過隔離耦合裝置后的電信號,并計算電壓值,以檢測隔離耦合裝置的性能。設置超聲激勵源電壓為7 V,激勵頻率為20～100 k Hz,測量隔離耦合裝置輸出端的信號,并計算出激勵電壓有效值,結果如圖2所示,可以看到采用自制的裝置,可以獲得較好的耦合效果。

圖2 不同激勵頻率下隔離耦合裝置輸出的電壓(U i)變化曲線Fig.2 U i of isolation coupling device at different excitation frequencies

在焊接過程中檢測超聲激勵電信號的變化,同時將傳聲器放置在距焊槍噴嘴約90 mm 的位置,測量電弧在空氣中傳播的聲信號變化,因距離較小,所以聲壓數(shù)據(jù)不考慮聲波的衰減效應。信號檢測設備包括MIG 焊接輸出和超聲激勵輸出的電壓電流檢測設備,以及電弧輻射聲壓的聲檢測設備。其中電弧電壓和焊接電流使用DAQ1252型數(shù)據(jù)采集卡結合相應傳感器進行檢測,超聲激勵電壓使用GA1102CAL 型示波器測量,超聲激勵電流使用DHG03A-CT 高頻互感器結合示波器進行測量。使用丹麥公司生產的4939型傳聲器完成電弧輻射聲壓的采集,其靈敏度為4 m V/Pa,測量頻率范圍為4 Hz～100 k Hz,可將聲波的機械能轉化為電信號,使用麥克風前置放大器對傳聲器采集的信號進行放大,再由NEXU2690適調放大器變換,完成聲壓信號的測量。

3 實驗結果

3.1 電弧電信號特征分析

在常規(guī)MIG 焊電弧中引入超聲激勵,可將激勵電流疊加到焊接回路中,激勵電壓和激勵頻率是提前設定,而激勵電流(即受激電流)是試驗時在激勵回路中測得。表3列出了A 組和B 組中激勵電壓和激勵電流的具體參數(shù),A 組中保持激勵電壓為40 V 不變,B 組中保持激勵頻率為50 k Hz不變,圖3 為激勵電壓40 V、激勵頻率50 k Hz時對應的波形圖,可見,在高頻脈沖的交變矩形波的激勵下,MIG 焊接電弧中受激電流為同頻的三角波,電流與電壓之間存在相位差；在激勵電壓不變的情況下,隨著激勵頻率的增加,受激電流的幅度減小,而在激勵頻率不變的情況下,隨著激勵電壓的升高,受激電流的幅度增大,所以MIG 焊接電弧對超聲激勵是存在輸入復阻抗的。

表3 超聲電弧的激勵參數(shù)Table 3 Excitation parameters of ultrasonic-arc

圖3 激勵頻率為50 k Hz、激勵電壓為40 V 時的激勵信號波形Fig.3 Excitation signal waveform when excitation frequency is 50 k Hz and excitation voltage is 40 V

常規(guī)的MIG 焊接測得的電弧電壓波形如圖4(a)所示,可見電弧電壓在22.7 V 處有小幅波動,焊接過程較為穩(wěn)定。在引入超聲激勵后,電弧電壓發(fā)生變化,其表現(xiàn)為電壓在原焊接電壓的基礎上振蕩變化,振蕩幅度約為激勵電壓的波形幅度,其電弧電壓波形如圖4(b)所示。由此可以推斷超聲電弧MIG 焊中超聲產生的機制：即通過周期性交變激勵信號與焊接電弧的并聯(lián)耦合,電弧電壓在基值上也呈現(xiàn)周期性的高頻振蕩,焊接電流中也將疊加進高頻振蕩的電流,由于電弧電壓和焊接電流的變化,電弧等離子體也同時相應的出現(xiàn)周期性的收縮與膨脹,從而受激產生超聲波,一部分超聲能量通過弧柱表面?zhèn)鞑サ娇諝庵腥?而另一部分通過電弧壓力、等離子流力的變化使熔池產生受迫振動,而傳遞到熔池中去,影響熔池的凝固過程。

圖4 電弧電壓波形Fig.4 Arc voltage oscillogram

3.2 電弧聲信號特征分析

常規(guī)MIG焊和超聲電弧MIG 焊的電弧聲信號的時域和頻域波形如圖5和圖6所示,可見常規(guī)MIG 焊電弧聲頻的頻帶主要集中在0～20 k Hz內,在引入超聲電弧后,電弧聲頻的聲壓幅度增大,其聲頻的頻帶除了在0～20 k Hz內集中,還在超聲頻帶內出現(xiàn)對應的高頻成分,如圖6所示,激勵頻率為50 k Hz時,電弧聲頻在50.15 k Hz附近出現(xiàn)超聲分量,說明MIG 焊電弧對超聲激勵信號具有同頻響應的特征。

圖5 常規(guī)MIG 焊電弧聲頻的時域和頻域圖像Fig.5 Time domain and frequency domain images of arc frequency in conventional MIG welding

圖6 激勵電壓為40 V、激勵頻率為50 k Hz時超聲電弧MIG 焊接電弧聲頻的時域和頻域圖像Fig.6 Time domain and frequency domain images of arc sound frequency in ultrasonic arc MIG welding(f=50 k Hz,U e=40 V)

3.3 超聲電弧對焊縫成形和微觀組織的影響

圖7為不同激勵參數(shù)下焊接接頭的橫截面。從圖中看出,不同激勵工藝參數(shù)下焊縫熔深有較大的變化,結合圖8中的熔深數(shù)據(jù),常規(guī)MIG 焊時,焊縫熔深為1.3 mm,當施加超聲后,焊縫熔深有所增大,當=55 V,=70 k Hz時,焊縫熔深達到1.6 mm,增加約23%。MIG 電弧經超聲頻脈沖調制耦合后,電弧壓縮作用增強,電弧剛性和指向性變好,能量更加集中,從而使焊縫熔深增加,此外,電弧下方的熔池在超聲作用下發(fā)生高頻振動,熔池向下的挖掘作用增強,也會增加熔深。

圖7 不同激勵參數(shù)下焊縫典型橫截面Fig.7 Typical weld cross-sections for different excitation parameters

圖8 不同激勵參數(shù)下焊縫熔深變化Fig.8 Weld penetration depth for different excitation parameters

圖9為不同激勵參數(shù)下焊縫金屬頂部等軸晶區(qū)和底部柱狀晶區(qū)的微觀組織,可以看到超聲場對焊縫金屬頂部等軸晶區(qū)和底部柱狀晶區(qū)的晶粒均存在一定程度的細化作用。這種細化效果對焊縫金屬頂部等軸晶區(qū)效果較為明顯；在常規(guī)MIG焊接條件下,焊縫金屬等軸晶區(qū)晶粒尺寸較大,而施加超聲激勵后,粗大的等軸晶組織被打斷,變成尺寸更小的晶粒,這是由于電弧超聲在熔池中傳播,發(fā)生較強的超聲頻振動,將正在生長的樹枝狀晶打碎和分散,減小其尺寸,即超聲的加入引起熔池內部發(fā)生劇烈攪拌,使粗大晶粒在生長的過程中被抑制,從而獲得較細的晶粒,同時電弧正下方聲場強度更大,晶粒的細化效果更明顯。

圖9 不同超聲激勵參數(shù)下焊縫金屬微觀組織Fig.9 Weld metal microstructure for different excitation parameters

4 分析與討論

未施加超聲激勵時,焊接電弧宏觀上處于穩(wěn)定狀態(tài),當受到超聲頻激勵源的調制時,電弧中的等離子體產生周期性的高頻振蕩,從而導致周圍介質產生一系列的熱效應和機械效應?？紤]到焊接電弧是一個動態(tài)負載,具有特定的阻抗特性,因此有必要分析激勵參數(shù)對電弧阻抗特性的影響,如式(1)所示：

式中：||為復阻抗的模(Ω)；為激勵電壓的有效值(V)；為激勵電流的有效值(A)。

根據(jù)表3計算并繪制MIG 焊電弧的輸入阻抗在不同的激勵電壓和激勵頻率條件下的散點圖,如圖10所示,可見輸入阻抗隨著激勵頻率的增加而增加,而隨著激勵電壓的增加輸入阻抗沒有明顯變化,阻抗值集中在8Ω 附近。

電弧是一種變阻性負載,其電阻抗隨著電弧電壓和電流的變化而變化,電弧等離子體的局部或者熔滴之間會出現(xiàn)電子、離子的電荷不平衡現(xiàn)象,因此分析輸入阻抗與激勵頻率之間的關系是很有意義的,這里假定電弧等效為串聯(lián)RLC負載,則電弧的輸入阻抗為

式中：為激勵頻率(k Hz)；為電 阻 值(Ω)；為電感值(m H)；為電容值(mF)。

若取為常規(guī)MIG焊時電弧電壓和焊接電流的比值=0.12Ω,并利用優(yōu)化算法擬合得到輸入阻抗||與激勵頻率的關系曲線,如圖10所示,擬合可得=0.032 m H,=5.4×10mF,整理式(3)可以得到

圖10 激勵參數(shù)對超聲電弧輸入阻抗的影響Fig.10 Effects of excitation parameters on input impedance of ultrasonic-arc

超聲電弧MIG焊電弧聲頻的超聲信號具有一定的強度,其聲壓幅度隨著激勵頻率和激勵電壓的變化而變化,圖11為不同激勵參數(shù)下超聲聲壓幅值的變化曲線?？梢姵暤穆晧悍入S著激勵頻率的升高而減小,隨著激勵電壓的升高而整體上呈增加的趨勢,激勵頻率對聲壓幅度的影響較大。聲壓幅度與激勵電壓呈正相關的關系,而與激勵頻率呈負相關的關系,這是因為聲壓幅度與超聲激勵的能量有關,聲壓反映了聲音的強弱,一定程度上可以反應聲音的能量,而超聲電弧MIG 焊電弧等于一個換能器,將超聲激勵的電能轉化為聲能(機械能)、熱能、光能和輻射能等能量,當激勵電壓升高的時候,受激電流也增大了,電能增加,所以轉化后的聲能也增加,空氣中測得的聲壓也變大了,而當激勵頻率升高的時候,受激電流減小,電能減小,所以最終測得的聲壓也隨之減小。

圖11 激勵參數(shù)對超聲電弧聲壓幅值的影響Fig.11 Effects of excitation parameters on sound pressure of ultrasonic-arc

為了進一步明確超聲的聲壓幅值與激勵頻率和激勵電壓之間的關系,將試驗中測得的聲壓數(shù)據(jù)點繪制在二維坐標系中,根據(jù)最小二乘法原理對其進行曲線擬合。因圖11(a)中超聲的聲壓幅值與激勵電壓以及激勵電流的變化曲線近似二次函數(shù),結合聲壓幅值的變化趨勢,采用曲面函數(shù)(5)來擬合聲壓幅值數(shù)據(jù)點的分布情況,得到超聲的聲壓幅值與激勵頻率之間的近似關系：

式中：,為常數(shù)。

鋁合金超聲電弧MIG 焊時,電弧超聲使熔池發(fā)生高頻振動,可以破壞正在生長的晶體,打碎粗大晶粒,起到細化晶粒的作用。為了定量分析超聲電弧引入前后焊縫金屬晶粒結構及晶粒直徑的變化,對其進行EBSD 分析,并利用OIM 軟件獲取所選區(qū)域的晶粒取向和晶粒大小分布,結果如圖12和圖13所示,可以看出超聲的施加打斷了方向性明顯的柱狀晶的生長,焊縫晶粒得到細化,未加超聲時,焊縫金屬的晶粒直徑最大約為130μm,直徑大于50μm 晶粒占比為53%,而當激勵參數(shù)為=55 V,=30 k Hz時,晶粒最大直徑約為100μm,直接大于50μm 的晶粒占比降低為41%,晶粒得到細化。電弧超聲在焊接熔池中的有限振幅衰減使熔體內形成一定的聲壓梯度,促進溶質在熔池中的分布。如圖14所示,超聲電弧可以使ER5356 焊縫金屬中的Al-Mg析出相(白色棒狀相)變得均勻和細小,使焊縫組織分布更加均勻,有助于提高焊縫金屬的力學性能。

圖12 超聲電弧引入對焊縫金屬晶粒結構的影響Fig.12 Effect of ultrasonic-arc introduction on weld metal grain structure

圖13 超聲電弧引入對焊縫金屬晶粒直徑的影響Fig.13 Effect of ultrasonic arc introduction on weld metal grain diameter

圖14 超聲激勵對焊縫金屬析出相分布的影響Fig.14 Effect of ultrasonic arc introduction on distribution of weld metal precipitated phase

5 結 論

1)在加入波形為交變矩形波的超聲激勵后,超聲電弧MIG 焊的電弧電壓出現(xiàn)高頻的振蕩現(xiàn)象,受激電流為同頻的三角波。MIG 焊電弧對超聲激勵的輸入阻抗與激勵頻率有關,隨著激勵頻率的增加,受激電流減小,輸入阻抗增大,而電弧的輸入阻抗與激勵電壓沒有明顯關系。

2)在20～85 k Hz的頻帶內施加超聲激勵,MIG 焊電弧中超聲的響應頻率同激勵頻率一致,超聲的聲壓幅度與激勵能量有關,激勵頻率與激勵電壓是通過改變激勵能量而影響到超聲的聲壓幅度的,超聲的聲壓振幅隨著激勵頻率的增加而減小,隨著激勵電壓的增大而增大。

3)超聲電弧的引入能夠增大MIG 焊縫熔深,使焊縫熔池發(fā)生高頻振動,破壞正在生長的晶體,打碎粗大柱狀晶粒,起到細化晶粒的作用,并有助于均勻化溶質分布。