焊絲伸出長度對三絲間接電弧焊穩(wěn)定性和焊縫成形的影響

刁國寧，徐國敏，張?zhí)燹?，王澤力，劉黎?/p>

(大連理工大學(xué),遼寧省先進連接技術(shù)重點實驗室,大連,116024)

0 序言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，對焊接生產(chǎn)效率提出了更高的要求.但是傳統(tǒng)電弧焊在增加熔敷率的同時勢必會增大熱輸入，限制了焊接效率的提高[1-2].不同于傳統(tǒng)電弧焊，間接電弧焊母材不接電源，電弧在電極端部形成，電弧的熱量更多用來加熱焊絲，因此具有更高的熔敷率，可以實現(xiàn)更高的焊接效率[3].

三絲間接電弧焊(triple-wire gas indirect arc welding,TW-GIA 焊)是在雙絲間接電弧焊的基礎(chǔ)上提出的新型焊接方法[4].通過引入第3 根絲，改善了間接電弧周圍的磁場分布，彌補了雙絲間接電弧焊參數(shù)范圍窄、熱輸入不足的缺陷，同時第3 根絲的引入進一步提高了焊接效率[5].Fang 等人[6]研究了TW-GIA 焊接電源模式對電弧特性的影響，證明直流-脈沖直流的電源模式可以得到穩(wěn)定的電?。缓奢x等人[7]提出主絲接正的焊絲極性接法可獲得集中耦合的電弧形態(tài)；Liu 等人[8]研究了焊接電流對電弧特性的影響并實現(xiàn)了2 mm 厚鋼板高速焊，焊接速度可達2.8 m/min.

以上研究證明TW-GIA 焊具有低熱輸入、高焊接效率的優(yōu)勢.然而，TW-GIA 焊在焊接過程中有3 根焊絲同時熔化，會形成3 條不同的熔滴過渡路徑，主絲與兩邊絲之間會形成兩個電弧，很難保證焊接過程的穩(wěn)定性，限制了該技術(shù)的應(yīng)用，因此研究TW-GIA 焊的穩(wěn)定性變的十分必要.

三絲間接電弧在焊絲之間形成，焊絲伸出長度會對電弧的形成和熔滴過渡方式產(chǎn)生較大影響，進而影響焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形.通過研究焊絲伸出長度對電弧形態(tài)、電流電壓情況以及熔滴過渡的影響，分析了焊絲伸出長度對焊接穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并得到了良好的堆焊焊縫形貌，對于推廣該技術(shù)具有重要意義.

1 試驗方法

圖1 為TW-GIA 焊示意圖，該系統(tǒng)由兩臺MAG弧焊電源和3 根焊絲組成，主絲(main wire,MW)連接兩電源正極，左邊絲(left side wire,LSW)和右邊絲(right side wire,RSW)分別連接兩電源負極，其中左邊絲連接普通直流電源，右邊絲連接脈沖直流電源.焊接時母材不接電源，3 根焊絲相交于一點，電弧在主絲與邊絲(side wire,SW)之間形成.當(dāng)電弧起弧后，將電弧靠近母材，依靠間接電弧下方弧柱區(qū)的熱量和液態(tài)熔滴自身攜帶的熱量去熔化母材，冷卻凝固后形成焊縫.

圖1 TW-GIA 焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of TW-GIA welding

試驗?zāi)覆臑?00 mm × 150 mm × 5 mm 的Q345鋼板，焊絲牌號為ER50-6，主絲直徑為1.6 mm，送絲速度為5.6 m/min，邊絲直徑為1.2 mm，送絲速度為7.6 m/min.焊絲排布方式如圖2 所示，主絲位于中間，左、右兩邊絲位于兩側(cè)，主絲與兩邊絲夾角為30°，主絲與焊接方向夾角為45°.左邊絲電流IL與右邊絲電流IR均為160 A，主絲電流IT等于左、右兩邊絲電流之和為320 A.圖中Ls為導(dǎo)電嘴端部到焊絲交點的距離，即焊絲伸出長度；Lg為焊接過程中焊絲伸出長度；Lc為焊絲的熔斷距離.焊絲交點到板材的距離即焊槍高度為5 mm.保護氣體為80%Ar+20%CO2混合氣，由置于電弧上方的噴嘴噴出，所用焊絲和母材成分如表1 所示.

圖2 TW-GIA 焊焊絲分布Fig.2 Wire arrangement of TW-GIA welding.(a) schematic diagram;(b) actual drawing

表1 母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal and wire

使用高速攝像機在垂直于焊接方向?qū)﹄娀『腿鄣涡螒B(tài)進行拍攝，采用漢諾威焊接分析儀對電流、電壓信號進行采集，并對數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計處理，得到相應(yīng)的分布曲線，進而對焊接過程的穩(wěn)定性進行評價.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 焊絲伸出長度對電弧形態(tài)的影響

調(diào)整3 根焊絲的伸出長度，使主絲與兩邊絲的伸出長度不相等，分別為主絲10 mm、邊絲20 mm，主絲、邊絲均為10 mm 和主絲20 mm、邊絲10 mm，并分析主絲與邊絲伸出長度不相等時對電弧形態(tài)的影響.圖3 為3 種情況下的電弧形態(tài).從圖3 可以看出，當(dāng)邊絲的伸出長度較長時，電弧出現(xiàn)明顯的向上攀升現(xiàn)象，電弧分散嚴(yán)重.當(dāng)主絲、邊絲伸出長度均為10 mm 時，電弧穩(wěn)定燃燒在主絲與邊絲之間，電弧形狀規(guī)則.當(dāng)主絲伸出長度較長時，電弧形狀不規(guī)則且向左偏移嚴(yán)重，電弧穩(wěn)定性較差.因此當(dāng)主絲與邊絲伸出長度相等時，電弧穩(wěn)定性較好.

圖3 不等長焊絲伸出長度下的電弧形態(tài)Fig.3 Arc shape of unequal wire extension.(a) MW 10 mm,SW 20 mm;(b) MW 10 mm,SW 10 mm;(c)MW 20 mm,SW 10 mm

在主絲與邊絲伸出長度相等的基礎(chǔ)上改變焊絲的伸出長度為10，15，20，25 mm.圖4 為不同焊絲伸出長度條件下的電弧形態(tài).由圖4 可知，當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，電弧形態(tài)集中穩(wěn)定.右邊絲連接的為脈沖電源，復(fù)合的電弧具有脈沖屬性，在0～ 6 ms 內(nèi)，電弧在經(jīng)歷峰值電流和基值電流交替時，有尺寸大小的變化，沒有明顯的形態(tài)變化(圖4a).當(dāng)焊絲伸出長度為15 mm 時，相較于10 mm 時，電弧的形狀變化不大，但電弧的尺寸增大，電弧的集中性減弱(圖4b).當(dāng)焊絲伸出長度增加到20 mm 時，電弧尺寸進一步增大，電弧的穩(wěn)定性變差(圖4c).當(dāng)焊絲伸出長度為25 mm 時，電弧形狀發(fā)生明顯改變，電弧分散嚴(yán)重，形狀呈扇形，難以形成穩(wěn)定的電弧，穩(wěn)定性最差(圖4d).

圖4 焊絲伸出長度對電弧形態(tài)的影響Fig.4 Effect of wire extension on arc shape.(a) wire extension 10 mm;(b) wire extension 15 mm;(c) wire extension 20 mm;(d) wire extension 25 mm

焊絲伸出長度與電弧形態(tài)的關(guān)系可由式(1)解釋.

式中：vf為焊絲熔化速度；Ls為焊絲伸出長度；I為焊接電流；α，β為比例系數(shù)，由焊絲材質(zhì)、直徑所決定.圖5 為三絲間接電弧的形成示意圖，焊絲之間接觸起弧，電子從陰極發(fā)射在電場力和洛倫茲力的作用下向陽極移動形成電弧.由式(1)可知，焊絲熔化速度與焊絲伸出長度呈線性關(guān)系.當(dāng)焊絲伸出長度較短時，焊絲的熔化速度較慢，焊絲的熔斷距離較少，主絲與邊絲之間的燃弧距離較短，形成類似圖5 中電弧1 的形態(tài)，電弧的集中性較好.當(dāng)主絲與邊絲伸出長度增加時，焊絲的熔化速度增大，單位時間內(nèi)焊絲的熔斷距離增加，主絲與邊絲之間的燃弧距離增加，電弧變的分散、不穩(wěn)定，形成類似圖5 中電弧2 的形態(tài).因此隨著焊絲伸出長度的增加，電弧的集中程度降低，電弧的穩(wěn)定性變差.

2.2 焊絲伸出長度對電流、電壓分布的影響

圖6 為焊絲伸出長度對電流變異系數(shù)和電流概率密度的影響.變異系數(shù)和概率密度分布曲線寬度越大代表數(shù)據(jù)波動范圍越大，穩(wěn)定性越差.由圖6a 可知，當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，主絲與兩邊絲電流變異系數(shù)最小，隨著焊絲伸出長度的增加，電流變異系數(shù)均增大，穩(wěn)定性變差.上述現(xiàn)象可由圖6b、圖6c 和圖6d 進行解釋.圖6b～ 圖6d 分別為右邊絲、左邊絲和主絲的電流概率密度分布.當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，電流概率密度分布曲線數(shù)值區(qū)間最窄，電流波動范圍最小，焊接過程最穩(wěn)定.隨著焊絲伸出長度的增加，電流分布集中程度減弱，波動范圍增大.當(dāng)焊絲伸出長度為25 mm 時，3 根焊絲的電流概率密度分布曲線中均存在0 A 或高電流區(qū)域，證明焊接過程中存在短路過渡和熄弧現(xiàn)象，焊接過程不穩(wěn)定.TW-GIA 焊的短路過渡與傳統(tǒng)電弧焊中的概念不同，TW-GIA 焊中的短路過渡是指主絲與兩邊絲相接觸形成短路，焊絲被成段熔斷，伴隨的是滴狀過渡，是一種不穩(wěn)定的過渡方式.

圖7 為焊絲伸出長度對電壓變異系數(shù)、電壓概率密度和平均電壓的影響.由圖7a 可知，隨著焊絲伸出長度的增加，左、右兩邊絲的電壓變異系數(shù)均增大，電弧的穩(wěn)定性降低.上述現(xiàn)象可由圖7b 和圖7c 解釋.圖7b 和圖7c 分別為右邊絲與左邊絲電壓概率密度分布曲線圖.焊絲伸出長度對左、右邊絲電壓概率密度分布的影響類似，隨著焊絲伸出長度的增加，高電壓區(qū)域概率密度分布增加，電壓分布范圍變寬，電弧穩(wěn)定性降低.當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，電壓集中分布在20～ 45 V 之間，分布區(qū)間最窄，穩(wěn)定性最好.由圖7d 可知，當(dāng)焊絲伸出長度增加時，左、右兩邊絲平均電壓均增大.當(dāng)焊絲伸出長度增加時，焊絲的熔斷距離增加，主絲與邊絲之間的導(dǎo)電距離增加.

圖7 焊絲伸出長度對電壓變異系數(shù)、電壓概率密度和平均電壓的影響Fig.7 Effect of wire extension on the voltage coefficient of variation,voltage probability distribution and average voltage.(a) voltage coefficient of variation;(b) RSW voltage probability density;(c)LSW voltage probability density;(d) average voltage

2.3 焊絲伸出長度對熔滴過渡和焊縫成形的影響

圖8 為不同焊絲伸出長度條件下的熔滴過渡方式.從圖8 可以看出，主絲熔滴的過渡軌跡向主絲一側(cè)偏轉(zhuǎn)，而左、右邊絲的熔滴過渡軌跡則偏向兩邊絲一側(cè).由于觀測方向的原因，左、右邊絲熔滴重疊在一起.當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，主絲與邊絲熔滴在焊絲端部形成液柱并穩(wěn)定脫落，主絲與邊絲的熔滴過渡方式均為射流過渡，熔滴顆粒細小.隨著焊絲伸出長度的增加，熔滴的尺寸增大，主絲熔滴與邊絲之間夾角增大；當(dāng)焊絲伸出長度為20 mm，熔滴過渡路徑增加，熔滴過渡變的不穩(wěn)定；當(dāng)焊絲伸出長度為25 mm 時，熔滴的過渡方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇值芜^渡，熔滴尺寸進一步增大，熔滴的過渡頻率變慢，指向性變差.

圖8 焊絲伸出長度對熔滴過渡的影響Fig.8 Effect of wire extension on droplet transfer.(a) 10 mm;(b) 15 mm;(c) 20 mm;(d) 25 mm

熔滴的過渡行為主要由它的受力狀態(tài)所決定，焊絲伸出長度主要影響熔滴受到的電磁力，電磁力與電弧弧根的實際情況有關(guān)，當(dāng)焊絲伸出長度較短時，熔滴為射流過渡，熔滴的直徑小于弧根直徑，電磁力為促進熔滴過渡的力，且會拉拽主絲熔滴靠近邊絲.當(dāng)焊絲伸出長度為25 mm 時，焊絲伸出長度較長，焊絲端部的燃弧距離增加，此時弧根直徑小于熔滴直徑，電磁力成為阻礙熔滴過渡的力.熔滴在電磁力的作用下在焊絲端部積累長大，熔滴的尺寸增加.此時，熔滴的過渡方式變?yōu)榇值芜^渡.同時，電磁力會排斥主絲熔滴遠離邊絲，主絲熔滴與邊絲熔滴之間夾角增大.

圖9 為不同焊絲伸出長度條件下的堆焊焊縫形貌.當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，堆焊焊縫連續(xù)均勻，成形美觀，與穩(wěn)定的熔滴過渡相對應(yīng).當(dāng)焊絲伸出長度為15 mm 時，焊縫表面無明顯缺陷，但均勻性變差.當(dāng)焊絲伸出長度為20 mm 時，仍然可以得到單道連續(xù)的焊縫，但焊縫表面可以觀察到明顯的孔洞缺陷，同時焊縫的寬度增加，焊縫周圍的飛濺增多.焊縫中存在孔洞缺陷是由于在焊接過程中，主絲熔滴先過渡到熔池中，邊絲熔滴后過渡到熔池中，主絲與邊絲熔滴之間的角度越大，則兩者過渡到熔池的時間差越長，先脫落的主絲熔滴形成的熔池與邊絲熔滴之間的溫度差越大.溫度較高的邊絲熔滴在過渡到快速冷卻的熔池時容易產(chǎn)生氣孔缺陷.當(dāng)焊絲伸出長度為25 mm 時，無法形成連續(xù)的焊縫，焊縫周圍存在大量飛濺，焊縫表面也存在孔洞，焊縫成形差.這是由于此時的電弧分散，能量密度低，在堆焊過程中無法充分熔化基板，導(dǎo)致基板的鋪展性能差，同時由于熔滴的尺寸較大，指向性差，當(dāng)大尺寸熔滴過渡到未被充分熔化的基板時，難以形成穩(wěn)定熔池，也難以獲得穩(wěn)定的焊縫，同時會產(chǎn)生大量飛濺.

圖9 焊絲伸出長度對焊縫成形的影響Fig.9 Effect of wire extension on bead formation.(a)wire extension 10 mm;(b) wire extension 15 mm;(c) wire extension 20 mm;(d) wire extension 25 mm

3 結(jié)論

(1)焊絲伸出長度對電弧影響較大，當(dāng)主絲與邊絲伸出長度不相等時，電弧分散嚴(yán)重，難以形成穩(wěn)定焊接過程.在主絲與邊絲伸出長度相等的條件下，隨著伸出長度的增加，電弧集中性變差.

(2) 隨著焊絲伸出長度的增加，焊接過程中的電流/電壓的變異系數(shù)增大，電流/電壓概率密度分布范圍增加，電流的波動范圍由160～ 180 A 增加至0～ 180 A，電壓的波動范圍由20～ 40 V 增加至20～ 100 V，焊接穩(wěn)定性變差.

(3) 隨著焊絲伸出長度增加，熔滴的尺寸增大，主絲熔滴與邊絲熔滴之間的夾角增大，堆焊焊縫成形逐漸變差，當(dāng)焊絲伸出長度為10 mm 時，焊縫成形良好.