超聲等離子焊接在液壓支架修復(fù)工藝中的應(yīng)用

劉曉玲

(青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427)

0 前言

液壓支架作為最重要的煤礦支護(hù)設(shè)備之一，在工作中長(zhǎng)期承受壓力、腐蝕和磨損等作用。液壓支架的局部機(jī)械疲勞[1]、摩擦損傷較為常見，需要定期進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)，否則存在巨大的安全隱患。然而，由于液壓支架的關(guān)鍵承載部件對(duì)強(qiáng)度、精密、密閉性[2]要求較高，常規(guī)補(bǔ)焊修復(fù)的效果難以滿足工程需要，導(dǎo)致大量支架被淘汰。雖然激光熔覆技術(shù)[3]在液壓支架修復(fù)[4]方面有著良好的應(yīng)用效果，但成本居高不下，且工藝方面仍存在諸多限制，比如，加熱和冷卻過(guò)快造成的熔覆層熔融時(shí)間過(guò)短造成光斑外緣和內(nèi)緣差別大，導(dǎo)致組織形成不平衡，應(yīng)力分配不勻；激光熔覆對(duì)設(shè)備要求較高，部分工藝排氣浮渣不充分，易造成硬度不均，形成氣孔、夾渣等問(wèn)題。

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，高精度、低成本的超聲波等離子弧焊[5]得到廣泛認(rèn)可，相比傳統(tǒng)弧焊，其具有能量集中、熱影響區(qū)小、焊縫表面光潔等優(yōu)點(diǎn)，在超聲波的作用下，熔池拉伸效果顯著，熔滴[6]過(guò)渡更為平滑。為此，文中提出將應(yīng)用于液壓支架修復(fù)工藝，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究焊接參數(shù)對(duì)修復(fù)工藝的影響，適用于液壓支架中厚壁零件的高強(qiáng)度、低變形修復(fù)，如中缸活塞段、立柱、支架本體構(gòu)件等，確保最佳補(bǔ)焊效果。

1 液壓支架修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 超聲等離子弧焊系統(tǒng)組成

為研究超聲波對(duì)液壓支架修復(fù)效果的影響，設(shè)計(jì)超聲波等離子弧焊系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括焊接系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)。在焊接系統(tǒng)中，焊槍電極為鎢極，通過(guò)耦合接頭與超聲變幅桿[7]連接，超聲波的持續(xù)作用使得離子弧具有高頻振動(dòng)特性，對(duì)熔池有一定的晶粒破碎作用。

圖1 超聲波等離子弧焊系統(tǒng)的組成

為確保等離子弧的穩(wěn)定性，等離子氣和保護(hù)氣均選用氬氣，焊接電源采用數(shù)字焊機(jī)，電流調(diào)節(jié)與PWM生成均基于DSP處理器實(shí)現(xiàn)。超聲波參數(shù)的控制主要通過(guò)超聲電源和超聲環(huán)能器完成，對(duì)外最大輸出功率為600 W，超聲振頻可達(dá)25 kHz，振幅可達(dá)30 μm。在上位機(jī)控制系統(tǒng)中，等離子弧的生成與熄滅、焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)、鎢極的運(yùn)動(dòng)軌跡等均由PCI數(shù)據(jù)卡實(shí)現(xiàn)指令控制。此外，上位機(jī)系統(tǒng)能夠針對(duì)焊接過(guò)程中的相關(guān)傳感器信號(hào)與圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控焊接過(guò)程，防止出現(xiàn)異常。立柱修復(fù)工藝及形貌如圖2所示，可以看出：修復(fù)后的立柱熔覆層表面光滑、厚度均衡，未出現(xiàn)任何焊接損傷缺陷，打磨后的同軸精度非常高。

圖2 立柱修復(fù)工藝及形貌

1.2 焊接參數(shù)及條件設(shè)定

根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)定焊接修復(fù)工藝參數(shù)如下：調(diào)節(jié)鎢極噴嘴的直徑為3 mm，內(nèi)部收縮量為1.8 mm；焊接過(guò)程中，通過(guò)焊接平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使鎢極噴嘴端部與支架表面的距離保持在4～5 mm；固定被焊支架的惰性保護(hù)氣體流量為25 L/min，維持形成等離子的氣體流量為2.5～3.0 L/min；調(diào)整數(shù)字焊機(jī)的工作電流至100 A，調(diào)節(jié)超聲電源的輸出功率至500 W。

焊接系統(tǒng)中的上位機(jī)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集等離子電弧壓力和電流密度，這也是衡量等離子焊接穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。電弧壓力采用氣體壓力傳感器[8]進(jìn)行采集，電流密度采用電流傳感器測(cè)量。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，保持各個(gè)傳感器與工作臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)。以10 mm直徑的陽(yáng)極電弧為被測(cè)對(duì)象，在徑向方向等間隔選取若干點(diǎn)進(jìn)行采集，以5組數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。有超聲振動(dòng)(U-PAW)和無(wú)超聲振動(dòng)(PAW)的電弧壓力和電流密度對(duì)比結(jié)果分別如圖3和圖4所示，可以看出：超聲波可有效提升電弧壓力，特別是電弧中心，同等條件下將電弧壓力增大了20%以上，使得焊接熱流更為均衡、穩(wěn)定；當(dāng)電弧直徑小于4 mm時(shí)，超聲波振動(dòng)可顯著增強(qiáng)電流密度，能量也更為集中，可有效減小熱影響區(qū)范圍，減小焊后變形。

圖3 電弧壓力變化規(guī)律

圖4 電流密度變化規(guī)律

2 超聲場(chǎng)有限元分析

2.1 控制方程

超聲場(chǎng)特性分析屬于壓力聲學(xué)[9]的研究范疇，其在等離子焊接中的控制方程可采用亥姆霍茲方程[10](Helmholtz equation)來(lái)描述。亥姆霍茲方程能夠有效和充分地表征超聲波在傳播過(guò)程中的振動(dòng)特性，便于特征頻率的求解，其程表達(dá)式為:

(1)

邊界條件引入超聲速度v，在簡(jiǎn)諧波條件下，其表達(dá)式為:

v=2πfAvcos(2πft)

(2)

式中：f為超聲特征頻率；Av為振動(dòng)幅值；t為時(shí)間。

液壓支架修復(fù)系統(tǒng)中的超聲波動(dòng)特征頻率與機(jī)械系統(tǒng)有相似之處，均具有離散性，同時(shí)也具有自身固有特性，比如，在傳播障礙條件下，特定溫度對(duì)應(yīng)穩(wěn)定波長(zhǎng)，當(dāng)超聲振動(dòng)頻率處于特征頻率時(shí)，將產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，可作為聲場(chǎng)分析的約束條件[11]。因此，基于亥姆霍茲方程的超聲場(chǎng)分析可得出超聲波對(duì)焊接工藝的具體影響。

2.2 模型建立

由于分析目標(biāo)涉及速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和密度場(chǎng)，屬于多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題[12]，為確保模型的收斂性和計(jì)算精度，文中采用COMSOL軟件進(jìn)行超聲場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬。網(wǎng)格精度是決定仿真計(jì)算效率和精度的關(guān)鍵因素，因此，聲場(chǎng)的網(wǎng)格尺寸要與波長(zhǎng)具有相關(guān)性。根據(jù)超聲波的工作頻率，將網(wǎng)格單元尺寸作如下設(shè)定：噴嘴與10 mm直徑等離子弧結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格，外層模型采用六面體網(wǎng)格；總體單元尺寸要求單波長(zhǎng)內(nèi)大于10單元數(shù)量；噴嘴末端的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，確保APL和AL的質(zhì)量。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，通過(guò)網(wǎng)格校驗(yàn)可知，徑向方向的AL網(wǎng)格滿足要求，超聲波吸收性良好。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

2.3.1速度場(chǎng)與密度場(chǎng)

在液壓支架的焊接修復(fù)過(guò)程中，超聲波對(duì)等離子氣體的流速和等離子電弧的電流密度有著重要的影響。在氣流速率為2.8 L/min條件下，可得出速度場(chǎng)和密度場(chǎng)云圖分別如圖6和圖7所示。計(jì)算結(jié)果可以看出：焊縫中心靠近軸向y坐標(biāo)為3 mm附近的氣體速度最大，且沿著徑向r逐漸減??；電流密度在電極中心表面附近最大，最大值與傳感器檢測(cè)值一致，并隨著z方向和r方向坐標(biāo)的增大而減??；等離子氣體的流速與電弧的密度有著密切的內(nèi)在相關(guān)性，在靠近焊縫的區(qū)域以近似相反的變化趨勢(shì)分布；焊縫中心的溫度最高，受熱膨脹和超聲振動(dòng)影響，電弧質(zhì)量密度降低，因此氣體流速增大，而較大的氣流量直接改變聲壓，使得電流密度呈反向變化。

圖6 速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖7 電流密度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

2.3.2聲壓場(chǎng)

在液壓支架的等離子弧焊模型中，超聲振動(dòng)特性可采用聲壓場(chǎng)的形式進(jìn)行表征。通過(guò)有限元計(jì)算，可得出前兩階特征頻率下的聲場(chǎng)響應(yīng)如圖8所示，對(duì)應(yīng)的頻率值分別為15.6 kHz和20.1 kHz，均未超出最大激振頻率25 kHz?？梢钥闯觯涸谝浑A特征頻率振源的作用下，駐波位于遠(yuǎn)離電極位置，但噴嘴的尺寸限制明顯減小了傳播范圍；二階特征頻率振源能夠在電極附近產(chǎn)生駐波，由于邊緣區(qū)域的聲壓較大，使得行波的作用更為明顯，使得熔池的拉伸和晶粒破碎效果更好。由此可見，在該焊接系統(tǒng)的工藝參數(shù)下應(yīng)優(yōu)選20 kHz左右的超聲波頻率，可獲得更佳的焊縫激振效果。

圖8 聲壓場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3 力學(xué)性能

3.1 硬度

表面硬度是決定液壓支架強(qiáng)度和耐磨性的重要參數(shù)之一。一般地，修復(fù)后的支架表面硬度會(huì)顯著提升，但是根據(jù)測(cè)試可知，如果修復(fù)后的硬度過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生明顯的內(nèi)應(yīng)力，誘發(fā)熱裂紋，因此，相比母材硬度不宜超過(guò)50%。若硬度分布不均，則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中問(wèn)題[13]。為驗(yàn)證超聲波對(duì)等離子弧焊接頭硬度的影響效果，設(shè)定超聲激振頻率為20 kHz，制備U-PAW和PAW 2種金相試樣，基于TMVP-1型半自動(dòng)顯微硬度計(jì)對(duì)表面硬度進(jìn)行測(cè)定。設(shè)定加載9.8N，載荷保持時(shí)間為10 s，可得出單層焊縫的測(cè)試結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯阂氤曊駝?dòng)后的單層焊縫層(U-PAW-1)試樣晶粒相比無(wú)超聲振動(dòng)(PAW)焊縫更為細(xì)小，而且壓痕清晰，未出現(xiàn)明顯的微裂紋現(xiàn)象，表明超聲振動(dòng)對(duì)焊縫韌性的提升有著良好的促進(jìn)作用；焊縫中的板條狀馬氏體和珠光體組織均勻分布，平均尺寸低于20 μm。

圖9 單層焊縫中心壓痕形貌

保持工藝參數(shù)不變，增加焊縫熔覆層，可得出2層(U-PAW-2)、3層(U-PAW-3)和4層(U-PAW-4)焊縫沿徑向方向的硬度變化規(guī)律如圖10所示?？梢钥闯觯弘S著熔覆層數(shù)的增大，焊縫的硬度略有減小，但各層的穩(wěn)定性均保持良好，這是由于下層焊縫對(duì)上層焊縫產(chǎn)生預(yù)熱效果，緩解了冷卻時(shí)的應(yīng)力集中問(wèn)題；單層焊縫的平均硬度相比母材提升了44.6%，且未出現(xiàn)硬度不均衡現(xiàn)象，焊接效果良好。

圖10 焊縫硬度沿徑向變化規(guī)律

3.2 殘余應(yīng)力

液壓支架的焊接修復(fù)作為一種重要的熱加工方法，殘余應(yīng)力σc的控制是非常有必要的，研究殘余應(yīng)力的分布規(guī)律對(duì)于焊接與焊后熱處理工藝的優(yōu)化有著重要的指導(dǎo)作用。采用相同的焊接參數(shù)并室溫冷卻后，可檢測(cè)得出PAW和U-PAW 2種條件下的殘余應(yīng)力分布如圖11所示?？梢钥闯觯河捎诘入x子弧焊方式的熱集中效應(yīng)非常顯著，2種焊接方式均在距離焊縫30 mm以外的區(qū)域受熱影響較弱，殘余應(yīng)力較小，幾乎為0；相比PAW方式，引入超聲振動(dòng)后的U-PAW焊縫中心的應(yīng)力峰值在數(shù)值上與其接近，但應(yīng)力方向相反，而且隨著遠(yuǎn)離焊縫近線性遞減；由于超聲波振動(dòng)降低了奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，因此當(dāng)焊縫徑向尺寸大于10 mm時(shí)，U-PAW焊縫的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，有效抵消了焊縫中心的壓應(yīng)力，因此宏觀殘余應(yīng)力更小。

圖11 焊縫殘余應(yīng)力沿徑向變化規(guī)律

3.3 沖擊性能

沖擊韌性是衡量液壓支架突發(fā)性受載后安全性與可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，特別是立柱、千斤頂和活塞桿等零件，應(yīng)具有較高的韌性富余量，否則有可能會(huì)導(dǎo)致活柱彎曲、缸筒漲裂，甚至卡死等事故。文中以超聲等離子弧焊后的標(biāo)準(zhǔn)試樣為例，通過(guò)沖擊試驗(yàn)可計(jì)算出室溫下的沖擊吸收能量為178 J，相比母材提升了45.8%。在掃描電鏡下的斷口形貌如圖12所示，可以看出，補(bǔ)焊后的試樣沖斷后的韌窩[14]相比母材更大，呈拋物線形狀，撕裂棱線較為清晰，表面組織致密，微孔均衡，可有效限制裂紋延伸的馬氏體束的偏角更大，高韌性形貌顯著。

圖12 單層焊縫中心斷口形貌

4 結(jié)論

(1)超聲波對(duì)等離子電弧壓力的影響非常顯著，在4 mm電弧直徑內(nèi)能夠獲得集中和穩(wěn)定的電流密度，有效地減小了支架修復(fù)的熱影響區(qū)范圍；由于超聲振動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)熔池的拉伸和晶粒破碎效果，并改變奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，因此在能量集中的超聲等離子焊接條件下，修復(fù)后的液壓支架可有效抵消殘余應(yīng)力，減小焊后變形。

(2)根據(jù)超聲等離子弧焊模型的有限元分析結(jié)果可知，液壓支架修復(fù)工藝可優(yōu)選20 kHz左右的超聲波頻率，不但能夠獲得最佳的熔池激振效果，而且可顯著提升焊縫的力學(xué)性能；通過(guò)力學(xué)測(cè)試可知，熔覆層的硬度和韌性均優(yōu)于母材，而且在多層修復(fù)條件下，硬度仍保持著良好的均衡狀態(tài)。