低頻相位對雙絲雙脈沖GMAW 熔滴過渡和焊縫成形的影響

吳開源，陳梓威，黃浩，謝沛民

(華南理工大學(xué),廣州,510640)

0 序言

雙絲熔化極氣體保護焊(gas metal arc welding,GMAW)可以獲得比單絲GMAW 更高的焊接速度和熔敷率，提高了焊接效率[1-3].Liu 等人[4]研究了雙絲間距和電弧長度對雙絲脈沖窄間隙GMAW 的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)碾p絲間距和電弧長度可以提高焊接過程穩(wěn)定性.

雙脈沖GMAW 通過對高頻脈沖進行低頻調(diào)制，從而將高頻脈沖形成周期性的低頻強弱脈沖群，通過低頻脈沖產(chǎn)生的振蕩，可以改善熱輸入，提高熔池的攪拌效果，提高焊接質(zhì)量[5-6]，且雙脈沖比單脈沖的可調(diào)參數(shù)更豐富[7].Yu 等人[8]借助強弱脈沖交替對雙脈沖GMAW 熔池進行攪拌，減少了熱輸入，獲得了更小、更均勻的晶粒以及更高的顯微硬度.

目前已經(jīng)有學(xué)者分別研究了雙絲和雙脈沖對焊接過程的影響.雙絲雙脈沖GMAW 結(jié)合雙絲高效焊和雙脈沖高質(zhì)量焊的優(yōu)點，可以同時提高焊接效率和焊縫成形質(zhì)量[9]，但是目前對雙絲雙脈沖GMAW 的研究不多.Wu 等人[10]研究了不同高頻脈沖相位作用下鋁合金雙絲雙脈沖GMAW，結(jié)果表明，高頻脈沖相位會對熔滴過渡特性產(chǎn)生影響.但是目前還沒有高頻同步下低頻相位對熔滴過渡和焊縫成形影響的相關(guān)研究報道.

根據(jù)鋁合金焊接特性，探究雙絲雙脈沖GMAW在高頻同步下低頻同步和交替模式的焊接效果.通過高速攝影對低頻同步和交替模式的熔滴過渡過程進行分析.研究結(jié)果可以為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，以提高雙絲雙脈沖GMAW 在鋁合金焊接中的應(yīng)用和生產(chǎn)效率.

1 試驗方法

采用平板堆焊，AA6061 鋁合金母材和ER4043焊絲的化學(xué)成分如表1 所示.表2 為試驗所用的焊接工藝參數(shù).圖1 為試驗系統(tǒng)的原理圖，主要由焊接試驗系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)和數(shù)字示波器3 部分組成.由圖1 可見，高速攝影系統(tǒng)收集熔滴過渡圖像，數(shù)字示波器采集電弧電壓和焊接電流波形.表3 為高頻同步下低頻同步和交替模式的焊接電流參數(shù).圖2為高頻同步下低頻同步和交替模式的雙絲雙脈沖電流波形示意圖.

圖1 雙絲雙脈沖GMAW 焊系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of double-wire double pulsed GMAW system

表1 母材和焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

表3 雙絲雙脈沖電流參數(shù)Table 3 Double-wire double pulsed current parameters

由圖2 可知，同步模式高頻和低頻相位相同，主、從機同時為強脈沖群或弱脈沖群；交替模式高頻相位相同，低頻相位交替，主機為強脈沖群時，從機為弱脈沖群.主機為弱脈沖群時，從機為強脈沖群.

圖2 雙絲雙脈沖電流波形Fig.2 Double-wire double pulsed current waveforms.(a) synchronous mode;(b) alternating mode

2 低頻相位對熔滴過渡的影響

2.1 同步模式

2.1.1 強脈沖階段

圖3 為同步模式下主機和從機同時處于強脈沖階段的電壓和電流波形.從圖3 可知，在1 530 ms處主機和從機電流同時進入強脈沖的峰值階段，主機電流280 A，從機電流260 A，保持8 ms 后同時切換到基值階段，電流均切換為85 A，后面依次切換.在主機和從機的峰值和基值階段，主機和從機電壓均保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過程穩(wěn)定.

圖3 同步模式下主機和從機強脈沖階段電壓和電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms during master strong and slave strong pulse period in synchronous mode

圖4 為1 530～ 1 549 ms 一個脈沖周期的熔滴過渡高速攝影圖.由圖4 可知，從1 530 ms 開始，主機和從機電流同時進入峰值階段，開始燃弧.在1 536 ms 附近主絲熔滴先脫落，而從機電流小，從絲熔化速度慢，1 537 ms 附近從絲熔滴才脫落；先脫落的主絲熔滴在重力和主絲電弧作用下加速下降，同時受從絲的電弧作用力作用，逐漸向從絲靠攏，并最終在1 540 ms 附近和從絲熔滴碰撞融合，成為更大的橢圓形熔滴.該熔滴在重力和電弧力的作用下，向熔池過渡.因為熔滴體積增大，會對熔池產(chǎn)生較大的沖擊，產(chǎn)生較大的飛濺.

圖4 同步模式下主機和從機強脈沖階段高速圖像Fig.4 High-speed picture during master strong and slave strong pulse period in synchronous mode.(a) 1 530 ms ;(b)1 531 ms;(c) 1 532 ms;(d) 1 533 ms;(e) 1 534 ms;(f) 1 535 ms;(g) 1 536 ms;(h) 1 537 ms;(i) 1 538 ms;(j) 1 539 ms；(k) 1 540 ms;(l) 1 541ms ;(m) 1 542 ms;(n) 1 543 ms;(o) 1 544 ms;(p) 1 545 ms;(q) 1 546 ms;(r) 1 547 ms;(s) 1 548 ms;(t) 1 549 ms

2.1.2 弱脈沖階段

圖5 為同步模式下主機和從機同時處于弱脈沖階段的電壓和電流波形.由圖5 可知，主機和從機在1 270 ms 進入弱脈沖峰值階段，主機電流245 A，從機電流225 A，并在保持6 ms 后切換到基值階段，電流均切換為75 A.10 ms 后切換回峰值階段，后續(xù)依次切換.在主機和從機的峰值和基值階段，主機和從機電壓均保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過程穩(wěn)定.

圖5 同步模式下主機和從機弱脈沖階電壓和電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms during master weak and slave weak pulse period in synchronous mode

圖6 為1 270～ 1 285 ms 一個脈沖周期的熔滴過渡高速攝影圖.從圖6 可知，主機和從機在1 270 ms進入峰值階段，開始燃弧，主機在1 275 ms 附近熔滴開始脫落.從機電流小，從絲熔化速度慢，在1 276 ms 附近熔滴開始脫落，脫落后的主絲熔滴在重力和主絲電弧作用下加速下降.同時，受從絲電弧作用力的作用，主絲熔滴會逐漸向從絲靠近.在1 283 ms 處和從絲熔滴融合，體積增大，在向熔池過渡的過程中，會對熔池產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生大的飛濺.

圖6 同步模式下主機和從機弱脈沖階段高速圖像Fig.6 High-speed picture during master weak and slave weak pulse period in synchronous mode.(a) 1 270 ms;(b) 1 271 ms;(c) 1 272 ms;(d) 1 273 ms ;(e) 1 274 ms;(f) 1 275 ms;(g) 1 276 ms;(h) 1 277 ms;(i) 1 278 ms;(j) 1 279 ms;(k) 1 280 ms;(l) 1 281 ms;(m) 1 282 ms ;(n) 1 283 ms;(o) 1 284 ms;(p) 1 285 ms

2.2 交替模式

2.2.1 強脈沖階段

圖7 為交替模式下主機處于強脈沖階段.從機處于弱脈沖階段的電壓和電流波形.從圖7 可知，主機4 496 ms 進入強脈沖的峰值階段，電流保持為280 A，從機進入弱脈沖的峰值階段，電流保持為225 A，比同步模式下的260 A 更小，并都在保持8 ms后切換到各自的基值階段，12 ms 后又都切換回峰值階段，后面依次切換.在主機和從機的峰值和基值階段，主機和從機電壓均保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過程穩(wěn)定.

圖7 交替模式下主機強脈沖和從機弱脈沖階段電壓和電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms during master strong and slave weak pulse period in alternating mode

圖8 為4 496～ 4 515 ms 一個脈沖周期的熔滴過渡高速攝影圖.從圖8 可知，從4 496 ms 開始，主機和從機電流同時進入峰值階段，開始燃弧，主絲熔滴在4 502 ms 附近開始脫落.從機電流為225 A，比同步模式下的260 A 更小，從絲熔滴在4 504 ms附近才開始脫落，主、從絲熔滴下落的時間間隔2 ms 比同步模式的1 ms 大.主絲熔滴脫落后會在重力和主絲電弧的作用下加速下落.在從絲電弧的作用下產(chǎn)生一個向右的加速度，于是主絲熔滴逐漸向從絲靠攏，在4 506 ms 時與從絲熔滴發(fā)生碰撞.但此時從機電流比低頻同步模式電流小，從絲熔滴脫落的更晚，因此在下落的過程中相互錯開的時間更大.所以只有部分熔滴在碰撞后融合，還有部分熔滴沒有融合.于是熔滴分成體積較小的兩部分過渡到熔池，產(chǎn)生的沖擊比一次性全部撞擊到熔池小，避免了飛濺的產(chǎn)生.

圖8 交替模式下主機強脈沖和從機弱脈沖階段高速圖像Fig.8 High-speed picture during master strong and slave weak pulse period in alternating mode.(a) 4 496 ms;(b) 4 497 ms;(c) 4 498 ms ;(d) 4 499 ms;(e) 4 500 ms;(f) 4 501 ms;(g) 4 502 ms ;(h) 4 503 ms;(i) 4 504 ms;(j) 4 505 ms;(k) 4 506 ms;(l) 4 507 ms;(m) 4 508 ms;(n) 4 509 ms;(o) 4 510 ms;(p) 4 511 ms;(q) 4 512 ms;(r) 4 513 ms;(s) 4 514 ms;(t) 4 515 ms

2.2.2 弱脈沖階段

圖9 為交替模式下主機處于弱脈沖階段、從機處于強脈沖階段的電壓和電流波形.由圖9 可知，主機在3 152 ms 進入弱脈沖峰值階段，主機電流為245 A，同時從機進入強脈沖的峰值階段，從機電流為260 A，并都在保持6 ms 后切換到基值階段，主機電流為75 A，從機電流為85 A.10 ms 后切換回峰值階段，從機電流始終比主機電流大，后面依次切換.在主機和從機的峰值和基值階段，主機和從機電壓均保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過程穩(wěn)定.

圖9 交替模式下主機弱脈沖和從機強脈沖階段電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms during master weak and slave strong pulse period in alternating mode

圖10 為3 152～ 3 167 ms 一個脈沖周期的熔滴過渡高速攝影圖.由圖10 可知，從3 152 ms 開始，主機和從機電流同時進入峰值階段，開始燃弧.在3 157 ms 附近，從絲熔滴開始脫落，而主機峰值電流和基值電流都比從機電流小，主絲熔滴在3 159 ms附近才開始脫落.主、從絲熔滴脫落的時間間隔為2 ms，時間間隔比同步模式的大1 ms.脫落后的熔滴運動軌跡雖然有所交錯，但是時間上能很好的錯開，并分兩次進入熔池，減少碰撞，基本保持了各自脫落時的熔滴大小.然后，分別過渡到熔池中，對熔池的沖擊較小，減少了飛濺.

圖10 交替模式下主機弱脈沖和從機強脈沖階段高速圖像Fig.10 High-speed picture during master weak and slave strong pulse period in alternating mode.(a) 3 152 ms;(b) 3 153 ms ;(c) 3 154 ms;(d) 3 155 ms;(e) 3 156 ms;(f) 3 157 ms;(g) 3 158 ms;(h) 3 159 ms;(i) 3 160 ms;(j) 3 161 ms;(k) 3 162 ms;(l) 3 163 ms;(m) 3 164 ms;(n) 3 165 ms;(o) 3 166 ms;(p) 3 167 ms

3 焊縫成形

取焊縫的一段縱截面，測量10 個位置處的焊縫余高，其測量結(jié)果如表4 所示.從表4 可知，同步模式焊縫余高方差大于交替模式，交替模式下焊縫的平整性更好.圖11 為低頻相位下同步和交替模式的焊縫.由圖11 可知，相比于同步模式，交替模式的飛濺和咬邊更少.這是因為不同模式主、從絲熔滴從焊絲上脫落的先后時間不同，熔滴脫落之間存在一個時間間隔.同步模式下主、從絲熔滴脫落的時間間隔為1 ms，交替模式下主、從絲熔滴脫落的時間間隔為2 ms,交替模式下主、從絲熔滴脫落時間間隔比同步模式下主、從絲熔滴脫落時間間隔大.交替模式下先脫落的熔滴可以先一步到達熔池，后脫落的熔滴脫落的更慢.運動軌跡雖然都有所交錯，但是時間上能更好的錯開，減少了熔滴碰撞融合的概率，從而減少了大體積熔滴對熔池的沖擊的概率和飛濺，魚鱗紋規(guī)則，焊縫成形美觀.

圖11 低頻相位焊縫成形Fig.11 Weld formation in low-frequency phase.(a)synchronous mode;(b) alternating mode

表4 低頻相位焊縫余高Table 4 Weld reinforcement in low-frequency phase

4 結(jié)論

(1) 通過對高速攝影圖像分析可知，同步模式下強脈沖階段和弱脈沖階段均存在熔滴碰撞融合，產(chǎn)生的大熔滴會對熔池產(chǎn)生沖擊，造成飛濺.

(2) 相對于同步模式，交替模式強脈沖階段和弱脈沖階段熔滴脫落的先后時間間隔增大，主、從絲熔滴碰撞的概率降低，熔滴可以先后進入熔池，減少了大熔滴造成的飛濺.

(3) 相對于同步模式，交替模式下得到的焊縫平整性更好，余高方差更小，魚鱗紋規(guī)則，成形美觀.