超声MAG复合焊接的熔滴过渡行为_焊接熔滴过渡

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超声-MAG复合焊接的熔滴过渡行为

超声-MAG复合焊接的熔滴过渡行为 超声-MAG复合焊接的熔滴过渡行为 范成磊1，姚庆泰1,2，谢伟峰1，庄小威3，杨春利1，林三宝1(1.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011;3.中国航天科技集团公司川南机械厂，泸州 646000)摘 要： 文中对低碳钢超声-MAG焊接熔滴过渡行为做了系统分析.试验主要关注在超声作用下，低碳钢焊接中熔滴过渡行为的变化.对熔滴过渡过程进行观测和分析.结果表明，超声波会使MAG焊熔滴过渡分布区间发生改变，短路过渡对电压电流的适应性更强，大滴过渡电压升高，中等电流电压下不稳定的过渡得到一定程度的改善；对于不同的过渡形式，超声均可以增加其熔滴过渡频率，改变熔滴尺寸及形态，使熔滴以更小的尺寸、更高的频率过渡到熔池中；与普通MAG焊相比，超声-MAG焊的电流信号波动较小，熔滴过渡过程更稳定.该分析对于超声辅助电弧焊接技术的发展与应用是一个重要补充.关键词： 超声-MAG焊接；熔滴过渡；过渡频率；熔滴尺寸 0 序 言 熔化极活性混合气体保护焊(MAG焊)既利用惰性气体良好的保护作用又利用活性气体的氧化性和电离作用[1]，实际应用中具有更大优越性.在含有CO2气体保护的MAG焊中，随CO2气体含量的增加电磁力对熔滴过渡的促进作用会越来越小，甚至阻碍熔滴过渡，焊缝冲击韧性也不断下降.因此，控制熔滴在MAG焊中更稳定有效的过渡是保证焊接稳定和接头质量的关键.近年来发展的脉冲焊接[2]、双电极MIG焊[3]、磁控焊[4]和超声电弧复合焊[5]等均通过熔滴上增加附加力促进熔滴过渡，已显示出良好效果.基于前期研究[5-7]，将超声引入MIG焊可实现超声对熔滴过渡的调控，能保证熔滴有效过渡到熔池.然而，对超声辅助MAG焊还未见文献报道.探索超声对MAG焊熔滴影响并实现更加稳定的焊接过程，对超声辅助焊接技术实际推广更具现实意义.另外，由于MAG焊过程中保护气体成分的改变，特别是CO2分解效应致使电磁力的作用更加突出.对超声辐射力对能否同样显示出良好的调控效果的理论分析很难实现，所以针对超声辅助MAG复合焊接(U-MAG)的试验研究，对深入MAG焊熔滴调控可以打下良好理论基础.文章在大量试验基础上，对超声促进熔滴过渡的范围内，超声在U-MAG焊短路过渡、大滴过渡和射滴过渡过程中作用进行分析.1 试验方法 选择平板堆焊试验，板材料为Q235低碳钢，焊丝(H08Mn2SiA)直径为1.2 mm.超声电源的最大输出功率为2 000 W，超声频率20 kHz.图1为U-MAG复合焊接系统示意图.试验中采用CamRecord 5000×2高速摄像机实现电弧和熔滴形态的数据采集.电流和电压信号分别通过LT1005-S霍尔电流传感器和LV28-P型电压传感器采集.图1 U-MAG焊接系统示意图Fig.1 Schematic of U-MAG welding test system 挑选最佳声场参数[7]：变幅杆端面直径28 mm，辐射端高30 mm，端面振幅35 μm以及喷嘴距工件高度11 mm.前期试验结果发现当保护气体中CO2含量达到并超过20%时超声波对熔滴的过渡行为是不利的[8]，文中主要分析在超声波促进熔滴过渡的保护气体成分(Ar-8%CO2)内，通过控制焊接工艺参数，分析普通MAG焊接和U-MAG焊接下的短路过渡、大滴过渡以及射滴过渡形式中的熔滴过渡特点.试验参数根据不同过渡形式而定.2 试验结果与分析 2.1 过渡规范区间的变化 在一定焊接条件下熔滴过渡的形式是由焊接电压和焊接电流决定的，对普通MAG焊和U-MAG复合焊在不同的焊接电压电流下进行对比试验，可得到超声波对熔滴过渡规范区间的整体影响.试验具体工艺参数见表1，保护气体流量为25 L/min.表1 熔滴过渡规范区间试验工艺参数

Table 1 Welding parameters for standard interval test组别焊接速度v/(m·min-1)送丝速度vf/(m·min-1)焊接电压U/V20．42．514～2810．41．516～2420．42．514～2830．43．516～3040．44．516～3050．45．518～3460．46．520～3470．47．524～3480．48．526～3490．49．530～34 按表1中参数进行试验并对电信号采集，不同电压和电流条件下普通MAG和U-MAG焊的熔滴过渡区间如图2所示，主要的过渡形式有：不稳定过渡、短路过渡、混合过渡、大滴过渡和射滴过渡.统计结果显示超声波对MAG焊的熔滴过渡的整体区间产生了显著影响.最明显的是短路区间得到了扩展，在普通MAG焊过程中短路过渡是低电压电流时呈现的一种稳定的过渡形式，当电压电流升高时会出现短路—大滴混合过渡或大滴过渡.而在U-MAG焊接中这种转变电压电流均得到了提高，使得短路过渡具有更好的参数适应性.根据试验中统计的两种焊接方法中不稳定过渡的分布可以看出，超声波对低电流高电压时的不稳定过渡有改善作用.上述现象是由于在U-MAG复合焊接过程中电弧被超声波压缩，使得在更高的电压电流下能实现稳定的过渡.而在大滴过渡时短路过渡转变为大滴过渡电压升高的原因是由于电弧被压缩造成了需要更高的电压来得到足够的弧长进而实现大滴过渡.图2 熔滴过渡分布区间Fig.2 Specification of short circuiting transfer 2.2 短路过渡行为 短路过渡具有明显的周期性：燃弧、熔滴长大、短路熄弧、颈缩、小桥爆断.焊接过程中短路频率越高，焊接过程越稳定.试验过程中送丝速度选取4.0和4.5 m/min，配合19～29 V的焊接电压，对短路频率进行统计，结果如图3所示.当焊接电压低于19 V时无法实现短路焊接过程，因此不予以统计.从图3中可看出不同焊接电压下两种送丝速度中U-MAG焊接短路过渡频率总是要高于普通MAG焊接，U-MAG焊接可以获得更高的短路过渡频率进而增强短路过程的稳定性；短路频率均随焊接电压的升高而降低，从频率分布情况可看出U-MAG焊接的短路频率的变化更平缓一些；当焊接电压升至25 V以上时，两种送丝速度下普通MAG焊接过程短路过渡模式消失，但U-MAG焊接仍能实现短路过渡.图3 短路过渡频率Fig.3 Frequency of short circuiting transfer 焊接电压在22～25 V区间内时，普通MAG焊短路过渡频率很低，约为5 Hz左右，焊接稳定性较差.U-MAG焊短路过渡频率在16 Hz左右，比普通MAG焊提升了两倍以上，焊接稳定性显著提高.图4为送丝速度4.5 m/min，焊接电压25 V时两种焊接方法短路过渡熔滴形态.从图4中发现超声可使电弧发生压缩，熔滴体积减小.由于过渡前熔滴体积直接关系到短路爆断的稳定性，熔滴体积过大时缩颈位置接近熔池，爆断后挂在焊丝端部的液态金属更容易被甩出形成飞溅，因此超声波能够减少飞溅.电信号如图5所示，短路频率在超声波作用下明显提高，由普通MAG焊的5 Hz提升至16 Hz.对比短路峰值电流发现U-MAG焊短路过程中能到达的峰值电流为320 A，低于普通MAG焊的375 A，短路峰值电流过大可能会使液柱在未形成缩颈时就爆断，从而引起大量飞溅，故U-MAG焊飞溅量较MAG焊更少.图4 短路过渡熔滴形态Fig.4 Droplet form of short circuiting transfer 图5 短路过渡电流信号Fig.5 Current waveforms in short circuiting transfer 2.3 大滴过渡行为 在大滴过渡过程中决定熔滴过渡频率大小的焊接工艺参数为焊接电流，选取不同送丝速度进行对比试验，送丝速度选取3.5至6.0 m/min并每次调节0.5 m/min，普通MAG焊的焊接电压选取29～32 V，由于超声波对电弧有压缩作用，在进行对比试验时为保证弧长相等，U-MAG焊接的电压选取比普通MAG焊低1～2 V左右.不同送丝速度下两种焊接方法熔滴过渡频率的统计结果如图6所示.对比发现两种焊接方式下大滴过渡频率均随送丝速度的升高而升高，在送丝速度为6.5 m/min左右实现大滴过渡向射滴过渡的转变；而在相同送丝速度下，U-MAG焊接过渡频率总是高于普通MAG焊接，随着送丝速度的增加,U-MAG焊熔滴过渡频率的增长速度也要大于普通MAG焊.由此可以看出超声波可有效的促进熔滴过渡.图7为不同电流参数下两种焊接方式的熔滴形态对比，从图中可以发现在大滴过渡过程中，普通MAG焊的熔滴形状近似球状，而U-MAG焊的熔滴形状发生了沿焊丝方向上的变形，变成了椭球形；两种焊接方式下熔滴尺寸均随着电流的升高而减小，而且U-MAG焊的熔滴尺寸明显小于普通MAG焊.对送丝速度为5.0 m/min的焊接过程的电信号采集如图8所示.可以看出相同送丝速度时，U-MAG焊的电流波动频率要高于普通MAG焊，即熔滴过渡频率得到了提高.U-MAG焊接的电流波动在个别时段接近普通MAG焊时的电流波动，但大部分时间内U-MAG焊电流波动更小.由于电流的波动直接关系到焊接过程的稳定性，因此可以认为在超声波的作用下熔滴过渡稳定性得到提高.图6 大滴过渡频率Fig.6 Frequency of droplet transfer 图7 不同送丝速度下熔滴形态对比Fig.7 Droplet form of droplet transfer 图8 大滴过渡电流信号Fig.8 Current waveforms in droplet transfer 2.4 射滴过渡行为 随着焊接电流的增加，熔滴过渡过程突然变得十分稳定并出现明显的跳弧现象，此时熔滴过渡模式就进入了大电流下的射滴过渡.送丝速度选取7.5 m/min，焊接电压选取28和32 V进行试验，其熔滴形态如图9所示.试验发现，当焊接电压为28 V时，施加超声后，熔滴由喷射过渡转变为固体短路.这是由于超声对电弧的压缩作用压缩了熔滴过渡空间，在很高的送丝速度下焊丝直接与熔池产生固体短路.而在此电压下普通MAG焊接过程很稳定，焊丝端部呈“铅笔尖”状的端头一个跟着一个脱落过渡且频率保持在150 Hz以上，熔滴过渡尺寸小于焊丝直径.当焊接电压为32 V时，由于普通MAG焊电弧深入喷嘴内部，故无法拍摄到其熔滴过渡全部过程，而U-MAG焊的焊丝端部仍然为“铅笔尖”状，熔滴以很小的尺寸沿焊丝轴线方向过渡到熔池，过渡频率约为300 Hz，比较发现施加超声后熔滴尺寸更小、过渡频率更高.对焊接电压为32 V时的电信号采集如图10所示.对比发现，U-MAG焊接的电流信号波动幅度较小，这表明在较高的电压下超声波可以使稳定的喷射过渡过程变得更加稳定.图9 射滴过渡熔滴形态对比Fig.9 Droplet form of in spray transfer 图10 射滴过渡电流信号Fig.10 Current waveforms in spray transfer 3 结 论(1)通过对熔滴过渡规范区间的分析发现，和普通MAG焊相比，超声波的加入会使熔滴过渡分布区间发生明显改变.短路过渡对电压电流的适应性更强，滴状过渡电压升高，中等电流电压下不稳定的过渡得到一定程度的改善.(2)对于三种熔滴过渡形式，超声波均可以有效的促进熔滴过渡，改变熔滴形状，使熔滴能够以更小的尺寸、更高的频率过渡到熔池中；与普通MAG焊相比，U-MAG焊的电流信号波动幅度较小，熔滴过渡的稳定性有了一定程度的提高.参考文献： [1] 杨春利, 林三宝.电弧焊基础[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2003.[][] [2] Kim Y S, Eagar T W.Metal transfer in pulsed current gas metal arc welding[J].Welding Journal, 1993, 72(7): 279s-287s.[3] Shi Y, Liu X, Zhang Y M, et al.Analysis of metal transfer and correlated influences in dual-bypa GMAW of aluminum[J].Welding Journal, 2008, 87(9): 229-236.[4] Tarasov N M.Energy calculations of the proce of separation of the electrode metal droplets under the effect of the pulse of the external magnetic field[J].Avt Svarka, 1984(6): 21-25.[5] 孙清洁, 杨春利, 林三宝, 等.超声钨极氩弧复合焊金属熔化行为分析[J].焊接学报, 2010，31(3): 41-44.Sun Qingjie, Yang Chunli, Lin Sanbao, et al.Research on melting metal behavior of ultrasonic-tungsten inert gas welding[J].Transactions of the China Welding Institution, 2010，31(3): 41-44.[6] 范成磊, 谢伟峰, 杨春利, 等.铝合金超声-MIG焊接电弧行为[J].焊接学报, 2014, 35(1): 5-8.Fan Chenglei, Xie Weifeng, Yang Chunli, et al.Characteristics of welding arc during ultrasound-MIG hybrid welding of aluminum alloy[J].Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(1): 5-8.[7] Fan Y Y, Yang C L, Lin S B, et al.Ultrasonic wave aisted GMAW[J].Welding Journal, 2012, 91(3): 91s-99s.[8] 范阳阳.超声-GMAW复合焊接方法及其熔滴过渡行为研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.收稿日期： 2015-12-14 基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51275134)中图分类号： TG 456 文献标识码： A doi:10.12073/j.hjxb.20151214004 作者简介： 范成磊，男，1976年出生，博士,副教授.主要从事焊接过程控制及高效焊接的研究.已发表论文40 余篇.Email: fclwh@hit.edu.cn