楊澤坤，徐鍇，楊戰(zhàn)利，張焱，費(fèi)大奎，周坤，楊永波

(1.中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司,北京,100048；2.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028；3.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司,哈爾濱,150000)

0 序言

纜式焊絲(cable-type welding wire)是由多根實(shí)心或者藥芯焊絲旋轉(zhuǎn)絞合而成，類(lèi)似于麻花辮的新型焊接材料，具有焊接效率高、熱輸入低、設(shè)備可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn)[1].研究人員基于纜式焊絲的電弧特性進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)其電弧會(huì)受到焊絲絞合力釋放和電磁收縮力的作用從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，能夠起到攪拌熔池、細(xì)化晶粒、促進(jìn)氣體逸出的作用[2-4].方臣富等人[5-6]對(duì)纜式焊絲的電弧旋轉(zhuǎn)特性、熔池流動(dòng)行為、熔滴過(guò)渡行為等方面進(jìn)行了深入研究，建立電弧旋轉(zhuǎn)頻率的匹配模型；Chen等人[7-8]發(fā)現(xiàn)因纜式焊絲電弧旋轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致熔滴過(guò)渡時(shí)存在非軸向遷移，使纜式焊絲在電氣焊中出現(xiàn)側(cè)壁熔深增加的現(xiàn)象；Wang等人[9]首次采用纜式焊絲基于冷金屬轉(zhuǎn)移技術(shù)制造薄壁AA5356鋁合金，形成了具有等軸晶的無(wú)缺陷鍍層；Li等人[10]發(fā)現(xiàn)纜式焊絲焊接高氮奧氏體不銹鋼時(shí)，具有較高的穩(wěn)定性，焊接接頭由柱狀?yuàn)W氏體和枝狀鐵素體組成，有效提高接頭的力學(xué)性能，因此，纜式焊絲在GMAW中具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是利用其高效的熔敷特性進(jìn)行中厚板打底和填充焊接，能夠大幅度提高其焊接效率，但是在工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)纜式焊絲GMAW焊縫出現(xiàn)截面?zhèn)绕F(xiàn)象，導(dǎo)致對(duì)接焊時(shí)容易出現(xiàn)不完全熔透，側(cè)面熔合不良，從而弱化焊接接頭的承載能力，增加焊接接頭斷裂風(fēng)險(xiǎn).

文中從纜式焊絲GMAW電弧動(dòng)態(tài)行為入手，利用Rocke TECH高速攝像系統(tǒng)和Image-Pro軟件分析焊縫截面?zhèn)绕淖兓厔?shì)以及影響因素，探索其行為機(jī)理，對(duì)于纜式焊絲的工程化應(yīng)用具有重要意義.

1 試驗(yàn)方法

為了保證試驗(yàn)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，采用KukaKR16型智能弧焊機(jī)器人系統(tǒng)，配備Fronius TPS5000焊接系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等搭建試驗(yàn)平臺(tái).為了增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍，配備依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有移動(dòng)滑軌的外部軸、變位機(jī)等輔助焊接設(shè)備，高速攝像采集系統(tǒng)[11]的幀率設(shè)定為6 000幀/s，實(shí)時(shí)采集不同電流下纜式焊絲GMAW中電弧的變化數(shù)據(jù)，高速攝像機(jī)從電弧后方拍攝焊接過(guò)程中電弧的動(dòng)態(tài)行為，激光光源在攝像機(jī)上方直接照射電弧，壓制弧光亮度，確保能夠識(shí)別出電弧形貌，試驗(yàn)條件和構(gòu)成如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)條件示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental conditions

試驗(yàn)?zāi)覆臑榈吞间?，尺寸?00 mm × 50 mm ×16 mm，焊前清除試板表面的鐵銹、油污和水漬等雜質(zhì).焊材為直徑2.4 mm的纜式焊絲，纜式焊絲由7根直徑為0.8 mm的AWS ER70S-6實(shí)心焊絲旋轉(zhuǎn)絞合而成，焊絲結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)?zāi)覆暮秃附z的化學(xué)成分見(jiàn)表1.焊后垂直于焊接方向截取焊縫截面，使用磨床和砂紙進(jìn)行研磨，經(jīng)拋光機(jī)拋光后采用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行截面腐蝕，通過(guò)宏觀金相測(cè)量焊縫截面?zhèn)绕珨?shù)據(jù).

表1 母材和焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire

圖2 纜式焊絲示意圖[8]Fig.2 Schematic of the CWW.(a) CWW structure diagram;(b) CWW section diagram;(c) CWW physical drawing

經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)和焊縫截面數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，焊接電流的大小是影響焊縫截面?zhèn)绕年P(guān)鍵因素，當(dāng)纜式焊絲GMAW中焊接電流低于300 A時(shí)為短路過(guò)渡，焊縫余高較高，焊縫呈細(xì)長(zhǎng)條狀，容易在焊道兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中；當(dāng)焊接電流超過(guò)480 A時(shí)發(fā)生亞旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡，熔滴混亂的絞合在焊絲端部，導(dǎo)致飛濺增加，焊縫成形變差；當(dāng)焊接電流在380～ 430 A時(shí)獲得穩(wěn)定的噴射過(guò)渡，焊縫成形較好，因此在良好焊縫成形的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析焊縫截面?zhèn)绕袨閷?duì)于纜式焊絲工程化應(yīng)用具有重要意義，選用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2.

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

2 焊縫截面?zhèn)绕F(xiàn)象及機(jī)理分析

2.1 焊縫截面?zhèn)绕F(xiàn)象

基于單一變量法研究不同電流與焊縫截面形貌特征尺寸之間的關(guān)系，從圖3中可以看出焊縫截面存在一定程度的向右側(cè)的側(cè)偏趨勢(shì).采用Image-Pro軟件進(jìn)行焊縫截面?zhèn)绕叽鐪y(cè)量，發(fā)現(xiàn)纜式焊絲GMAW焊縫截面形貌與實(shí)心焊絲相比有明顯不同，其焊縫截面形貌并不是完全居中，而是存在向軸線(xiàn)右側(cè)側(cè)偏的趨勢(shì)，這種偏移的趨勢(shì)會(huì)隨著電流的增加而不斷減弱，焊縫截面?zhèn)绕叽缗c焊接電流之間的關(guān)系如圖4所示.

圖3 不同電流焊縫截面?zhèn)绕F(xiàn)象Fig.3 Morphology of weld section under different currents.(a) 380 A;(b) 390 A;(c) 400 A;(d) 410 A;(e) 420 A;(f) 430 A

圖4 焊縫截面?zhèn)绕兓疐ig.4 Change of side deviation

2.2 焊縫截面?zhèn)绕F(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理分析

基于高速攝像系統(tǒng)對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于纜式焊絲是采用多焊絲旋轉(zhuǎn)絞合而成，外圍分焊絲與中心分焊絲具有一定的螺旋升角，在焊接過(guò)程中，隨著送絲機(jī)的不斷送進(jìn)，焊絲絞制過(guò)程中的機(jī)械旋轉(zhuǎn)力會(huì)沿著逆絞合方向釋放，隨著焊絲的不斷熔化形成持續(xù)的旋轉(zhuǎn)電弧，在電弧旋轉(zhuǎn)力的作用下促進(jìn)熔滴過(guò)渡[12]，旋轉(zhuǎn)電弧中熔滴受力模型如圖5所示，但是圖5(a)的高速攝像圖片中熔滴并未按照焊絲軸線(xiàn)進(jìn)行過(guò)渡，而是與軸線(xiàn)形成一定的角度直接撞擊到熔池中，熔滴在電弧空間高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力與熔池金屬運(yùn)動(dòng)和焊縫成形緊密相關(guān)，在熔滴沖擊力的作用下，引起纜式焊絲焊縫的熔深形貌向右側(cè)傾斜，引起了焊縫截面的側(cè)偏現(xiàn)象.通過(guò)建立圖5(b)中的旋轉(zhuǎn)電弧中熔滴受力模型，分析纜式焊絲GMAW焊縫截面?zhèn)绕袨榈母驹?

圖5 旋轉(zhuǎn)電弧中熔滴受力模型Fig.5 Droplet stress model in rotating arc.(a) high speed camera image;(b) theoretical model

熔滴受力不均是導(dǎo)致纜式焊絲GMAW中的熔滴沒(méi)有沿著焊絲軸線(xiàn)過(guò)渡的根本原因，選用7股直徑?2.4 mm的纜式焊絲絞合方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，依據(jù)高速攝像圖片和理論分析可以確定其在焊接過(guò)程中，由于絞合力的釋放導(dǎo)致電弧旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，因此在旋轉(zhuǎn)電弧的作用下會(huì)產(chǎn)生離心力F1，離心力與旋轉(zhuǎn)電弧相切，均勻的作用在熔滴上，如圖6所示.

圖6 基于旋轉(zhuǎn)電弧的液滴受力分析模型Fig.6 Force analysis model of droplet based on rotating arc

式中：F1為纜式焊絲電弧旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的離心力(N)；r為電弧旋轉(zhuǎn)半徑(mm)；m為物體的質(zhì)量(g)；T為旋轉(zhuǎn)的周期(s).此外，在焊接前進(jìn)方向上存在由空氣產(chǎn)生的阻力，阻力的方向與焊絲前進(jìn)方向相反.

式中：F2為由空氣產(chǎn)生的阻力(N)；C為空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度(g/mL);S為電弧垂直焊道方向的截面積(mm2);v為焊接速度(mm/s).F1和F2二者共同作用到熔滴上，產(chǎn)生的合力F3如圖7所示，可以看出沿著前進(jìn)方向的左右兩側(cè)受力明顯不同，熔滴左側(cè)受到的合力為F3，右側(cè)受到的合力為左側(cè)的合力F3是離心力F1和阻力F2的差，右側(cè)的合力是離心力F1和阻力F2的和，因此可以得出F3.

圖7 不同電流條件的電弧偏移Fig.7 Arc excursion at different currents.(a) arc excursion at 380 A;(b) arc excursion at 400 A;(c) arc excursion at 420 A

綜上所述，通過(guò)建立基于旋轉(zhuǎn)電弧的液滴受力分析模型可知，纜式焊絲GMAW焊縫截面?zhèn)绕谋举|(zhì)原因是由于焊絲獨(dú)特的絞合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熔滴兩側(cè)出現(xiàn)受力不均勻的情況，使熔滴過(guò)渡方向出現(xiàn)向受力較大的右側(cè)傾斜，在熔滴沖擊力的作用下，導(dǎo)致焊縫截面出現(xiàn)側(cè)偏現(xiàn)象.

2.3 焊縫截面?zhèn)绕F(xiàn)象影響因素分析

焊縫截面?zhèn)绕某叽缗c焊接電流的大小密切相關(guān)，當(dāng)焊接電流較小時(shí)，由于纜式焊絲獨(dú)特的絞合結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極斑點(diǎn)無(wú)法持續(xù)在中心絲上穩(wěn)定存在，而是會(huì)基于最小電壓原理隨機(jī)出現(xiàn)在某根分焊絲上，當(dāng)某根分焊絲距離母材最近時(shí)，電弧便會(huì)在這根焊絲端部?jī)?yōu)先起弧燃燒，在電弧熱量的作用下焊絲熔化，導(dǎo)致其距離母材的尺寸增加，因此會(huì)在另一個(gè)距離母材最近的焊絲端部重新起弧.綜上所述，在電弧燃燒過(guò)程中每根分焊絲會(huì)出現(xiàn)交替起弧的現(xiàn)象，起弧的分焊絲端部等離子體密度增加，導(dǎo)致燃弧側(cè)能量偏高，弧柱區(qū)的電流不斷流入陽(yáng)極斑點(diǎn)內(nèi)，導(dǎo)致陽(yáng)極斑點(diǎn)電流密度進(jìn)一步增加，使該側(cè)的金屬蒸氣和保護(hù)氣氛的電離程度要高于其他區(qū)域，陽(yáng)極斑點(diǎn)區(qū)域的金屬蒸氣和保護(hù)氣含量相比于其他區(qū)域而言就會(huì)降低，在電弧空間中壓力差的作用下導(dǎo)致電弧向陽(yáng)極斑點(diǎn)側(cè)偏移，從圖7中可以看出，電弧每隔0.5 ms就會(huì)發(fā)生隨機(jī)偏置，因此電弧會(huì)隨著陽(yáng)極斑點(diǎn)的跳動(dòng)從而發(fā)生偏移，相同過(guò)程實(shí)時(shí)發(fā)生在每一瞬間，從宏觀上看，其電弧在整個(gè)焊接過(guò)程中表現(xiàn)為呈圓周狀不規(guī)則跳動(dòng)的特點(diǎn).如圖8所示，當(dāng)電流為380 A時(shí)，2 ms內(nèi)電弧的直徑為8.02 mm，此時(shí)電弧直徑較大，電弧能量密度較低，因此其電弧力較小，對(duì)于液態(tài)熔滴沿焊絲軸線(xiàn)方向過(guò)渡的束縛力較小，因此在電弧旋轉(zhuǎn)力和空氣阻力的作用下，熔滴在焊絲徑向受到的合力大于焊絲在軸向的合力，從而使得熔滴下落的軌跡偏離焊絲軸線(xiàn)方向，與焊絲軸線(xiàn)方向產(chǎn)生一定的角度，其示意圖如圖5(b)所示.隨著焊接電流的增加，由于熔化極氣體保護(hù)焊的恒壓特性，為了穩(wěn)定電壓而增加送絲速度，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)陽(yáng)極斑點(diǎn)的跳動(dòng)頻率增加，電弧自身的電磁強(qiáng)度和拘束力增加，導(dǎo)致電弧的挺直性增加，在相同采集幀數(shù)下，當(dāng)電流為420 A時(shí)，2 ms內(nèi)的電弧直徑為6.21 mm，電弧能量密度提高，對(duì)液態(tài)熔滴的拘束增強(qiáng)，使熔滴更容易沿著焊絲軸向過(guò)渡，導(dǎo)致焊縫的截面形貌逐漸趨于軸向?qū)ΨQ(chēng).

圖8 不同電流下2 ms內(nèi)電弧直徑的變化Fig.8 Change of arc diameter under different current of 2 ms

3 結(jié)論

(1)基于纜式焊絲旋轉(zhuǎn)電弧受力建立分析模型描述側(cè)偏現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)特性引起熔滴受力不均，熔滴進(jìn)入熔池的角度與焊絲軸線(xiàn)存在一定的角度差，在熔滴沖擊力的作用下導(dǎo)致焊縫截面發(fā)生側(cè)偏.

(2)焊接電流是影響纜式焊絲GMAW焊縫截面?zhèn)绕年P(guān)鍵因素，隨著電流的增加，截面?zhèn)绕内厔?shì)減弱.由于纜式焊絲交替起弧特性導(dǎo)致陽(yáng)極斑點(diǎn)不規(guī)則移動(dòng)，在電弧空間壓力差的作用下導(dǎo)致電弧周期性偏置引起電弧密度降低，因此在小電流時(shí)焊縫截面?zhèn)绕用黠@，隨著焊接電流的增大，電弧對(duì)熔滴的拘束增強(qiáng)，使熔滴更容易沿著焊絲軸向過(guò)渡，從而使焊縫的熔深截面形貌逐漸趨于軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng).