耐候钢Q450NQR1深熔GMAW电弧行为_张明华.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 1 2-1 0耐候钢Q 4 5 0 N Q R 1深熔GMAW电弧行为张明华*1,2,张乾超1,黄秀培1,易 冉3,冯存义3,洪 波1,2(1.湘潭大学 机械工程学院,湖南 湘潭 4 1 1 1 0 5;2.焊接机器人及应用技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 4 1 1 1 0 5;3.中车株洲车辆有限公司,湖南 株洲 4 1 2 0 0 3)摘要:分别采用深熔GMAW和脉冲MA G对耐候钢Q 4 5 0 NQ R 1进行了焊接试验,焊接过程中采集电流、电压及其对应的电弧图像,观察和分析了电弧形态和焊缝成型,同时基于图像处理考察了深熔GMAW焊接电流和焊接速度对电弧行为、焊缝成型的影响.结果表明:相比脉冲MA G,深熔GMAW电弧能量更集中,热源位置下降,焊缝熔深增加,且焊缝几何对称性较好;随着深熔GMAW焊接电流的增加和焊接速度的降低,电弧面积减小,边缘周长变短,质心位置下降,焊缝熔透深度增加;焊接电流3 1 5A、焊接速度6 5 0mm/m i n时焊接电弧最为稳定,焊缝成型质量也最好.采用优化的焊接工艺完成了1 2mm厚Q 4 5 0 NQ R 1钢板材的单面焊双面成型,焊缝成型较好,接头各区域无软化和脆化现象.关键词:深熔GMAW;高速摄像;电弧形态;图像处理;焊缝成型中图分类号:T G 4 4 2 文献标志码:AA r cb e h a v i o ro fd e e pp e n e t r a t i o nGMAWo fw e a t h e r i n gs t e e lQ 4 5 0 N Q R 1Z HAN G M i n g-h u a1,2,Z HAN GQ i a n-c h a o1,HUANGX i u-p e i1,Y IR a n3F E N GC u n-y i3,HONGB o1,2(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,X i a n g t a nU n i v e r s i t y,X i a n g t a n 4 1 1 1 0 5,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fW e l d i n gR o b o ta n dA p p l i c a t i o nT e c h n o l o g yo fH u n a nP r o v i n c e,X i a n g t a n 4 1 1 1 0 5,C h i n a;3.C h i n aR a i l w a yR o l l i n gS t o c kC o r p o r a t i o nZ h u z h o uC o.L t d.,Z h u z h o u 4 1 2 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h ew e a t h e r i n gs t e e lQ 4 5 0 NQ R 1w a sw e l d e ds e p a r a t e l yb yu s i n gt h ed e e pp e n e t r a t i o nGMAWa n dp u l s eMAG.T h ew e l d i n gc u r r e n t,v o l t a g e a n d t h e c o r r e s p o n d i n ga r c i m a g ed u r i n g t h ew e l d i n gw a s c o l-l e c t e d.T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed y n a m i cb e h a v i o ro f t h ew e l d i n ga r ca n dt h ew e l d f o r m a t i o nw a sa n a-l y z e db yp r o c e s s i n ga r c i m a g e.A t t h e s a m e t i m e,t h e i n f l u e n c eo f t h ed i f f e r e n tw e l d i n gc u r r e n t a n dw e l d i n gs p e e du n d e r t h ed e e pp e n e t r a t i o nGMAWo nt h ea r cb e h a v i o r a n dt h ew e l d f o r m a t i o nw a s r e s e a r c h e d.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t c o m p a r e dw i t hp u l s e dMAG,d e e pp e n e t r a t i o nGMAWh a sm o r ec o n c e n t r a t e da r ce n-e r g y,l o w e rh e a t s o u r c ep o s i t i o n,i n c r e a s e dw e l dp e n e t r a t i o n,a n dg o o dw e l dg e o m e t r i c s y mm e t r y;d u r i n gd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g,a s t h ew e l d i n gc u r r e n t i n c r e a s e sa n dt h ew e l d i n gs p e e dd e c r e a s e s,t h ea r ca r e ad e c r e a s e s,t h ea r ce d g ep e r i m e t e rb e c o m e ss h o r t e r,t h ea r cc e n t r o i dp o s i t i o nd r o p s,a n dt h ep e n e t r a t i o nd e p t ho f t h ew e l d i n c r e a s e s;Wh e nt h ew e l d i n gc u r r e n t i s3 1 5Aa n dw e l d i n gs p e e di s6 5 0mm/m i n,t h ew e l d i n ga r c i s t h em o s t s t a b l e,a n d t h ew e l ds e a mf o r m i n gq u a l i t y i s a l s o t h eb e s t.T h e s i n g l e-s i d ew e l d i n ga n dd o u b l e-s i d e f o r m i n go fQ 4 5 0 NQ R 1s t e e ls h e e tw i t h1 2mmt h i c k n e s si sc o m p l e t e db yt h eo p t i m i z e dw e l d i n gp r o c e s s,t h ew e l d i sw e l l f o r m e d,a n dt h e r e i sn os o f t e n i n ga n de m b r i t t l e m e n t i ne a c ha r e ao f t h ej o i n t s.K e yw o r d s:d e e pp e n e t r a t i o nGMA W;h i g hs p e e dc a m e r a;a r cb e h a v i o r;i m a g ep r o c e s s i n g;w e l d f o r m a t i o n 收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 1 通讯作者:张明华(1 9 7 8-),女,甘肃兰州人,博士,讲师,硕导.E m a i l:m h z h a n g x t u.e d u.c n Q 4 5 0 NQ R 1钢是一种耐候钢,具备耐大气腐蚀、强度高、成本低和使用寿命长等特性,是铁路车辆的主要用钢1.随着铁路车辆向高速、重载的发展需求,车体所用板材厚度逐渐增加,为了满足高效第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3率、高质量且成本低的焊接需求,目前对Q 4 5 0 N Q R 1中厚板焊接主要采用熔化极活性气体保护焊(m e t a la c t i v eg a s a r cw e l d i n g,MA G),但在实际生产过程中,焊缝中存在熔透不足、气孔和夹杂缺陷等.因此,迫切需要发展新型高效深熔焊方法来满足此类焊接需求.深熔GMAW是在常规GMAW基础上通过提高电弧中等离子压力、增大母材熔透深度的一种深熔焊方法2-3.J a i rC a r l o sD u t r a等2采用GMAW进行深熔焊研究,认为深熔焊时熔池表面小坑的出现是由于电弧位置的下降导致的.吴向阳等4对S MA 4 9 0 BW耐候钢进行了深熔焊,指出深熔焊接头组织相比MA G更为理想.杨宝林等5对P 3 5 5 N L 1钢深熔焊接头的力学性能进行了研究,提到深熔焊接头力学性能优于MAG.兰志宇等6进行了深熔GMAW在液压支架上应用的可行性研究,认为采用深熔焊能有效提高焊接效率.目前,深熔GMAW在中厚板的焊接应用中已取得了良好的表现,但对于其焊接物理过程的研究还比较少,鲜有对其焊接电弧行为的深入研究.高速摄像焊接电弧和电信号多信息同步采集结合MAT L A B图像处理,有利于焊接电弧物理过程的研究7-8,李桓等7建立了适合拍摄熔化极电弧焊熔滴过渡的高速摄像系统,对焊接过程电弧形态的高速摄像技术有较高的参考价值.杨运强等9利用多路计算机数据采集方法配合相应传感器,同步采集了与电弧形态相关的焊接电流、电弧电压等信息.郭波等1 0提出了C a n n y算子电弧特征提取的改进算法,有效地对焊接电弧进行边缘识别和特征提取.于英飞等1 1选取传统电弧图像处理算法构建了具有良好抗干扰性的电弧图像批处理程序.电弧行为是所有电弧焊接的重要因素,增进对电弧类型和电弧固有特性的了解,能够帮助提高焊接预测和焊接质量,并降低焊接成本和生产时间1 2-1 3.本文采用自行搭建的焊接电弧图像及电信号同步采集试验平台,通过图像处理程序对深熔GMA W电弧形态进行定性和定量表征,分析了电弧动态变化和焊缝成型的对应关系.1 试验方法深熔GMAW焊接电源采用一元化控制的全数字化EWM-F o r c e A r c超威弧焊机,MAG焊使用P a n a s i o n i c Y D-3 5 0 G LW型焊机.电弧图像拍摄使用德国C P 8 0-3-M-5 4 0高速相机,镜头前端安装型号为F S 0 4-B P 8 0 8 2 0、中心波长为4 6 0n m的滤波片,拍摄帧频为1 0k p s(千帧/秒),曝光时间3 0s.焊接过程中霍尔传感器和电压收集器同时触发,将焊接电流、电弧电压数据传输到N I数据采集卡,采集频率为5 0k H z;同时采用自由触发模式同步拍摄电弧形态,实现高速电弧图像拍摄的过程中同步记录焊接电流、电压信号,试验系统如图1所示.图1 试验系统F i g.1 S c h e m a t i cd i a g