焊剂片约束电弧焊接三明治板熔滴过渡与熔池波动研究_乔及森.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学基金（）（）：.焊剂片约束电弧焊接三明治板熔滴过渡与熔池波动研究乔及森，杨元庄，王 磊，高振云，冯 睿，兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 针对焊剂片约束电弧（）焊接高强钢三明治板熔池研究难点，采用侧边贴敷耐高温石英玻璃片方法，采集焊接动态过程信息，实现熔池边缘曲线的提取与特征参数的计算，研究不同参数下熔滴过渡模式及熔池边缘曲线波动情况，分析熔池振荡角与焊接稳定性及焊缝成形之间的关系。结果表明：不同参数下 焊接存在短路过渡、粗滴过渡、排斥过渡、细滴过渡、射滴过渡、弧桥并存过渡六种过渡方式，对芯板内熔池边缘波动的影响依次减弱；随着熔池振荡角变化，熔池边缘曲线形状存在混合 形、深 形及浅 形，电弧燃烧稳定性依次增强；当焊接处于弧桥并存过渡模式、熔池边缘曲线为浅 形时，电弧稳定燃烧，电弧力作用均匀，焊接过程稳定，焊缝质量最好。关键词 焊剂片约束电弧焊接 熔滴过渡模式 熔池边缘曲线 熔池振荡角 焊接稳定性中图分类号：文献标识码：，（），引言 型金属三明治板是由上、下面板和芯板组成的中空轻量型结构件，在实现轻量化及节能环保方面具有较高的应用潜力。现有三明治板制造工艺主要以激光焊接为主，但由于激光焊热源类型和功率限制，在搭接焊接面板与芯板时焊缝宽度不足，而常规焊接方法存在焊枪难以到达焊接位置根部、电弧易沿坡口攀升等问题，不能保证接头质量。本工作利用焊剂片约束电弧（，）焊接方法进行 型高强钢三明治板的制造，由于焊剂片的近绝缘性、固壁约束、热压缩及自保护作用，焊接能有效防止窄间隙焊接电弧攀升，获得成形优良的 形接头，同时显著提高接头力学性能，具有经济、高效等优点。目前对 焊接三明治板的研究主要侧重于焊接工艺、电弧行为、温度场及应力场的模拟计算等，熔池研究尚未涉及。熔池形态决定了焊缝形状，与液态金属冶金反应、凝固及结晶等过程密切相关，会影响焊缝中的缺陷、金相组织及综合力学性能，同时熔池内包含大量焊接及焊缝信息，对信息进行提取与应用将为熔池模拟工作及整个焊接过程智能化控制研究提供重大突破。目前对焊接过程研究的方法主要包括：光谱法、电信号法、声信号法、有限元模拟、高速摄像实时观测以及多种方法结合方式等。本工作采用耐高温石英玻璃片代替面板侧壁约束，利用高速摄像技术、电信号（电弧电压及焊接电流）采集系统及图像处理技术对 焊接进行正前方与侧方信息采集，分析熔池边缘曲线、提取边缘特征参数，探究不同参数下熔滴过渡模式及熔池波动情况，分析特征参数与焊接稳定性及焊缝成形之间的关系，为进一步研究 焊接提供理论支持。实验试验主要包括焊接系统、高速摄像系统以及电信号采集系统，焊接示意图如图 所示。焊接系统主要由型号为 的 焊接机器人及配套 送丝系统、焊接电源组成。高速摄像系统包括 型 高速摄像机、短焦距微距镜头、激光背光源、滤光片等。电信号采集系统选用 型数据采集卡及电压、电流霍尔传感器。图 焊接示意图：（）型三明治板；（）焊接 形接头；（）焊接工艺及焊剂片贴敷方式；（）侧边贴敷耐高温石英玻璃片焊接；（）高速摄像及电信号采集系统 ：（）；（）；（）；（）；（）试验选用 低合金高强钢、直径 的 焊丝，焊枪角度前倾，在 坡口宽度内进行 焊接。由于高强钢三明治板结构特殊性，采用 厚耐高温石英玻璃代替一侧面板并贴附于芯板表面，通过架设不同工位高速摄像机进行焊接过程观测，其中 号工位高速摄像机与坡口呈水平放置，进行焊接方向正前方观测，号工位高速摄像机透过石英玻璃进行焊接方向侧方观测，如图 所示。试样经线切割制作成两块 的钢板，采用丙酮溶液去除表面油污，酒精擦拭并恒温干燥保存。焊剂片成分如表 所示，焊剂片受电弧热作用分解，提供 保护气氛，分解物质能有效抑制焊缝中、等含量，同时具有抑制电弧攀升、压缩电弧的作用，能显著提高焊缝质量。试验采用控制变量法对不同焊接参数下熔滴过渡及熔池波动进行研究，具体试验参数如表 所示。表 焊剂片成分 成分大理石萤石钛铁氧化钛云母纯碱其他质量分数 表 焊接试验参数 试验参数焊接速度 焊接电压焊接电流数值，焊接过程图像与熔池边缘曲线提取及定义由于 焊接弧光影响，试验在采集焊接动态过程图像中使用相应波长滤光片配合激光背光源，得到了较为清晰的图像信息，如图、所示。对焊接过程进行观测，电弧稳定燃烧后，焊剂片首先受热熔化，形成保护气氛，电弧受焊剂片约束作用于面板侧壁与芯板。焊丝熔滴、焊剂片液滴与液态母材一同形成熔池，随着焊接过程的进行，电弧向前移动，熔池形成一定形状。电弧移动中，由于焊枪保持一定角度，电弧下方熔池受电弧压力作用向熔池尾部运动，在电弧力、表面张力、自身重力等力的作用下，与熔池前端保持一定的液面差，形成熔池后方高于前端的几何形状，随着电弧的继续移动，熔池后方凝固，前方继续重复上述过程。试验利用图像处理技术对图像依次进行 选取、二值化处理及边缘提取等，熔池边缘曲线提取如图 所示。图（）正前方观测焊接过程图像；（）侧边观测焊接过程图像及熔池边缘曲线提取 （）；（）为便于研究熔池边缘曲线特征参数与焊接稳定性之间的关系，如图 所示，根据侧边采集焊接图像建立熔池边缘曲线简化模型，其中直线 为面板与芯板的交界线，点、点为熔池边缘曲线与交界线的交点，点为电弧作用芯板最低点，定义夹角 为熔池振荡角a，不同焊接工艺下，焊剂片约束电弧行为存在较大差异，电弧形貌决定了作用在熔滴、熔池上的热和力，进而影响熔滴过渡模式及熔池波动程度，熔池振荡角能反映出焊剂片约束电弧的作用范围，熔池振荡角变化能反映出熔池波动程度，熔池振荡角的提取与分析对描述焊接状态、讨论焊接过程稳定性、反映焊缝质量信息具有较高的参考意义。图 熔池边缘曲线及简化模型 材料导报，（）：结果与分析 焊接电压对熔滴过渡及熔池波动影响设置焊接电流为 ，采集不同焊接电压下正前方、侧方焊接图像及电信号波形。焊接电压 时，由图 与图 可知，熔滴接触熔池并出现息弧现象，同时根据图 电信号波形变化可知，电信号呈周期性急剧变化，燃弧与短路交替进行，频率约 ，分析为短路过渡状态。当处于短路状态时，熔池受表面张力等作用，导致熔池边缘波动。电压为 时，随着焊接过程进行，熔滴在重力、等离子流力、电磁收缩力、斑点压力、表面张力等作用下逐渐长大，当熔滴达到一定尺寸后呈粗滴滴落，如图 所示，电流、电压波形波动较大，存在短暂短路现象，分析为粗滴过渡模式。由于熔滴滴落对熔池的冲击力，熔池边缘波动明显。图 不同焊接电压下侧边熔池原始形貌 图 正前方观测焊接过程图像：（）；（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）；（）焊接电压为 时，如图 所示，无明显的熔滴滴落，电弧燃烧较为稳定，由图 可知，在电弧上方出现奶酪状焊剂片熔融物，焊剂片液滴与焊丝熔滴熔合，并连接面板侧壁与玻璃片，形成弧桥并存状态，电弧约束在弧桥下方燃烧，焊丝熔滴与焊剂片液滴在表面张力及电弧等离子流产生的剪切力作用下粘附于侧壁并淌入熔池中，定义此时熔滴过渡方式为弧桥并存过渡。由于熔滴沿侧边淌入熔池，对熔池的冲击作用显著降低，熔池边缘波动较小，电弧燃烧稳定。焊接电压为 时，通过图像分析，焊接过程与 相似，熔滴过渡方式为弧桥并存过渡，但由于热输入增大，焊丝熔化效率增大，熔滴沿侧壁流淌速度增大，熔池边缘波动相对 时较大。弧桥并存状态下的电信号波形如图、所示，波形稳定，焊接过程稳定。焊接电压为 时，弧长较长，焊剂片燃烧充分，在 时存在熔滴向一边偏移的现象，根据图、图 分析，由于坡口较窄，熔滴长大过程中存在瞬时接触面板并发生短路的现象，电弧电压呈现出非周期性瞬时下降现象，表现为排斥过渡模式。熔池受熔滴冲击力影响，边缘波动相对于 、更明显。焊接电流对熔滴过渡及熔池波动的影响设置焊接电压为 ，采集不同焊接电流下正前方、侧方的焊接图像及电信号波形。焊剂片约束电弧焊接三明治板熔滴过渡与熔池波动研究 乔及森等 图 电信号波形：（）；（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）；（）图 不同焊接电流下侧边熔池原始形貌 图 正前方观测焊接过程图像：（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）焊接电流为 时，电弧力较小，焊剂片燃烧不充分，在图 及图 中，熔滴呈大滴滴落，结合图 电信号波形可知，此时焊接状态与 时相似，熔滴过渡形式为粗滴过渡，并伴随瞬时短路现象。焊接电流为 时，电弧力增大，电弧作用熔池的长度及深度增大，在电弧作用空间内存在明显的熔滴长大与滴落现象，结合图 可知，短路现象减小，熔滴过渡形式表现为粗滴过渡，熔池受较大熔滴撞击，波动较为明显。焊接电流为 时，由图 及图 可知，熔滴尺寸较小，结合图 电信号波形可知，熔滴过渡形式为细滴过渡，熔滴持续不断撞击熔池，同时电弧压力增大，熔池反向作用增强，熔池边缘曲线呈现周期性往复变化。焊接电流为 时，由图 可知，焊丝接触芯板并未出现熄弧现象，结合图 可知，此时电弧大部分在熔池空腔内燃烧，处于潜弧状态，熔滴以更小的尺寸、更快的频率持续作用于熔池，电弧作用深度增大，结合电信号波形，熔滴过渡形式为射滴过渡，电弧处于准稳定状态，焊接过程较为稳定。焊接状态与焊缝形貌分析为便于研究熔池波动，对边缘曲线进行“归一化”处理，即将相同焊接参数下不同时刻的熔池边缘曲线建立在同一坐标系下，分析芯板内熔池边缘波动与特征参数变化，将面板与芯板连接交界处设置为，交界线以下反映电弧作材料导报，（）：图 电信号波形：（）；（）；（）；（）：（）；（）；（）；（）用深度，由于存在坡口内熔融物回流现象，电弧作用深度并不代表芯板熔深。熔池边缘曲线“归一化”图像如图、图 所示，图中统计点 分别对应图、图 中相应时刻。图 不同焊接电压下芯板内熔池表面波动曲线“归一化”：（）；（）；（）；（）；（）（电子版为彩图）：（）；（）；（）；（）；（）图 不同焊接电流下芯板内熔池表面波动曲线“归一化”：（）；（）；（）；（）（电子版为彩图）：（）；（）；（）；（）图 为不同焊接电压下不同时刻的熔池振荡角汇总及平均值与变异系数变化，变异系数是反映数据离散程度的绝对值，振荡角变异系数越小，芯板内熔池波动越小，由图 可知，在、时的弧桥并存过渡下，熔池振荡角数值较大，电弧稳定燃烧，电弧力持续作用熔池表面，因为熔滴沿侧壁流入熔池，表现为电弧下方的液态金属增多，电弧作用深度较小，同时熔池受熔滴冲击力较小，电弧力占据主导作用，电弧热作用均匀。通过特征参数平均值及变异系数可知，、时熔池振荡角平均值大于，熔池边缘曲线呈浅 形，变异系数分别为 、，数值较小，电弧持续燃烧，焊接过程稳定。时，处于粗滴过渡模式，熔滴在电磁力及自身重力等作用下撞击熔池，导致熔池产生波动，但熔滴并非持续撞击，在熔滴重新长大过程中熔池出现回流，使电弧后方熔池边缘曲线波动较大，熔池边缘曲线呈现深 与浅 混合形状，振荡角平均值为 ，由于电弧作用深度及长度同时变化，振荡角变异系数较小。焊接电压为 时，母材热输入较小，芯板熔化较少，熔滴接触熔池时边缘曲线变化较大，振荡角剧烈波动，变异系数达到最大值，电弧不稳定燃烧。焊接电压 时，电弧作用面积增大，焊剂片约束作用降低，熔池受电弧力与熔滴冲击力共同作用，排斥过渡时的熔滴较小，对熔池冲击及电弧燃烧影响相对较小，振荡角较大，由图 可知，振荡角平均值为，变异系数增大至 。焊剂片约束电弧焊接三明治板熔滴过渡与熔池波动研究 乔及森等 图 不同焊接电压下（）熔池振荡角变化和（）熔池振荡角平均值及变异系数 （）（）图 为不同焊接电流下不同时刻的熔池振荡角汇总及平均值与变异系数变化，由图 可知，在 时，弧桥并存过渡下熔池振荡角数值较大，通过特征参数平均值及变异系数可知，熔池振荡角平均值达到最大 ，变异系数为 ，电弧持续燃烧，焊接过程稳定。在 时，振荡角平均值次于 ，为 ，此时焊剂片约束作用较小，熔滴呈粗滴过渡形式进入熔池，存在回流现象，虽然振荡角变异系数较小，但熔池边缘曲线变化较大，与焊接电压为 时的现象相似。电流为 时，焊剂片约束作用增强，同时热输入及电弧力增大，电弧作用的深度增大，熔池振荡角平均值 。由于熔滴冲击，振荡角