鋁合金VPPA-MIG復(fù)合焊接電弧形態(tài)及伏安特性

洪海濤，　韓永全，　童嘉暉，　龐世剛

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特　010051)

摘　要：試驗(yàn)使用VPPA-MIG復(fù)合焊方法對鋁合金進(jìn)行對接試驗(yàn). 通過高速攝像和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取復(fù)合電弧形態(tài)和伏安特性. 結(jié)果表明,由于磁場間的耦合作用，在VPPA正極性階段電弧相互排斥，反極性階段相互吸引，采取外加橫向交變磁場，電弧擺動(dòng)幅度明顯減小. 由于MIG焊電弧的存在，等離子電弧伏安特性發(fā)生了改變. 弧柱氣氛更容易電離，使得等離子電弧電壓下降. 等離子電流較小時(shí)，電弧電壓隨MIG焊電流的增加而降低；等離子電流較大時(shí)，隨著MIG焊電流進(jìn)一步增加，電弧電壓降低程度有所減少. 試驗(yàn)結(jié)果為實(shí)現(xiàn)厚板鋁合金高效焊接及其電弧耦合機(jī)理研究提供理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：變極性等離子弧-熔化極氣體保護(hù)復(fù)合焊接；電弧形態(tài)；伏安特性；鋁合金

中圖分類號(hào)：TG456.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0253-360X(2016)09-0065-05

0　序　　言

鋁合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛. VPPA-MIG(變極性等離子弧-熔化極氣體保護(hù))復(fù)合焊接發(fā)揮了MIG焊生產(chǎn)效率高，工藝參數(shù)選擇區(qū)間寬以及VPPA焊接能量密度高，電弧挺度大、穿透深度大的優(yōu)點(diǎn)[1]，彌補(bǔ)單MIG焊熔深淺、單VPPA焊只能采用立焊且工藝穩(wěn)定性區(qū)間窄的不足，能夠降低對工件總的熱輸入量，減小焊接變形，從而可以實(shí)現(xiàn)鋁合金高效高質(zhì)量焊接.

同軸式等離子-MIG焊工藝最早于20世紀(jì)70年代由荷蘭PHILIPS公司研發(fā)中心Essers和Liefken等人[2]提出. 與常規(guī)熔化極氣體保護(hù)焊相比，焊絲、熔滴以及電弧都包圍在等離子弧內(nèi)部. 具有熔敷效率高、飛濺小等優(yōu)點(diǎn)[3,4]，適合于中等厚度板材的焊接以及薄板的高速焊. Hertel等人[5]模擬了等離子-MIG電弧、熔滴過渡和熔池流動(dòng). Oliveira等人[6]建立了等離子-MIG復(fù)合焊電學(xué)模型. Asai等人[7]將等離子-MIG應(yīng)用于銅和鋼異種材料焊接. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)白巖、高洪明等人[8,9]研究了復(fù)合焊接參數(shù)對氣孔的影響并建立仿真模型. 楊濤等人[10]推導(dǎo)出復(fù)合電弧焊接增量型PID控制算法,實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合電弧焊接過程控制并且該算法能夠滿足對電源外特性的要求. 路浩[11]研究了復(fù)合焊接電流對熔滴過渡類型的影響. 北京工業(yè)大學(xué)陳樹君等人[12]研究了復(fù)合焊在不同焊接參數(shù)下最佳熔滴過渡方式以及復(fù)合焊接電弧耦合關(guān)系. 沈陽工業(yè)大學(xué)張義順等人[13]設(shè)計(jì)制作了Plasma-MIG焊接PLC控制系統(tǒng)和焊槍. 田云等人[14]研究焊接電流變化對鋁合金焊縫成形和組織的影響.

由于上述研究均采用同軸式Plasma-MIG復(fù)合焊槍，即MIG導(dǎo)電嘴位于作為等離子電極碳環(huán)內(nèi)部，等離子壓縮噴嘴尺寸較大，不利于產(chǎn)生能量密度高的等離子弧. 此外文獻(xiàn)中研究的對象多為碳鋼，使用的設(shè)備均為直流等離子電源. 為了降低等離子電弧和MIG電弧之間的相互耦合作用，將槍體結(jié)構(gòu)改為旁軸式，使得等離子壓縮噴嘴尺寸較小，能夠更好的壓縮電弧，使電弧能量分布集中，有利于深熔焊的實(shí)現(xiàn). 另外使用具有陰極清理作用的變極性等離子焊接電源，能夠有效去除致密氧化膜，特別適用于鋁合金的焊接.

試驗(yàn)通過高速攝像和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究VPPA-MIG復(fù)合焊電弧形態(tài)以及MIG焊電弧對等離子電弧伏安特性的影響.

1　試驗(yàn)方法

VPPA-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)由VPPA電源、Fronius TPS5000脈沖焊機(jī)、PLT復(fù)合焊槍和Kuka機(jī)器人組成. 電弧特性采集分析系統(tǒng)由Red Lake Y4高速攝像和NI PXIe-1062Q高速數(shù)據(jù)采集卡組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1　VPPA-MIG焊接電弧特性分析系統(tǒng)

Fig.1　Arc characteristics of VPPA-MIG analysis system

采用10 mm 3003鋁合金作為母材進(jìn)行焊接試驗(yàn). 試驗(yàn)參數(shù)如表1所示,5183焊絲直徑1.2 mm,鎢極直徑3.2 mm，內(nèi)縮量2.8 mm，等離子壓縮噴嘴3.2 mm；焊槍端部至工件距離4 mm；焊接速度500 mm/min;離子氣體流量2 L/min, MIG焊保護(hù)氣體流量12 L/min,總體保護(hù)氣體流量21 L/min,均為氬氣.

表1　試驗(yàn)參數(shù)

Table 1　Welding parameters

組別正極性電流IDCEN/A反極性電流IDCEP/AMIG焊電流IMIG/AMIG焊電壓UMIG/V112016822023.8290-27022.6390*-00490*-16015.3590*-19017690*-22023.878012020022.8

*注:等離子電流100 A,110 A,120 A,130 A,140 A,150 A分別與MIG電流0 A,160 A,190 A,220 A組成試驗(yàn)參數(shù)

2　VPPA-MIG復(fù)合電弧形態(tài)

試驗(yàn)采用高速攝像對VPPA-MIG復(fù)合電弧形態(tài)進(jìn)行采集，如圖2所示. 試驗(yàn)參數(shù)見表1第1組，其中高速攝像采樣頻率為2 000 幅/s，曝光時(shí)間498 μs，鏡頭前加裝中灰鏡組，避免強(qiáng)弧光損壞相機(jī)感光元件. 從圖2中可以看出，當(dāng)?shù)入x子電弧處于DCEN階段(正極性階段)時(shí)，VPPA電弧和MIG電弧相互排斥；DCEP階段(反極性階段)時(shí)，兩電弧相互吸引. 當(dāng)?shù)入x子電弧處于正極性階段時(shí)，鎢極作為陰極容易發(fā)射電子，使得等離子電弧比較集中,加熱半徑較小. 當(dāng)處于反極性階段時(shí)，陰極為鋁合金試件，由于氧化膜的電子逸出功較低，陰極斑點(diǎn)在氧化膜間跳動(dòng)，使得電弧相對發(fā)散并且加熱半徑變大[15,16].

圖2　VPPA-MIG復(fù)合電弧形態(tài)

Fig.2　Arc shapes of VPPA-MIG

電弧的本質(zhì)是氣體放電，會(huì)在電弧弧柱周圍感應(yīng)出磁場. 復(fù)合電弧在不同階段的磁感線分布如圖3，圖4所示. 由于MIG焊的電流方向保持不變，使得電弧磁場產(chǎn)生的磁感線方向不變. VPPA電弧周期性的改變電流方向，使得磁感線方向也隨之變化.

圖3　DCEN時(shí)復(fù)合電弧磁感線分布

Fig.3　Magnetic induction lines distribution of hybrid arc when DCEN

圖4　DCEP時(shí)復(fù)合電弧磁感線分布

Fig.4　Magnetic induction lines distribution of hybrid arc when DCEP

由于電弧磁感線在空間中不均勻分布，很難按照左手定則判斷其所受安培力的方向. 根據(jù)磁感線在其長度的垂直方向上要盡量膨脹這一性質(zhì)，安培力的方向從磁感線密度高的區(qū)域指向磁感線密度低的區(qū)域. 由于弧柱是可以自由變形的柔性導(dǎo)體，在安培力的作用下電弧會(huì)偏離其軸向位置. 在正極性階段，VPPA和MIG電弧產(chǎn)生的磁感線方向均垂直于紙面向外，使得在耦合區(qū)域磁感線密度增高，產(chǎn)生的安培力方向指向復(fù)合電弧兩側(cè)，宏觀表現(xiàn)為電弧相互排斥. 在反極性階段，由于VPPA電流方向改變，在耦合區(qū)域產(chǎn)生的磁感線方向垂直于紙面向內(nèi)，使得磁感線密度降低，產(chǎn)生的安培力方向指向電弧中心，兩電弧相互吸引. 由于壓縮的VPPA電弧挺度較大，與MIG電弧相比，其受安培力偏離電極軸線幅度較小.

由于電弧自身產(chǎn)生的電磁耦合作用，導(dǎo)致電弧擺動(dòng)劇烈，嚴(yán)重干擾電弧穩(wěn)定性，使得能量不能有效集中的作用于熔池，產(chǎn)生大量飛濺. 通過在焊槍噴嘴處外加磁頭，在耦合區(qū)域產(chǎn)生與電弧自身磁感線方向相反的橫向交變磁場，補(bǔ)償因磁感線密度變化產(chǎn)生的附加安培力，電弧穩(wěn)定性得到了提高. 圖5所示為增加外部磁場后的復(fù)合電弧形態(tài)，電弧擺動(dòng)程度得到明顯抑制.

圖5　增加外部磁場后的復(fù)合電弧形態(tài)

Fig.5　Hybrid arc shapes after applied outer magnetic

電弧在焊接方向上周期性小幅度擺動(dòng)，迫使熔池金屬流動(dòng)，對熔池起到一定的攪拌作用，使晶粒得到細(xì)化，熔池中氣體更容易溢出，改善焊縫力學(xué)性能. 同時(shí)熔滴在焊接方向上受到周期橫向磁場作用，可以緩解因較高焊接速度產(chǎn)生的咬邊傾向，使得焊縫成形較為光滑.

3　VPPA-MIG復(fù)合電弧伏安特性

對于VPPA-MIG復(fù)合焊接方法，由于兩電弧集中作用在有限空間內(nèi)，使得其伏安特性不同于單一電弧. 圖6為等離子電弧電流電壓波形. 試驗(yàn)參數(shù)為表1第2組. 從0 s時(shí)刻起兩電弧同時(shí)存在，2.5 s后關(guān)閉MIG電源，觀察MIG電弧對等離子電弧的影響. 從圖6中可以看出，加入MIG電弧后，等離子電弧電壓下降，焊接電流上升.

電弧中的電子和陽離子不僅沿電場力的方向移動(dòng)，同時(shí)還做不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)向弧柱外圍擴(kuò)散. 電子與外圍中性粒子多次碰撞形成陰離子，使弧柱區(qū)陽離子受到陰離子吸引向外移動(dòng)發(fā)生復(fù)合. 為了保持電弧氣氛的熱平衡，弧柱中心熱電離水平會(huì)相應(yīng)增加，在穩(wěn)定狀態(tài)下通過改變電源輸出功率來補(bǔ)償這部分的熱損失. 由于MIG電弧的存在，等離子弧柱外圍溫度相應(yīng)升高，降低了陽離子和陰離子復(fù)合的趨勢，導(dǎo)致弧柱中心熱電離水平降低，電源補(bǔ)償相應(yīng)減少. 對試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到MIG電弧的加入使得等離子電流上升33 %，電壓下降40 %，電源補(bǔ)償水平總體降低.

圖6　等離子電弧電流電壓波形

Fig.6　Current and voltage waveforms of PAW

在MIG焊接中，熔化的電極材料向母材過渡熔滴，部分蒸發(fā)的金屬進(jìn)入弧柱后，改變了電弧的導(dǎo)電氣氛，從而使得等離子電弧特性發(fā)生變化. 根據(jù)SAHA提出的單氣體存在時(shí)的熱電離公式[17],即

(1)

式中:ne為電子密度;nn為中性粒子密度;Vi為電離電位;T為弧柱溫度. 在弧柱氣氛中，各種粒子處于熱平衡狀態(tài)，具有相同的平均溫度. 金屬原子與惰性氣體相比電離電位低，根據(jù)式(1)，蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬原子更容易電離. 在混合氣體中，電離產(chǎn)生的所有電子共用，并與正負(fù)兩種粒子相平衡，使電離電位低的氣體比同一總壓下單氣體存在時(shí)的電離更強(qiáng)一些，電離電位高的氣體要更弱一些. 在等離子-MIG復(fù)合焊接中，弧柱氣氛中同時(shí)存在金屬粒子和惰性氣體粒子，與單獨(dú)等離子焊接相比，金屬粒子電離相比更加容易. 為保持和原來相同的電離度，惰性氣體原子電離數(shù)量減少，電位梯度降低，等離子電弧電壓降低. 由于等離子電源的輸出為陡降外特性，電弧電壓降低導(dǎo)致焊接電流升高.

將采集到的等離子電弧電壓信號(hào)取平均值，得到MIG電流對等離子電弧電壓的影響，如圖7所示. 試驗(yàn)參數(shù)為表1第3～6組. 從圖7中可以看出，MIG焊電流不變時(shí)，電弧電壓隨等離子電流的增加而增加. 等離子電流較小時(shí)，電弧電壓隨MIG焊電流的增加而降低；等離子電流較大時(shí)，隨著MIG焊電流進(jìn)一步增加，電弧電壓降低程度有所減少.

圖7　MIG電流對等離子電弧電壓的影響

Fig.7　Influence of PAW arc voltage to MIG current

等離子電流較小時(shí)，隨著MIG焊電流的增加，混入弧柱中的金屬蒸氣增多，金屬原子電離數(shù)量增加，導(dǎo)致電位梯度下降. 隨著等離子電流進(jìn)一步增大，等離子電弧受到強(qiáng)烈電磁壓縮效應(yīng)作用，電流密度增大. 當(dāng)弧柱中陽離子密度增大到一定程度時(shí)，離子碰撞截面增加，弧柱導(dǎo)電率達(dá)到飽和后反而下降，由于金屬原子電離所起的作用有限，因此電位梯度降低程度有所減少.

單獨(dú)MIG焊由于電弧未經(jīng)壓縮，加熱面積大且能量密度和電弧穿透力有限，常需多層多道才能實(shí)現(xiàn)厚板鋁合金的焊接. VPPA-MIG復(fù)合焊可以彌補(bǔ)單MIG焊熔深淺的不足. 選用10 mm 3003鋁合金作為母材進(jìn)行對焊試驗(yàn)，焊縫宏觀形貌如圖8所示.

圖8　復(fù)合焊接焊縫宏觀形貌

Fig.8　Hybrid welding macro appearance

焊接參數(shù)根據(jù)上述VPPA-MIG復(fù)合電弧伏安特性規(guī)律選擇：等離子正極性電流120 A，反極性電流168 A，正反極性時(shí)間比20∶4，MIG焊電流300 A；離子氣體流量3.5 L/min，MIG焊保護(hù)氣體流量16 L/min，總體保護(hù)氣體流量30 L/min；焊接速度600 mm/min，噴嘴與工件距離10 mm，板間距2 mm，背面加墊板. 從圖8中可以看出，焊縫成形良好，在加入等離子電弧后，焊縫更容易產(chǎn)生較大的熔深. 等離子電弧挺度大且能量集中，在熔池前端先形成匙孔. MIG焊電弧弧柱相對發(fā)散且熔敷效率高，在熔池后端充分填充匙孔. 由于焊縫成形受到熔滴過渡等諸多因素的影響，需要進(jìn)一步研究復(fù)合焊成形機(jī)理，以提高厚板鋁合金焊接接頭性能.

4　結(jié)　　論

(1) 由于磁場間的相互耦合作用，電弧在焊接方向上周期性擺動(dòng). 等離子電弧正極性階段兩電弧相互排斥，反極性階段相互吸引. 通過在焊槍噴嘴處外加磁頭，在耦合區(qū)域產(chǎn)生與電弧自身磁感線方向相反的橫向交變磁場，補(bǔ)償因磁感線密度變化產(chǎn)生的附加安培力，使得電弧擺動(dòng)幅度明顯減小.

(2) 加入MIG電弧后，等離子電弧電壓下降，電流上升. 等離子電流較小時(shí)，電弧電壓隨MIG焊電流的增加而降低；等離子電流較大時(shí)，隨著MIG焊電流進(jìn)一步增加，電弧電壓降低程度有所減少. 上述發(fā)現(xiàn)對復(fù)合焊接參數(shù)的選擇及其熱源能量的控制提供理論依據(jù).

(3) 實(shí)現(xiàn)了10 mm 3003鋁合金VPPA-MIG復(fù)合焊接工藝. 焊接參數(shù)為等離子正極性電流120 A，反極性電流168 A，正反極性時(shí)間比20∶4，MIG焊電流300 A；離子氣體流量3.5 L/min，MIG焊保護(hù)氣體流量16 L/min，總體保護(hù)氣體流量30 L/min；焊接速度600 mm/min. 焊縫成形良好，在加入等離子電弧后，焊縫更容易產(chǎn)生較大的熔深.

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收稿日期：2015-01-26

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365032);內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(B20141012801Z)

作者簡介：洪海濤，男，1988年出生，博士研究生. 主要研究方向?yàn)殇X合金復(fù)合焊接過程質(zhì)量控制. 發(fā)表論文5篇.Email：269299485@qq.com

通訊作者：韓永全，男，博士,教授.Email: nmhyq@sina.com