吳開(kāi)源，陳梓威，黃浩，謝沛民

(華南理工大學(xué),廣州,510640)

0 序言

雙絲熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding,GMAW)可以獲得比單絲GMAW 更高的焊接速度和熔敷率，提高了焊接效率[1-3].Liu 等人[4]研究了雙絲間距和電弧長(zhǎng)度對(duì)雙絲脈沖窄間隙GMAW 的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)碾p絲間距和電弧長(zhǎng)度可以提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性.

雙脈沖GMAW 通過(guò)對(duì)高頻脈沖進(jìn)行低頻調(diào)制，從而將高頻脈沖形成周期性的低頻強(qiáng)弱脈沖群，通過(guò)低頻脈沖產(chǎn)生的振蕩，可以改善熱輸入，提高熔池的攪拌效果，提高焊接質(zhì)量[5-6]，且雙脈沖比單脈沖的可調(diào)參數(shù)更豐富[7].Yu 等人[8]借助強(qiáng)弱脈沖交替對(duì)雙脈沖GMAW 熔池進(jìn)行攪拌，減少了熱輸入，獲得了更小、更均勻的晶粒以及更高的顯微硬度.

目前已經(jīng)有學(xué)者分別研究了雙絲和雙脈沖對(duì)焊接過(guò)程的影響.雙絲雙脈沖GMAW 結(jié)合雙絲高效焊和雙脈沖高質(zhì)量焊的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)提高焊接效率和焊縫成形質(zhì)量[9]，但是目前對(duì)雙絲雙脈沖GMAW 的研究不多.Wu 等人[10]研究了不同高頻脈沖相位作用下鋁合金雙絲雙脈沖GMAW，結(jié)果表明，高頻脈沖相位會(huì)對(duì)熔滴過(guò)渡特性產(chǎn)生影響.但是目前還沒(méi)有高頻同步下低頻相位對(duì)熔滴過(guò)渡和焊縫成形影響的相關(guān)研究報(bào)道.

根據(jù)鋁合金焊接特性，探究雙絲雙脈沖GMAW在高頻同步下低頻同步和交替模式的焊接效果.通過(guò)高速攝影對(duì)低頻同步和交替模式的熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行分析.研究結(jié)果可以為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，以提高雙絲雙脈沖GMAW 在鋁合金焊接中的應(yīng)用和生產(chǎn)效率.

1 試驗(yàn)方法

采用平板堆焊，AA6061 鋁合金母材和ER4043焊絲的化學(xué)成分如表1 所示.表2 為試驗(yàn)所用的焊接工藝參數(shù).圖1 為試驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖，主要由焊接試驗(yàn)系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)和數(shù)字示波器3 部分組成.由圖1 可見(jiàn)，高速攝影系統(tǒng)收集熔滴過(guò)渡圖像，數(shù)字示波器采集電弧電壓和焊接電流波形.表3 為高頻同步下低頻同步和交替模式的焊接電流參數(shù).圖2為高頻同步下低頻同步和交替模式的雙絲雙脈沖電流波形示意圖.

圖1 雙絲雙脈沖GMAW 焊系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of double-wire double pulsed GMAW system

表1 母材和焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire

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

表3 雙絲雙脈沖電流參數(shù)Table 3 Double-wire double pulsed current parameters

由圖2 可知，同步模式高頻和低頻相位相同，主、從機(jī)同時(shí)為強(qiáng)脈沖群或弱脈沖群；交替模式高頻相位相同，低頻相位交替，主機(jī)為強(qiáng)脈沖群時(shí)，從機(jī)為弱脈沖群.主機(jī)為弱脈沖群時(shí)，從機(jī)為強(qiáng)脈沖群.

圖2 雙絲雙脈沖電流波形Fig.2 Double-wire double pulsed current waveforms.(a) synchronous mode;(b) alternating mode

2 低頻相位對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

2.1 同步模式

2.1.1 強(qiáng)脈沖階段

圖3 為同步模式下主機(jī)和從機(jī)同時(shí)處于強(qiáng)脈沖階段的電壓和電流波形.從圖3 可知，在1 530 ms處主機(jī)和從機(jī)電流同時(shí)進(jìn)入強(qiáng)脈沖的峰值階段，主機(jī)電流280 A，從機(jī)電流260 A，保持8 ms 后同時(shí)切換到基值階段，電流均切換為85 A，后面依次切換.在主機(jī)和從機(jī)的峰值和基值階段，主機(jī)和從機(jī)電壓均保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過(guò)程穩(wěn)定.

圖3 同步模式下主機(jī)和從機(jī)強(qiáng)脈沖階段電壓和電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms during master strong and slave strong pulse period in synchronous mode

圖4 為1 530～ 1 549 ms 一個(gè)脈沖周期的熔滴過(guò)渡高速攝影圖.由圖4 可知，從1 530 ms 開(kāi)始，主機(jī)和從機(jī)電流同時(shí)進(jìn)入峰值階段，開(kāi)始燃弧.在1 536 ms 附近主絲熔滴先脫落，而從機(jī)電流小，從絲熔化速度慢，1 537 ms 附近從絲熔滴才脫落；先脫落的主絲熔滴在重力和主絲電弧作用下加速下降，同時(shí)受從絲的電弧作用力作用，逐漸向從絲靠攏，并最終在1 540 ms 附近和從絲熔滴碰撞融合，成為更大的橢圓形熔滴.該熔滴在重力和電弧力的作用下，向熔池過(guò)渡.因?yàn)槿鄣误w積增大，會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生較大的沖擊，產(chǎn)生較大的飛濺.

圖4 同步模式下主機(jī)和從機(jī)強(qiáng)脈沖階段高速圖像Fig.4 High-speed picture during master strong and slave strong pulse period in synchronous mode.(a) 1 530 ms ;(b)1 531 ms;(c) 1 532 ms;(d) 1 533 ms;(e) 1 534 ms;(f) 1 535 ms;(g) 1 536 ms;(h) 1 537 ms;(i) 1 538 ms;(j) 1 539 ms；(k) 1 540 ms;(l) 1 541ms ;(m) 1 542 ms;(n) 1 543 ms;(o) 1 544 ms;(p) 1 545 ms;(q) 1 546 ms;(r) 1 547 ms;(s) 1 548 ms;(t) 1 549 ms

2.1.2 弱脈沖階段

圖5 為同步模式下主機(jī)和從機(jī)同時(shí)處于弱脈沖階段的電壓和電流波形.由圖5 可知，主機(jī)和從機(jī)在1 270 ms 進(jìn)入弱脈沖峰值階段，主機(jī)電流245 A，從機(jī)電流225 A，并在保持6 ms 后切換到基值階段，電流均切換為75 A.10 ms 后切換回峰值階段，后續(xù)依次切換.在主機(jī)和從機(jī)的峰值和基值階段，主機(jī)和從機(jī)電壓均保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過(guò)程穩(wěn)定.

圖5 同步模式下主機(jī)和從機(jī)弱脈沖階電壓和電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms during master weak and slave weak pulse period in synchronous mode

圖6 為1 270～ 1 285 ms 一個(gè)脈沖周期的熔滴過(guò)渡高速攝影圖.從圖6 可知，主機(jī)和從機(jī)在1 270 ms進(jìn)入峰值階段，開(kāi)始燃弧，主機(jī)在1 275 ms 附近熔滴開(kāi)始脫落.從機(jī)電流小，從絲熔化速度慢，在1 276 ms 附近熔滴開(kāi)始脫落，脫落后的主絲熔滴在重力和主絲電弧作用下加速下降.同時(shí)，受從絲電弧作用力的作用，主絲熔滴會(huì)逐漸向從絲靠近.在1 283 ms 處和從絲熔滴融合，體積增大，在向熔池過(guò)渡的過(guò)程中，會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生大的飛濺.

圖6 同步模式下主機(jī)和從機(jī)弱脈沖階段高速圖像Fig.6 High-speed picture during master weak and slave weak pulse period in synchronous mode.(a) 1 270 ms;(b) 1 271 ms;(c) 1 272 ms;(d) 1 273 ms ;(e) 1 274 ms;(f) 1 275 ms;(g) 1 276 ms;(h) 1 277 ms;(i) 1 278 ms;(j) 1 279 ms;(k) 1 280 ms;(l) 1 281 ms;(m) 1 282 ms ;(n) 1 283 ms;(o) 1 284 ms;(p) 1 285 ms

2.2 交替模式

2.2.1 強(qiáng)脈沖階段

圖7 為交替模式下主機(jī)處于強(qiáng)脈沖階段.從機(jī)處于弱脈沖階段的電壓和電流波形.從圖7 可知，主機(jī)4 496 ms 進(jìn)入強(qiáng)脈沖的峰值階段，電流保持為280 A，從機(jī)進(jìn)入弱脈沖的峰值階段，電流保持為225 A，比同步模式下的260 A 更小，并都在保持8 ms后切換到各自的基值階段，12 ms 后又都切換回峰值階段，后面依次切換.在主機(jī)和從機(jī)的峰值和基值階段，主機(jī)和從機(jī)電壓均保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過(guò)程穩(wěn)定.

圖7 交替模式下主機(jī)強(qiáng)脈沖和從機(jī)弱脈沖階段電壓和電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms during master strong and slave weak pulse period in alternating mode

圖8 為4 496～ 4 515 ms 一個(gè)脈沖周期的熔滴過(guò)渡高速攝影圖.從圖8 可知，從4 496 ms 開(kāi)始，主機(jī)和從機(jī)電流同時(shí)進(jìn)入峰值階段，開(kāi)始燃弧，主絲熔滴在4 502 ms 附近開(kāi)始脫落.從機(jī)電流為225 A，比同步模式下的260 A 更小，從絲熔滴在4 504 ms附近才開(kāi)始脫落，主、從絲熔滴下落的時(shí)間間隔2 ms 比同步模式的1 ms 大.主絲熔滴脫落后會(huì)在重力和主絲電弧的作用下加速下落.在從絲電弧的作用下產(chǎn)生一個(gè)向右的加速度，于是主絲熔滴逐漸向從絲靠攏，在4 506 ms 時(shí)與從絲熔滴發(fā)生碰撞.但此時(shí)從機(jī)電流比低頻同步模式電流小，從絲熔滴脫落的更晚，因此在下落的過(guò)程中相互錯(cuò)開(kāi)的時(shí)間更大.所以只有部分熔滴在碰撞后融合，還有部分熔滴沒(méi)有融合.于是熔滴分成體積較小的兩部分過(guò)渡到熔池，產(chǎn)生的沖擊比一次性全部撞擊到熔池小，避免了飛濺的產(chǎn)生.

圖8 交替模式下主機(jī)強(qiáng)脈沖和從機(jī)弱脈沖階段高速圖像Fig.8 High-speed picture during master strong and slave weak pulse period in alternating mode.(a) 4 496 ms;(b) 4 497 ms;(c) 4 498 ms ;(d) 4 499 ms;(e) 4 500 ms;(f) 4 501 ms;(g) 4 502 ms ;(h) 4 503 ms;(i) 4 504 ms;(j) 4 505 ms;(k) 4 506 ms;(l) 4 507 ms;(m) 4 508 ms;(n) 4 509 ms;(o) 4 510 ms;(p) 4 511 ms;(q) 4 512 ms;(r) 4 513 ms;(s) 4 514 ms;(t) 4 515 ms

2.2.2 弱脈沖階段

圖9 為交替模式下主機(jī)處于弱脈沖階段、從機(jī)處于強(qiáng)脈沖階段的電壓和電流波形.由圖9 可知，主機(jī)在3 152 ms 進(jìn)入弱脈沖峰值階段，主機(jī)電流為245 A，同時(shí)從機(jī)進(jìn)入強(qiáng)脈沖的峰值階段，從機(jī)電流為260 A，并都在保持6 ms 后切換到基值階段，主機(jī)電流為75 A，從機(jī)電流為85 A.10 ms 后切換回峰值階段，從機(jī)電流始終比主機(jī)電流大，后面依次切換.在主機(jī)和從機(jī)的峰值和基值階段，主機(jī)和從機(jī)電壓均保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明焊接過(guò)程穩(wěn)定.

圖9 交替模式下主機(jī)弱脈沖和從機(jī)強(qiáng)脈沖階段電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms during master weak and slave strong pulse period in alternating mode

圖10 為3 152～ 3 167 ms 一個(gè)脈沖周期的熔滴過(guò)渡高速攝影圖.由圖10 可知，從3 152 ms 開(kāi)始，主機(jī)和從機(jī)電流同時(shí)進(jìn)入峰值階段，開(kāi)始燃弧.在3 157 ms 附近，從絲熔滴開(kāi)始脫落，而主機(jī)峰值電流和基值電流都比從機(jī)電流小，主絲熔滴在3 159 ms附近才開(kāi)始脫落.主、從絲熔滴脫落的時(shí)間間隔為2 ms，時(shí)間間隔比同步模式的大1 ms.脫落后的熔滴運(yùn)動(dòng)軌跡雖然有所交錯(cuò)，但是時(shí)間上能很好的錯(cuò)開(kāi)，并分兩次進(jìn)入熔池，減少碰撞，基本保持了各自脫落時(shí)的熔滴大小.然后，分別過(guò)渡到熔池中，對(duì)熔池的沖擊較小，減少了飛濺.

圖10 交替模式下主機(jī)弱脈沖和從機(jī)強(qiáng)脈沖階段高速圖像Fig.10 High-speed picture during master weak and slave strong pulse period in alternating mode.(a) 3 152 ms;(b) 3 153 ms ;(c) 3 154 ms;(d) 3 155 ms;(e) 3 156 ms;(f) 3 157 ms;(g) 3 158 ms;(h) 3 159 ms;(i) 3 160 ms;(j) 3 161 ms;(k) 3 162 ms;(l) 3 163 ms;(m) 3 164 ms;(n) 3 165 ms;(o) 3 166 ms;(p) 3 167 ms

3 焊縫成形

取焊縫的一段縱截面，測(cè)量10 個(gè)位置處的焊縫余高，其測(cè)量結(jié)果如表4 所示.從表4 可知，同步模式焊縫余高方差大于交替模式，交替模式下焊縫的平整性更好.圖11 為低頻相位下同步和交替模式的焊縫.由圖11 可知，相比于同步模式，交替模式的飛濺和咬邊更少.這是因?yàn)椴煌Ｊ街?、從絲熔滴從焊絲上脫落的先后時(shí)間不同，熔滴脫落之間存在一個(gè)時(shí)間間隔.同步模式下主、從絲熔滴脫落的時(shí)間間隔為1 ms，交替模式下主、從絲熔滴脫落的時(shí)間間隔為2 ms,交替模式下主、從絲熔滴脫落時(shí)間間隔比同步模式下主、從絲熔滴脫落時(shí)間間隔大.交替模式下先脫落的熔滴可以先一步到達(dá)熔池，后脫落的熔滴脫落的更慢.運(yùn)動(dòng)軌跡雖然都有所交錯(cuò)，但是時(shí)間上能更好的錯(cuò)開(kāi)，減少了熔滴碰撞融合的概率，從而減少了大體積熔滴對(duì)熔池的沖擊的概率和飛濺，魚(yú)鱗紋規(guī)則，焊縫成形美觀.

圖11 低頻相位焊縫成形Fig.11 Weld formation in low-frequency phase.(a)synchronous mode;(b) alternating mode

表4 低頻相位焊縫余高Table 4 Weld reinforcement in low-frequency phase

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)高速攝影圖像分析可知，同步模式下強(qiáng)脈沖階段和弱脈沖階段均存在熔滴碰撞融合，產(chǎn)生的大熔滴會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生沖擊，造成飛濺.

(2) 相對(duì)于同步模式，交替模式強(qiáng)脈沖階段和弱脈沖階段熔滴脫落的先后時(shí)間間隔增大，主、從絲熔滴碰撞的概率降低，熔滴可以先后進(jìn)入熔池，減少了大熔滴造成的飛濺.

(3) 相對(duì)于同步模式，交替模式下得到的焊縫平整性更好，余高方差更小，魚(yú)鱗紋規(guī)則，成形美觀.