江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院 王 釗 陸曉輝 呂文濤 周浩康蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石 玗

鋁-鍍鋅鋼板脈沖旁路耦合電弧MIG焊熱循環(huán)曲線的測定

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院 王 釗 陸曉輝 呂文濤 周浩康
蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石 玗

【摘要】介紹了脈沖旁路耦合電弧MIG焊（Pulsed DE-GMAW）的基本原理并利用該系統(tǒng)對鋁、鍍鋅鋼板進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。焊接過程中采用接觸式測量法對不同旁路電流參數(shù)下的母材熱循環(huán)曲線進(jìn)行測定，為降低母材熱輸入，優(yōu)化焊接工藝提供 重要依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】脈沖旁路耦合電弧MIG焊；鋁-鍍鋅鋼板；熱循環(huán)曲線

隨著焊接科技的不斷進(jìn)步以及社會對環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的日益重視，“鋁+鋼”雙金屬結(jié)構(gòu)在越來越多的領(lǐng)域受到人們的重視。鋁具有比強(qiáng)度大、重量輕、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，鋁與鋼的連接具有廣泛的應(yīng)用前景。例如汽車工業(yè)中，用鋁及其合金代替鋼是降低結(jié)構(gòu)重量、提高機(jī)械性能的重要措施［1-2］。然而，由于鋁和鋼在熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)等熱物理能上存在較大差異，因此實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的焊接較為困難，而且鋁和鋼在接觸界面容易產(chǎn)生大量脆性金屬間化合物，嚴(yán)重影響接頭的力學(xué)性能［3-4］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用釬焊、激光焊、攪拌摩擦焊等技術(shù)對鋁-鋼異種金屬的焊接進(jìn)行了一系列研究，結(jié)果表明：降低母材熱輸入，減少界面區(qū)金屬間化合物的生成是鋁-鋼焊接的關(guān)鍵［5-7］。本文利用脈沖旁路耦合電弧MIG焊（Pulsed DE-GMAW）對鋁、鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接，同時(shí)采用接觸式測量法對不通旁路電路參數(shù)下母材的熱循環(huán)曲線進(jìn)行測定，研究旁路電流對焊接熱輸入的調(diào)節(jié)作用，為優(yōu)化焊接參數(shù)、提高接頭性能供參考依據(jù)。

1 焊接系統(tǒng)及熱循環(huán)曲線測量系統(tǒng)

1.1 脈沖旁路耦合MIG焊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊（Pulsed DE-GMAW ）試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由兩個(gè)脈沖電源分別與一個(gè)MIG焊槍和一個(gè)TIG焊槍相連，主路為MIG焊槍，旁路為TIG焊槍。各焊接回路中的電流有如下關(guān)系：

Ibm=I-Ibp（1）

其中：Ibm為流入母材電流，Ibp為旁路電弧電流，I為焊絲熔化電流。由公式（1）可知，在總電流保證焊絲高熔敷率的前提下，通過調(diào)節(jié)旁路電流和主路電流，可以控制流入母材的電流，從而在大電流高熔敷率的條件下合理分配母材熱輸入。同時(shí)，脈沖電源的引入，有利于進(jìn)一步精確控制母材熱輸入和進(jìn)一步促進(jìn)小電流下熔滴的穩(wěn)定過渡，可在遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)MIG焊自由過渡臨界電流的情況下保持穩(wěn)定的射滴過渡過程。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中主路電源采用德國DALEX VIRO MIG-400L數(shù)字脈沖焊機(jī)，旁路電源采用一臺某型號開放接口的數(shù)字脈沖焊機(jī)，另外還包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、采集卡等硬件系統(tǒng)和基于xPC的快速原型軟件系統(tǒng)。

圖1 脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊（Pulsed DE-GMAW ）試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 熱循環(huán)曲線測量系統(tǒng)

采用接觸法測量不同焊接參數(shù)下母材的熱循環(huán)曲線，測量系統(tǒng)硬件由K型熱電偶、ADAM-4018溫度采集模塊和軟件Adam.net Utility 等組成。ADAM-4018模塊是一個(gè)16位八通道而且能記錄數(shù)據(jù)的模擬量輸入模塊，所有通道都提供了可編程的輸入范圍，這個(gè)模塊可以保存測量結(jié)果超過380000條。ADAM-4018模塊可以測量多種不同的模擬信號，例如：熱電偶、mV、V和mA，而且提供了三中記錄設(shè)置模式：標(biāo)準(zhǔn)記錄、事件記錄、最小記錄的模式，它提供了500VDC的輸入隔離來保護(hù)模塊，是工業(yè)測量和監(jiān)控應(yīng)用很好的一個(gè)解決方案。

2 焊接參數(shù)及測量工藝

在建立的Pulsed DE-GMAW實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺上進(jìn)行鋁-鍍鋅鋼板焊接工藝實(shí)驗(yàn)，并在焊接過程中測量母材的熱循環(huán)曲線。焊絲采用直徑1.2mm 的ER5356鋁鎂焊絲，母材為300mm*100mm*2mm的鍍鋅鋼板，保護(hù)氣為純氬氣。焊接試驗(yàn)采用平板堆焊的方式，焊前將鍍鋅鋼板用鐵砂布打磨并用丙酮清洗，以除去表面污漬。焊接過程中保持總電流77A不變，依次將旁路電流從0逐步增加到55A，具體焊接參數(shù)如表1所示。

焊接過程中采用接觸測量法測定母材的熱循環(huán)曲線測溫時(shí)，利用焊偶儀將K型熱電偶焊在母材背面焊縫下方，將采樣頻率設(shè)為100次/s，實(shí)時(shí)采集焊接過程中焊縫正下方母材的溫度變化。測溫系統(tǒng)所測得的溫度數(shù)據(jù)取決于測溫點(diǎn)的位置，即熱電偶在母材背面焊接點(diǎn)的位置。為反映焊接溫度場的分布，以焊縫中心背面正下方中心線為基準(zhǔn)線，沿30°方向在距離中心線0mm、10mm、20mm、30mm、40mm的5點(diǎn)均勻分布熱電偶，詳見圖2所示。焊接時(shí)電弧的位置對母材熱循環(huán)曲線的測量有極大的影響。焊接開始前，首先將焊槍固定，讓工件在一維方向反復(fù)移動多次調(diào)整焊件位置，最終使焊絲移動軌跡在熱電偶分布基準(zhǔn)線的正上方。

表1 Pulsed DE-GMAW法鋁-鋼工藝試驗(yàn)焊接參數(shù)

圖2 測溫點(diǎn)分布圖

3 熱循環(huán)曲線測定結(jié)果及分析

按照表1所示參數(shù)對鋁-鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接，并測量母材的熱循環(huán)曲線，見圖3。圖3（a）所示的熱循環(huán)曲線在測量過程中旁路電流降為零，母材電流為77A，焊接形式等同于傳統(tǒng)的脈沖MIG焊。隨后保持總電流不變，逐漸增加旁路電流，并相應(yīng)降低母材電流，焊接得到的母材熱循環(huán)曲線分別如圖7（b）、（c）、（d）、（e）所示。

圖3 Pulsed DE-GMAW熱循環(huán)曲線Fig.3 Thermal circling curve of Pulsed DE-GMAW

圖4 熱循環(huán)曲線最高溫度示意圖Fig.4 Maximum temperature of the Thermal circling curve

圖4為熱循環(huán)曲線的最高溫度Tmax示意圖。結(jié)合圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)：采用Pulsed DE-GMAW方法焊接時(shí)，隨著旁路電流的增加，母材熱循環(huán)曲線中的最高溫度Tmax和保溫時(shí)間t均降低，說明該焊接系統(tǒng)在總電流不變的情況下增加旁路電流，可以降低母材熱輸入，且旁路電流越大，母材熱輸入越小。

4 結(jié)論

（1）Pulsed DE-GMAW焊接系統(tǒng)在保證焊絲熔化電流不變的情況下通過旁路的引入來起到分流作用，可以減少流入母材的電流，顯著降低母材熱量輸入，有利于得到高質(zhì)量的鋁-鋼焊縫。

（2）當(dāng)旁路電流為55A，母材電流為22A時(shí)，熱循環(huán)曲線的最高溫度為587.8℃，此時(shí)的母材熱輸入較小，因此，脈沖旁路耦合MIG焊獨(dú)特的在鋁-鋼異種金屬焊接方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：

王釗（1987-），男，山東濟(jì)南人，碩士，現(xiàn)供職于江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院，研究方向：特征設(shè)備檢驗(yàn)及焊接技術(shù)。