陳樹君宋亞修肖 珺白立來王旭平

(1.北京工業(yè)大學汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心，北京100124; 2.首都航天機械公司，北京100076)

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脈沖等離子- MIG復合焊熔滴過渡行為研究

陳樹君1宋亞修1肖 珺1白立來1王旭平2

(1.北京工業(yè)大學汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心，北京100124; 2.首都航天機械公司，北京100076)

將脈沖等離子電弧與MIG電弧同軸復合，期望利用等離子弧脈沖峰值電流產(chǎn)生的高速等離子射流沖擊熔滴和熔池，促進熔滴過渡，同時增加焊縫熔深。開發(fā)了一套高速視覺與電信號精確同步的焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對脈沖等離子-MIG復合焊熔滴過渡行為進行研究。研究發(fā)現(xiàn)將等離子電流調制成脈沖波形，等離子弧對工件總體熱輸入下降，等離子峰值電流產(chǎn)生的等離子流力可以有效促進熔滴過渡。在此基礎上深入分析了等離子脈沖峰值電流、脈沖寬度及熔滴在等離子弧過渡位置等參數(shù)對熔滴過渡的影響，獲得了脈沖等離子-MIG復合焊一脈一滴過渡的工藝參數(shù)窗口。

脈沖等離子-MIG 熔滴過渡 等離子流力 一脈一滴過渡

0序 言

等離子-MIG復合焊是由等離子電弧和MIG電弧組成的復合電弧焊接方法[1]，最早是由W.G.Essers和A.C.Liefken等人[2]提出。等離子-MIG復合電弧具有較大的能量密度，等離子電弧對工件及焊絲的預熱作用，使得焊縫區(qū)晶粒細化、熔滴溫度降低、焊縫氣孔減少，提高了焊縫成型質量[3-4]。

目前為止，國內外對等離子-MIG復合焊接工藝的研究，大多認為等離子電弧是“輔助”作用，主要是對母材、焊絲預熱以及MIG電弧的保護作用，而MIG電弧主要決定了熔滴過渡的類型以及焊縫熔深[5-9]。鋁合金對熱輸入比較敏感，中厚板焊接過程中容易造成未熔透或者燒穿的現(xiàn)象，而等離子弧電源是恒流源，可以穩(wěn)定控制對母材的熱輸入，并且將等離子電流調制成脈沖波形，既可以有效降低熱輸入、控制焊縫熔深，又可以在脈沖峰值期間獲得較大的等離子流力促進熔滴過渡。因此文中重點研究等離子弧脈沖參數(shù)對等離子-MIG復合焊熔滴過渡的影響規(guī)律，找到穩(wěn)定的一脈一滴焊接工藝區(qū)間，優(yōu)化脈沖等離子-MIG復合焊接過程。

1焊接系統(tǒng)及試驗方法

等離子-MIG復合焊接系統(tǒng)由米勒Dynasy700焊機、肯比X450焊機、泰佰億PLM600同軸復合焊槍以及焊接運動平臺組成。焊接多信息同步采集系統(tǒng)主要由Y-4高速攝像機，霍爾電壓、電流傳感器，高速數(shù)據(jù)采集卡組成。高速攝像采樣頻率為3 000幀/秒，電信號采樣頻率為150 kHz，焊接過程中電信號和高速攝像同步采集，便于對熔滴過渡行為進行精確分析，焊接試驗系統(tǒng)如圖1所示。

等離子弧電源和MIG弧電源均采用直流反接方式，焊接板材為5183鋁合金，焊絲選用直徑為1.2 mm 的5356鋁合金焊絲。中心氣、離子氣、保護氣均為純氬氣，氣體流量分別為10 L/min，10 L/min，15 L/min。送絲速度定為6.9 m/min，脈沖頻率定為30 Hz。分別研究熔滴在等離子弧軸向的相對位置(以下簡稱熔滴位置)、等離子電弧脈沖峰值電流以及峰值時間對熔滴過渡的影響，試驗參數(shù)見表1。

圖1等離子-MIG復合焊接系統(tǒng)

表1脈沖等離子-MIG復合焊接試驗參數(shù)

2試驗結果與分析

2.1熔滴位置對熔滴過渡的影響

熔滴位置主要取決于MIG電弧弧長的大小。等離子電弧對焊絲的熱輸入，改變了MIG焊機電流和電壓的平衡機制，因此MIG焊機選擇非一元化設置。送絲速度為6.9 m/min，等離子峰值電流為500 A，脈沖時間為3 ms，MIG電壓設置為17 V，19 V，21 V時，熔滴位置分別對應等離子壓縮噴嘴外部、噴嘴口處和噴嘴內部(圖2)，觀察這三種位置的熔滴過渡行為，研究噴嘴內外等離子流力大小的差異及其對熔滴過渡的影響。

圖3為熔滴在噴嘴外部時典型熔滴過渡和電壓波形，圖片數(shù)字編碼是高速攝像實時拍攝幀數(shù)，記錄不同時刻熔滴過渡狀態(tài)。第一個脈沖到來時，熔滴在脈沖等離子流力作用下軸向拉伸，但不足以克服表面張力進入熔池；在第二個脈沖作用下熔滴脫離焊絲并產(chǎn)生飛濺。熔滴脫離焊絲的瞬間，MIG電弧跳躍拉長，電弧電壓達到了24 V，在脈沖結束后逐漸恢復到設定的17 V電壓。

圖4為熔滴在噴嘴口處時典型熔滴過渡和電壓波形。此時熔滴過渡位置處于噴嘴內外的臨界位置，受到的等離子流力增大。當?shù)入x子脈沖到來時，熔滴在脈沖等離子流力作用下被軸向拉伸，并在等離子脈沖峰值期間發(fā)生充分頸縮，脈沖結束后脫離焊絲。熔滴過渡形式為穩(wěn)定的一脈一滴過渡。

圖2熔滴不同過渡位置示意圖

圖5為熔滴在噴嘴內部時典型熔滴過渡和電壓波形。從高速攝像拍到的圖片可以看到熔滴過渡順暢，在熔滴過渡過程中MIG電壓波動較小，焊接過程穩(wěn)定。

噴嘴外部的等離子體流速要遠小于噴嘴內部，因此熔滴受到的脈沖等離子流力作用較小，故而熔滴在噴嘴外部時形成兩脈一滴過渡過程；熔滴在噴嘴內部過渡時能夠獲得穩(wěn)定的一脈一滴過渡，但熔滴在噴嘴內部過渡時加速距離較長，對熔池有較大的沖擊力，在焊接過程中產(chǎn)生細微飛濺，因此實際焊接過程中控制熔滴在噴嘴口處過渡。

2.2峰值電流對熔滴過渡的影響

MIG電壓定為19 V，控制熔滴在噴嘴口處過渡，等離子弧脈沖寬度為3 ms，峰值電流分別為400 A，450 A，500 A，550 A時，觀察峰值電流的變化對熔滴過渡的影響。

圖6為等離子脈沖峰值電流400 A時的典型熔滴過渡。第一個脈沖到來時，熔滴在脈沖等離子流力的作用下被軸向拉伸(第2幅圖片)，但不足以脫離焊絲；在脈沖結束后，熔滴在表面張力的作用下收縮回到等離子噴嘴口處(第4幅圖片)；第二個脈沖到來時，熔滴受到的重力和脈沖等離子流力增加，熔滴脫離焊絲形成兩脈一滴的過渡方式。

圖7為等離子脈沖峰值電流450 A時的典型熔滴過渡。熔滴過渡形式為一脈一滴過渡，脈沖峰值電流期間，熔滴在等離子流力沖擊作用下，向熔池方向運動，由于熔滴在脈沖峰值期間被充分加速，熔滴在脈沖結束后仍然具備足夠的動量以克服表面張力，從而在基值電流期間脫離焊絲。從圖7中第6幅圖片可以看到，熔滴在脫離焊絲的瞬間形狀近似球狀，無明顯軸向拉伸，因此在其它焊接參數(shù)不變的情況下，450 A等離子峰值電流接近保證熔滴一脈一滴過渡所需的臨界峰值電流。

圖8為等離子脈沖峰值電流500 A時的典型熔滴過渡。熔滴在脫離焊絲的瞬間被軸向拉伸變形(第6幅圖片)，由此可知熔滴脫離焊絲前所受的等離子流力沖量較大，熔滴過渡過程順暢。

繼續(xù)增加脈沖峰值電流到550 A，典型熔滴過渡如圖9所示。熔滴脫離焊絲前被軸向拉伸變形更加嚴重(第6幅圖片)，因此熔滴受到的等離子流力沖量更大，但這時的脈沖等離子流力還不足以使熔滴在脈沖時間內脫離焊絲進入熔池，對熔池的沖擊還不是很大。

通過高速攝像拍攝頻率(熔滴脫離焊絲進入熔池的圖片拍攝幀數(shù))可以得到熔滴在電弧中的飛行時間，控制焊槍與工件之間的高度可以得知熔滴在電弧中的飛行距離，從而計算出熔滴在電弧中的平均速度。熔滴在電弧中的速度與脈沖峰值電流的關系如圖10所示。等離子流力隨著脈沖峰值電流的增加而增加，而熔滴速度取決于脈沖等離子流力對熔滴沖量的大小，因此熔滴速度隨著脈沖峰值電流的增加而加快。

2.3脈沖時間對熔滴過渡的影響

該組試驗MIG電壓確定為19 V，同樣控制熔滴位置在噴嘴口處，等離子弧脈沖峰值電流為500 A，脈沖時間分別為2 ms，3 ms，4 ms，5 ms，熔滴過渡方式見表2。

當脈沖時間為2 ms時，脈沖等離子流力對熔滴施加的沖量較小，熔滴過渡方式是兩脈一滴；脈沖時間增加到3 ms，一個脈沖能夠打掉一個熔滴；繼續(xù)增加脈沖時間到4 ms，熔滴仍是在基值電流期間脫離焊絲，過渡方式為一脈一滴。

當脈沖時間增加到5 ms時，熔滴在脈沖時間內脫離焊絲并伴隨飛濺，如圖11所示。熔滴在脈沖等離子流力作用下向熔池方向運動，在脈沖時間內熔滴上部液態(tài)金屬發(fā)生頸縮并爆斷，產(chǎn)生飛濺(第5和6幅圖片)。

熔滴過渡速度與脈沖時間的關系如圖12所示。從圖中可以看到熔滴速度隨著脈沖時間的增加而提高。當脈沖時間為2 ms時，熔滴不能脫離焊絲；當脈沖時間達到5 ms時，熔滴在脈沖時間內脫離焊絲，并在焊接過程中產(chǎn)生飛濺。因此在實際焊接過程中脈沖時間控制在3～4 ms之間。

3結 論

(1)等離子-MIG復合電弧焊接過程中，等離子電流引入脈沖波形，能夠有效促進熔滴過渡；調整合適的焊接參數(shù)，可以獲得穩(wěn)定的一脈一滴過渡。

(2)等離子脈沖寬度增加，熔滴過渡更加順暢；等離子脈沖峰值電流減小，熔滴過渡變得困難。熔滴在等離子壓縮噴嘴內部受到的脈沖等離子流力更大，過渡更加容易。

(3)熔滴在基值電流期間脫離焊絲，過渡過程穩(wěn)定并且MIG電壓波動較小，焊接質量好；熔滴在脈沖峰值電流期間脫離焊絲進入熔池，熔滴飛行速度快，在焊接過程中產(chǎn)生飛濺。參考文獻

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陳樹君，1971年生，哈爾濱工業(yè)大學博士，“長江學者獎勵計劃”特聘教授、博士生導師。獲國務院政府特殊津貼，北京市百千萬人才工程人選，北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計劃領軍人才。先后主持國家科技重大專項，國家自然科學基金等國家、省部級科研項目30余項。近年來發(fā)表學術論文100余篇，獲國際專利2項，國家發(fā)明專利30余項，在高端焊接裝備和航天航空領域取得良好成果，攻克了航天鋁合金大型薄壁密封艙體結構焊接難題，獲得國家科技進步二等獎及多項省部級以上獎勵。主要研究領域焊接電弧物理，變極性等離子弧焊接工藝及裝備，鋁合金絲材電弧增材制造，機人協(xié)作智能焊接，以及特種焊接工藝及裝備研究。現(xiàn)任北京工業(yè)大學焊接技術研究所副所長，教育部汽車結構部件先進制造技術工程研究中心副主任，北京市焊接設備研究與開發(fā)中心副主任，中國電工技術學會電焊技術專業(yè)委員會副主任，中國焊接協(xié)會教育與培訓工作委員會副理事長兼秘書長，中國焊接學會青年工作委員會主任委員，中國職工焊接技術協(xié)會焊接設備專業(yè)委員會副理事長,全國電焊機標準化技術委員會(SAC/TC70)副主任委員。

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2016-10-12