陳琪昊，2， 孫亞龍， 王佳輝， 林三寶2， 王加友

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

焊接方法的發(fā)展解決了材料連接的諸多難題。然而，對于傳統(tǒng)的電弧焊接方法而言，其在材料連接方面仍然存在一定的不足。鋁合金是工業(yè)當(dāng)中最廣泛應(yīng)用的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，它具有密度小、強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、易加工等特點，在航天、航空、汽車、船舶及化工領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在工業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的需求日益增加，對鋁合金焊接質(zhì)量的要求也更加苛刻。

熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG焊)以其低成本、高效率特色在鋁合金焊接工藝中被廣泛運(yùn)用[1-3]，然而，鋁合金MIG焊存在焊縫晶粒粗大[4]、氣孔率高[5]等問題，限制了鋁合金焊接結(jié)構(gòu)在苛刻服役環(huán)境中的應(yīng)用。

研究表明在焊接時引入超聲能量可以細(xì)化焊縫組織并且減少焊接缺陷[6-7]。超聲引入方法主要包括兩類：① 機(jī)械耦合式：利用超聲發(fā)射端與電弧同軸復(fù)合或者將超聲發(fā)射端直接與母材接觸，將超聲振動引入到焊接過程[8-9]；② 電耦合式：將超聲頻電信號與焊接電信號進(jìn)行疊加，導(dǎo)致焊接電弧力產(chǎn)生高頻變化，激發(fā)超聲[10]。與機(jī)械耦合式超聲引入方式相比，電耦合式具有設(shè)備簡單、使用靈活等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用前景。

吳敏生等人[10-12]針對TIG電弧超聲的聲激發(fā)及焊接特點進(jìn)行了具體研究，研究結(jié)果證實了電耦合式超聲施加方式的可行性，揭示了影響超聲激發(fā)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)及超聲諧振選頻特性。雷玉成等人[13]研究了超聲電弧對6061鋁合金MIG焊接頭組織和性能的影響，結(jié)果表明超聲電信號可成功耦合到MIG焊電信號中，并且影響焊接過程。

電耦合式超聲施加方式應(yīng)用前景廣闊，但目前還存在一定不足。超聲頻電信號與焊接電信號進(jìn)行耦合，勢必會直接影響焊接的熱輸入，焊接熱輸入過大會導(dǎo)致焊縫組織粗大，弱化接頭性能。焊接熱輸入與耦合波形的形狀具有直接的關(guān)系，因此控制耦合波形是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。已有的研究主要關(guān)注固定波形下超聲參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，尚未關(guān)心耦合波形形狀的分析及設(shè)計，因此，文中以超聲頻電脈沖信號耦合直流MIG焊接為研究對象，研究不同疊加波形的獲得方式及相應(yīng)特點，探究最佳疊加波形。

1 隔離耦合裝置及試驗方法

1.1 已有隔離耦合裝置存在的問題

已有的超聲-直流焊接信號隔離耦合裝置是由薛厚祿[14]在“SiCp/6061Al基復(fù)合材料交流電弧超聲等離子弧原位焊接工藝研究”一文中提出的，該耦合裝置原理為高通濾波器，雖然耦合效果比較好，但是電容用于耦合存在一些不足，具體如下：① 電容充電階段。根據(jù)電容充放電原理，電容完全充滿電所需時間為5RC，在充滿電之前電容處于導(dǎo)通狀態(tài)，在此階段電容容抗較小，會出現(xiàn)浪涌電流，使超聲回路的峰值電流較大，容易導(dǎo)致電容器被擊穿;②電容放電階段。電容完全放電所需時間同樣為5RC，在完全放電之前同樣處于導(dǎo)通狀態(tài)，超聲回路出現(xiàn)浪涌電流，同時還會導(dǎo)致焊接電流分流到超聲回路中，如果分流過大，會導(dǎo)致焊接電弧熄弧。

在電容充放電瞬間，存在超聲回路峰值電流過大且焊接電流分流的現(xiàn)象，對超聲電源及焊接穩(wěn)定性具有不利的影響。

1.2 隔離耦合裝置的改進(jìn)

欲將焊接信號與超聲信號疊加在一起形成有效的超聲頻焊接電流波形，既要防止焊接電流分流到超聲回路引起焊接電弧不穩(wěn)或熄弧現(xiàn)象，也要防止超聲回路電流峰值過大破壞電路。為了達(dá)到以上目的，對隔離耦合裝置進(jìn)行改進(jìn)，隔離耦合裝置選取電阻和電容構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 隔離耦合裝置示意圖

電阻和電容的作用如下：電容充放電瞬間導(dǎo)通，會存在浪涌電流現(xiàn)象，還會出現(xiàn)焊接電流分流，電阻起限流保護(hù)作用。電容具有通高頻阻低頻特性，可將高頻超聲信號耦合到直流MIG焊接電路中，同時阻隔直流信號進(jìn)入超聲回路。

1.3 試驗方法

利用NI Multisim軟件對經(jīng)過電弧的電流的波形進(jìn)行仿真分析，仿真電路如圖2所示，電路中將電弧等效為電阻負(fù)載，根據(jù)焊接試驗發(fā)現(xiàn)，對于板厚為4 mm的

圖2 仿真電路圖

鋁合金，當(dāng)焊接電流為132 A時，焊縫成形較好，此時焊接電壓為21 V左右，可計算出電弧電阻大小約為0.159 Ω。為了全面分析耦合波形的特點及影響因素，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，見表1，超聲電壓固定為200 V，超聲頻率固定為30 kHz，改變限流電阻及電容的參數(shù)，分析耦合波形的變化。

表1 試驗參數(shù)表

參考趙家瑞等人[15]在高頻脈沖TIG焊的電弧控制及高頻效應(yīng)文章中提出的方波的平均熱功率計算公式，超聲耦合直流MIG焊的焊接熱輸入利用如下公式進(jìn)行計算。

(1)

電弧等效為電阻負(fù)載，因此式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

焊接電流為132 A，耦合電流I是超聲回路的電流與焊接電流疊加之后的總電流，因此式(2)中的I為：

I=132+I超

(3)

利用Origin軟件對NI Multism 軟件仿真出的電流數(shù)據(jù)按照式(2)進(jìn)行積分計算，得到不同疊加波形的熱輸入大小。

2 電信號波形及聲熱特點

2.1 耦合波形的影響因素

固定超聲電壓及超聲頻率，疊加波形與限流電阻及電容的大小有關(guān)，改變電阻及電容可獲得不同的疊加波形。

限流電阻及電容共同影響疊加電流的波形，電容完全充放電時間為5RC，R為限流電阻的阻值，C電容的容量。圖3為電容充放電過程中超聲波激勵電源輸出的超聲電信號的電壓與電容兩端電壓隨時間變化的波形圖。

圖3 超聲信號與電容電壓隨時間變化的波形圖

圖3描述了電容充放電時的3種情況：

超聲電信號的半周期內(nèi)，電容恰好充電或放電完成。此時：

(4)

式中：f為超聲激勵電源的超聲頻率。

超聲電信號的半周期內(nèi)，電容沒有完全充電或放電。此時：

(5)

超聲電信號的半周期內(nèi)，電容快速完成充電或放電。此時：

(6)

當(dāng)R及C變化時，5RC與1/2f之間的關(guān)系就會發(fā)生變化，進(jìn)行形成不同的疊加波形。

2.1.1限流電阻的影響

固定其他的參數(shù)，改變限流電阻，限流電阻分別為10 Ω，100 Ω及200 Ω，不同限流電阻對應(yīng)的疊加波形如圖4所示，從圖中可以看出，限流電阻主要影響疊加波形的峰值，隨著限流電阻的增大，疊加波形的峰值逐漸變小。

圖4 限流電阻大小對疊加波形的影響

電容在充放電瞬間，相當(dāng)于通路，此時超聲回路的電阻主要為限流電阻，因此，超聲回路的峰值電流可通過如下式計算得出：

(7)

式中：U1為超聲波激勵電源輸出的電壓;R1為超聲波激勵電源輸出的電弧等效電阻;R2為超聲波激勵電源輸出的限流電阻。

2.1.2電容的影響

固定限流電阻，改變電容，電容參數(shù)分別為0.033 μF,0.33 μF及3.3 μF, 疊加電流波形如圖5所示，從圖中可以看出，電容的變化對疊加波形的形狀具有明顯的影響，當(dāng)電容較大時，也會改變疊加波形的峰值電流。

圖5 電容大小對耦合波形的影響

3種疊加波形分別對應(yīng)電容的3種充放電情況。當(dāng)電容為0.033 μF時，電容快速充放電；電容為0.33 μF時，在超聲電信號的半周期內(nèi)，電容恰好充電或放電完成；電容為3.3 μF時，在超聲電信號的半周期內(nèi)，電容沒有完全充電或放電。

從圖5中可以看出，所有波形中只有第1個峰值電流為20 A左右，以后的峰值電流均為有所增大。產(chǎn)生這種情況的原因是因為電容正向完全充滿電之后，進(jìn)行反向充電的同時要進(jìn)行放電，在1個周期內(nèi)完成完整充放電過程，因此會出現(xiàn)電流疊加，出現(xiàn)了不對稱現(xiàn)象，峰值電流大約會變?yōu)樵瓉?倍。但是通過實際波形發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容為0.033 μF及0.33 μF時，峰值電流達(dá)到了理論分析值，而當(dāng)電容為3.3 μF時，第1個峰值電流以后的其余峰值電流均在23 A左右，表明此電容在1個周期內(nèi)不能完全充放電，電能利用率較低。

2.2 不同疊加波形下的超聲激勵能量及熱輸入大小

吳敏生等人[11]研究表明電弧超聲激勵能量與疊加波形的峰值電流的大小成正比，因此，限流電阻的變化對超聲激發(fā)強(qiáng)度具有直接的影響，超聲激勵能量大小可用電弧超聲聲壓來反映，具體的關(guān)系式可參考文獻(xiàn)[11]：

Pu=3.181 14I峰+1.106 23

(8)

式中:Pu為超聲聲壓;I峰疊加電流波形的峰值電流幅值，提取疊加波形的電流幅值數(shù)據(jù)，代入式(8)中可得到不同參數(shù)下的超聲聲壓大小。不同參數(shù)下的超聲聲壓及焊接熱輸入如圖6所示，從圖中可以看出，超聲激勵電壓隨限流電阻及電容的增大而減小。當(dāng)固定電容，增大限流電阻阻值，焊接熱輸入逐漸減小，焊接熱輸入均超過原始焊接熱輸入，但超出幅度不大；固定限流電阻為10 Ω，增大電容容量，焊接熱輸入逐漸增大。當(dāng)電容為0.033 μF時，焊接熱輸入僅比原始焊接的熱輸入增大6.28 W；當(dāng)電容為0.33 μF時，焊接熱輸入明顯增大，比原始焊接熱輸入增大51.33 W；當(dāng)電容為3.3 μF時，焊接熱輸入比原始焊接熱輸入增大123.42 W。

圖6 器件參數(shù)對超聲激勵電壓及焊接熱輸入的影響

3 最佳疊加波形特點描述

相同的超聲電壓及超聲頻率下，焊接電流的疊加波形取決于限流電阻和電容的數(shù)值，不同的疊加波形具有不同的超聲激勵能量及焊接熱輸入。超聲激勵能量同焊接熱輸入對焊接質(zhì)量具有不同的影響。超聲激勵能量越大，越有利于細(xì)化焊縫晶粒；焊接熱輸入越大，越容易導(dǎo)致焊縫晶粒粗化，因此兩者對晶粒細(xì)化作用是矛盾的。因為，為了保證焊縫晶粒細(xì)化，必須選擇超聲激勵能量較大且焊接熱輸入較小的疊加波形。

結(jié)合圖6可知，限流電阻和電容的容量較小時，疊加波形對應(yīng)的超聲激勵能量較大，同時焊接熱輸入與無超聲信號疊加時的焊接熱輸入相比接近，是比較理想的疊加波形，對于文中所給定的參數(shù)中，當(dāng)限流電阻阻值為10 Ω，電容容量為0.033 μF時，疊加波形最為理想。

4 結(jié)論

(1) 超聲電脈沖信號與直流MIG焊信號耦合，通過改變耦合參數(shù)，可獲得不同類型的復(fù)合焊接電信號波形，3種波形具有不同的特點。

(2) 超聲熱輸入及超聲激勵強(qiáng)度大小是選擇復(fù)合焊接電信號波形的關(guān)鍵，應(yīng)選擇超聲熱輸入較小，且超聲激勵強(qiáng)度較大的疊加波形，以避免熱輸入過大導(dǎo)致焊縫晶粒的粗化。

(3) 仿真結(jié)果表明，當(dāng)限流電阻和電容的容量較小時，疊加波形對應(yīng)的超聲激勵強(qiáng)度較大，同時焊接熱輸入較小。當(dāng)超聲電源電壓為200 V，限流電阻阻值為10 Ω，耦合電容容量為0.033 μF時，疊加波形較理想。