超聲對等離子電弧的影響及焊接試驗研究

范成磊，謝偉峰，楊春利，林三寶，孫清潔，范陽陽

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超聲對等離子電弧的影響及焊接試驗研究

范成磊1，謝偉峰1，楊春利1，林三寶1，孫清潔2，范陽陽3

(1. 哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001； 2. 哈爾濱工業大學(威海) 山東省特種焊接技術重點實驗室，山東威海 264209；3.東方電機有限公司，四川德陽618000)

隨著現代工業生產技術的發展,超聲波在材料加工領域應用越來越廣泛，相繼出現了多種超聲波與焊接相結合的方式，在一定程度上提高了焊接質量和生產效率，增強了焊接的適應性。詳細介紹了一種超聲電弧技術，即利用外加超聲源調控等離子電弧作為相應熱源進行焊接的技術。電弧試驗研究顯示，受超聲調制的等離子電弧呈規則的圓錐形，壓縮明顯，電弧中心區壓力增大。在焊接試驗中，發現施加超聲后，焊接熔滴尺寸更小，過渡頻率明顯增加，焊縫的熔寬和熔深都不同程度增加。利用該方法可以克服普通電弧焊接熔深淺、電弧能量不集中、焊接效率低等缺點。

超聲；等離子電弧；壓縮效應；熔滴過渡

0 引言

焊接技術[1]，它采用熱、電、光、聲、磁等一切可以利用的熱源，借助電子、計算機等先進的控制技術，應用于能源、航空航天、環境、海洋、船舶、汽車、壓力容器等領域。在其應用過程中，由于技術上的突破，理論上的逐步成熟，使它成為一門系統的技術科學[2]。隨著技術的發展，焊接的應用也越來越廣泛，目前，世界主要工業國家生產的焊接結構占到鋼產量的50~60%[3]。其中弧焊的應用最為廣泛。電弧焊是通過焊槍將氣體(如惰性氣體氬和氮)轉換為等離子高焓氣體并作為熱源的冶煉連接方法，普通電弧焊接多屬于弱等離子弧熱源。為了拓展電弧焊的應用范圍，同時進一步提高焊接效率，出現了許多新的弧焊方法。通過對焊接熱源的調控以改善正常規范下的電弧特性及焊縫熔池形貌，如高頻脈沖氬弧焊[4]、激光增強電弧復合焊[5]、雙面電弧焊[6]及雙鎢極TIG[7]等。但是目前上述方法仍存有不足，如輔助工序多、焊接效率低、成本高及很難適用于密閉容器等問題。

鑒于超聲的相關優點，越來越多學者將超聲振動引入到焊接中，如超聲輔助焊接、焊后超聲沖擊處理[8]、功率超聲焊接[9]、超聲釬焊[10]等。這些方法在不同層次上將超聲的優點引入到焊接過程中，起到了細化晶粒的作用[11]。不過以上超聲引入都是在固態物質緊密接觸情況下，將超聲振動作用到焊縫區的金屬，超聲效果不免會受到焊接工件的空間結構的影響。結合常規電弧焊接及超聲振動輔助焊接的相關特點，本文提出了超聲與電弧復合焊接方法，針對超聲對電弧和焊接熔滴的影響作初步研究。

1 研究方案

本研究分別進行了超聲鎢極氬氣保護等離子電弧形態研究試驗(U-TIG)和超聲熔化極氬氣保護焊接試驗(U-MIG)。電弧實驗中以水冷銅板作陽極，非熔化鎢極作電弧陰極，在兩極間形成等離子弧，焊接電源為LORCH-V24焊機。焊接實驗中以1.2 mm的H08Mn2Si融化焊絲為陽極，Q235低碳鋼作為陰極進行平板堆焊試驗，焊接電源為Kemppi- MIG500焊機。試驗原理圖如圖1所示。超聲電源型號均為CSHJ-1000，電源中心頻率為20 kHz，最大負載功率為220 W，其他試驗相關參數如表1所示。

表1 試驗工藝參數

為分析超聲振動對等離子弧宏觀形態影響，首先對常規電弧圖像進行采集，電弧采集系統如圖2所示，主要包括光學投影儀和數碼照相機兩部分。電弧中心軸線附近部位是電弧溫度最高的區域，也是等離子體最集中、電流密度最大的區域，是熔化母材的能量主要來源。本文將觀測重點放在電弧中心區域，通過減小電弧投影儀光圈濾掉對電弧分析作用較小的電弧周邊區域形態，僅采集亮度最高電弧中心區域形態進行分析。圖3為采集的電弧形態示意圖。圖中灰色區域即為所采集的可視部分即電弧高亮區。另外電弧及熔滴微觀形態變化研究試驗均采用高速攝像系統完成，其中高速相機采集頻率為3000 fps。電弧壓力采用通用的靜態小孔法測量。焊接過程中電信號采集選用LEM公司的LT1000-S型電流傳感器和LV28-P型電壓傳感器，并利用USB2813數據采集卡將數據傳輸到計算機，采集頻率為11500 Hz。

2 試驗結果與分析

2.1 超聲對電弧的影響研究試驗

2.1.1電弧形態的變化

保持其他工藝參數不變，每次將焊槍整體向上調節，電弧穩定后進行電弧形態的采集，實驗過程中輻射端高度與電弧長度同時按0.3 mm遞增。為了清晰地分辨電弧中心區域形態，更有利于電弧形態變化的分析，對采集到的電弧圖片進行閾值處理。常規電弧和超聲電弧形態對比如圖4所示，圖中左側為常規電弧，右側為超聲電弧。圖像采集條件相同，閾值也非常接近，可以初步認為電弧圖像中相同灰度區域代表的弧光強度區間是相同的，而弧光強度則與電弧溫度有著直接的聯系。在電弧空間中，受激發電子極不穩定，短時間內將從高能級狀態回到較低的激發能級或基態能級上，電子的能量差將以輻射的形式放出，產生不同頻率的光量子，形成電弧輻射，其中可見光頻段的電弧輻射形成肉眼可見的電弧形態。電弧溫度越高，處于高能級狀態的電子數量越多，其電弧輻射越強，電弧形態高亮區域的面積越大。通過電弧形態中高亮區域的變化可以判斷電弧空間中的溫度變化情況。

圖4 常規電弧和超聲電弧形態對比

從圖4中可以看出：隨著弧長增加，超聲電弧的高溫區域分布發散，但是超聲作用下的電弧高溫區域向下擴展明顯。鎢極端部亮度最高的白色部分的區域面積擴大，其在電弧軸向上的長度增加，超聲作用下的電弧中心區域溫度升高。超聲作用下電弧形態整體出現收縮現象，電弧中心區域半徑減小，軸向長度增加，中心發亮部分向工件延伸，電弧挺度也隨之增加。但是不同電弧高度條件下所表現出的壓縮程度不一。

2.1.2 電弧壓力的變化

圖5是焊接電流()和電弧長度()分別為50 A和2~5 mm時，不同輻射端高度()的電弧壓力徑向分布曲線。由于穩態電弧呈中心對稱分布，圖中只示出其正半軸。由圖5的電弧壓力分布圖可以看出，施加超聲振動后電弧壓力分布形式不變，中心區域壓力最大，邊緣處壓力逐步減小。超聲振動對電弧壓力的影響趨勢相似，即超聲作用下電弧壓力水平整體增加。如圖5(a)所示，在電弧長度為2 mm的情況下，電弧壓力隨著輻射端高度增加而增大，在輻射端高度為26 mm時，超聲電弧壓力最高值達145.7 Pa，相當于常規電弧壓力的141%左右。以電弧壓力峰值為考察目標時，隨著電弧長度的變化，與之匹配的輻射端高度也各有不同，總體呈現出電弧長度與輻射端高度相匹配。

(a)=50 A，=2 mm

(b)=50 A，=3 mm

(c)=50 A，=4 mm

(d)=50 A，=5 mm

圖5 電弧壓力徑向分布

Fig.5 Radial distribution of arc pressures for different arc lengths

在電弧中引入超聲振動，影響電弧壓力分布。電弧長度不同時，超聲作用的最佳輻射端高度各不相同，以電弧壓力最高峰值衡量，電弧長度分別為2、3、4、5 mm時，電弧中心壓力峰值最大，分別為145.7、99.3、80.0、74.0 Pa。相同條件下常規電弧壓力峰值分別為103.3、67.4、53.3、43.0 Pa，超聲電弧壓力峰值增加量分別為41.0%、47.3%、50.1%、72.1%，隨著電弧長度的增長，與之匹配良好的輻射端高度降低，最大峰值壓力提高幅度漸增。主要是由于電弧長度增加導致超聲作用的電弧空間增加，并且弧柱內粒子密度降低導致電磁收縮力降低，超聲對電弧壓縮效果明顯，壓力峰值增量變大。基于對壓力分布曲線的歸納，電弧長度增加最佳輻射端高度降低，主要是因為隨著電弧的增長，電弧向環境中散失的熱量增加，引入的超聲能量尚不能彌補其散失的熱量，導致電弧溫度下降，聲場諧振曲線會向左方向偏移，表現為輻射端高度降低才得以滿足聲場諧振要求。在其他焊接電流下輻射端高度對電弧壓力分布的影響規律基本相同。

2.1.3 電弧挺直度的分析

試驗采用先點燃電弧，后加超聲波的方式對電弧挺直度進行分析。為使電弧輪廓更為清晰，便于觀察，對采集到的圖像進行二值化處理。圖6為電弧長度4 mm時施加超聲前后電弧的變化情況。由圖可見未施加超聲振動(=0)時，電弧呈自由狀態鋪展，施加超聲后，整個電弧都受到超聲場的拘束和限制作用而產生壓縮。隨著作用的繼續，最終電弧呈現較為規則的圓錐形，電弧的高溫區被拉長，這樣的電弧形態對實際的焊接過程是極為有利的。

在焊接生產中，焊接電弧由于導線接線位置、鐵磁性物質、弧長較長等原因而受到足夠大干擾時，就會導致電弧偏離電極軸線，引起偏吹，降低電弧的穩定性。為了清晰表達超聲對電弧的作用，驗證電弧挺直度，進行了電弧偏吹條件試驗，結果如圖7所示。試驗前將常規電弧調節為偏吹狀態，點燃電弧后施加超聲振動，高速攝像中可以明顯發現電弧偏吹現象減輕、電弧挺直度提高的效果。并且從試驗中可以看出，超聲的作用方式為逐層加載，就焊接電弧而言屬于外加方式，而非改變焊接電源獲得的結果。

(a)=0 s (b)=0.001 s

(c)=0.002 s (d)=1 s

圖7 施加超聲前后電弧形態(偏吹狀態)

Fig.7 Dynamic photos of arc visible profile before and after ultrasound applied (side-blowing condition)

2.1.4 電弧局部光譜的分析

為了進一步研究超聲對電弧內部的物理過程及現象，進行局部光譜分析。通過調節光纖入口位置，使電弧中距母材表面不同高度截面所發出的光輻射進入光譜儀，沿電弧徑向移動入口，每次移動2 mm，從而獲得電弧不同截面徑向的光譜分布。選取波長為434.81 nm的特征譜線作為研究對象。電弧長度為4 mm，輻射端高度為22 mm，對電弧中部距陽極2.5 mm處(1)及電弧下部距陽極0.5 mm處(2)進行光譜分析，普通電弧和U-TIG電弧具體測試點軌跡如圖8所示。

圖9為距銅板2.5 mm處常規電弧和超聲電弧特征譜線強度對比。縱坐標為譜線強度，橫坐標為距電弧中心徑向距離。可以看出，靠近電弧中心區域，由于超聲電弧溫度提高，譜線強度更強。超聲電弧譜線強度分布更陡，在徑向距離為2 mm時開始低于常規電弧，這是由于超聲電弧收縮，徑向分布半徑減小，該測試點偏離了電弧位置所導致。圖10為距銅板0.5 mm處特征譜線強度對比。靠近陽極的電弧尾部，超聲電弧并沒有明顯的收縮趨勢，但是其譜線強度皆有較大提高，表明超聲電弧溫度更高，對陽極的熱輸入更大。超聲電弧尾部收縮不明顯原因主要有兩點，一是超聲波傳遞到陽極表面時，會發生較強的反射作用，導致該處超聲波對粒子作用的紊亂，聲輻射力不能有效壓縮電弧粒子；二是由于電子的加速過程，陽極表面電子速度較大，超聲波傳遞速度無法與之匹配也會造成作用的不明顯。

2.2 超聲電弧焊接試驗

與常規電弧焊相比，超聲電弧復合后電弧特征發生了顯著變化，而電弧行為的變化直接影響到熔滴過渡過程中焊絲熔化、熔滴形成、熔滴脫落的過程，并最終影響焊縫成形。

2.2.1 超聲對熔滴過渡的影響

圖11和圖12為普通電弧焊和超聲電弧復合焊的一個滴狀過渡周期。從圖11可以看出，普通電弧焊過程中熔滴位置較高，熔滴呈球狀并逐漸長大。在該試驗條件下，熔滴直徑達到2.85 mm左右，約為焊絲直徑的2.5倍，單個熔滴過渡周期為106 ms，測得熔滴過渡頻率結果顯示為10 Hz。在圖12所示的超聲電弧焊過程中，電弧同樣表現出收縮而且亮度更高的特點。在熔滴過渡的過程中，熔滴的尺寸減小，過渡周期僅為28 ms，過渡頻率達到32 Hz。從熔滴形狀來看，當熔滴直徑接近焊絲直徑后，熔滴就開始在軸線方向上發生了明顯的拉長，而熔滴直徑幾乎保持不變。從2.951 s后就可以看出熔滴的直徑始終與焊絲直徑幾乎保持一致而在焊絲軸線方向不斷增大，脫離焊絲時呈細長的橢球狀。同時，熔滴和焊絲之間的頸縮形成時間更短，持續時間更久、形狀表現出更細長的特點。

=3.603s=3.613s=3.623s=3.632s

=3.642s=3.651s=3.661s=3.671s

t=3.680s t=3.690s t=3.700s t=3.709s

=2.943s=2.946s=2.948s=2.951s

=2.953s=2.956s=2.958s=2.961s

t=2.963s t=2.966s t=2.968s t=2.971s

2.2.2超聲對焊縫成形的影響

焊縫成形是焊接過程中電弧熱作用和熔滴過渡特點的最終體現。普通電弧焊接和超聲電弧復合焊接宏觀形貌如圖13所示。普通電弧焊接的焊道仍保持窄而高的特點，而超聲電弧復合焊道則鋪展良好，焊道寬度明顯增加，而且焊縫尺寸的均勻性要優于普通電弧焊接。

圖14為焊縫斷面形貌對比。超聲電弧復合焊接在滴狀過渡時仍然能夠保持良好的熔池金屬鋪展和對稱的熔池形態，其熔深和熔寬均有不同程度增加，這主要是由于超聲的加入顯著改善熔池金屬的鋪展，使焊縫熔寬增加，余高降低，而且焊縫的熔深也有不同程度的增大，在母材上獲得了更大的熔化面積。母材熔化特點的變化主要是由電弧加熱特點的變化引起。在超聲電弧復合焊接過程中，電弧形態明顯收縮，亮度和挺度均有增加，對母材的加熱更加集中而且穩定，因此有助于獲得穩定的熔池狀態和更大的熔化面積。

3 結論

通過超聲電弧復合試驗發現，施加超聲后，等離子電弧明顯壓縮，呈圓錐形，電弧中心區壓力顯著增加。

通過超聲電弧焊接試驗發現，施加超聲后，焊接熔滴尺寸更小，過渡頻率明顯增加，在試驗條件下，熔滴直徑接近焊絲直徑，過渡頻率提高2倍多。焊縫熔寬和熔深都不同程度增加。

關于等離子聲學的研究一直是熱點也是難點，本文通過相應試驗研究也為深入理解聲能對等離子體調制打下良好基礎，也為該焊接工藝的深入研究及將來實用化推廣做好準備。

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Effect of ultrasound on plasma arc and experimental research on welding

FAN Cheng-lei1, XIE Wei-feng1,YANG Chun-li1, LIN San-bao1, SUN Qing-jie2, FAN Yang-yang3

(1. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, Heilongjiang,China;2.Shandong Provincial Laboratory of Special Welding Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, Shandong, China; 3. Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., Deyang618000, Sichuan, China)

With thedevelopment of modern industry,the applicationof ultrasound inmaterials processingis getting more and morewidespread and important. There are manyultrasonund- welding methods, all of those have improvedwelding quality andproductionefficiency to a certain degree, and enhancethe adaptabilityofwelding. An ultrasonic-arctechnique, utilizingexternalultrasonic sourceto regulateplasma arc(welding heat source), isdescribed in detailin this paper.The arc test shows that theshape of the arc modulated by ultrasound isconicalinstead ofbell-shaped, and thiscompression effectis very obvious.While in thewelding test, with ultrasound, the size of weldingdroplet is smaller than that without ultrasound, and the transition frequency is significantlyincreased.By using thismethod, some of theshortcomingsin ordinaryarc welding can be overcomed, such asarc energydivergence,the low qualityof weldsand low weldingefficiency.

ultrasound;plasma arc; compression effect;droplet transition

TB559 TG456

A

1000-3630(2015)-01-0029-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.006

2013-11-21;

2014-01-24

國家自然科學基金資助項目(51275134)

范成磊(1976－), 男, 副教授, 研究方向為焊接過程控制及高效焊接。

謝偉峰, E-mail: xiewf1985@163.com