超聲等離子焊接在液壓支架修復(fù)工藝中的應(yīng)用

劉曉玲

(青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427)

0 前言

液壓支架作為最重要的煤礦支護設(shè)備之一，在工作中長期承受壓力、腐蝕和磨損等作用。液壓支架的局部機械疲勞[1]、摩擦損傷較為常見，需要定期進行修復(fù)和維護，否則存在巨大的安全隱患。然而，由于液壓支架的關(guān)鍵承載部件對強度、精密、密閉性[2]要求較高，常規(guī)補焊修復(fù)的效果難以滿足工程需要，導(dǎo)致大量支架被淘汰。雖然激光熔覆技術(shù)[3]在液壓支架修復(fù)[4]方面有著良好的應(yīng)用效果，但成本居高不下，且工藝方面仍存在諸多限制，比如，加熱和冷卻過快造成的熔覆層熔融時間過短造成光斑外緣和內(nèi)緣差別大，導(dǎo)致組織形成不平衡，應(yīng)力分配不勻；激光熔覆對設(shè)備要求較高，部分工藝排氣浮渣不充分，易造成硬度不均，形成氣孔、夾渣等問題。

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，高精度、低成本的超聲波等離子弧焊[5]得到廣泛認可，相比傳統(tǒng)弧焊，其具有能量集中、熱影響區(qū)小、焊縫表面光潔等優(yōu)點，在超聲波的作用下，熔池拉伸效果顯著，熔滴[6]過渡更為平滑。為此，文中提出將應(yīng)用于液壓支架修復(fù)工藝，通過試驗和數(shù)值模擬方法，研究焊接參數(shù)對修復(fù)工藝的影響，適用于液壓支架中厚壁零件的高強度、低變形修復(fù)，如中缸活塞段、立柱、支架本體構(gòu)件等，確保最佳補焊效果。

1 液壓支架修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 超聲等離子弧焊系統(tǒng)組成

為研究超聲波對液壓支架修復(fù)效果的影響，設(shè)計超聲波等離子弧焊系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括焊接系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)。在焊接系統(tǒng)中，焊槍電極為鎢極，通過耦合接頭與超聲變幅桿[7]連接，超聲波的持續(xù)作用使得離子弧具有高頻振動特性，對熔池有一定的晶粒破碎作用。

圖1 超聲波等離子弧焊系統(tǒng)的組成

為確保等離子弧的穩(wěn)定性，等離子氣和保護氣均選用氬氣，焊接電源采用數(shù)字焊機，電流調(diào)節(jié)與PWM生成均基于DSP處理器實現(xiàn)。超聲波參數(shù)的控制主要通過超聲電源和超聲環(huán)能器完成，對外最大輸出功率為600 W，超聲振頻可達25 kHz，振幅可達30 μm。在上位機控制系統(tǒng)中，等離子弧的生成與熄滅、焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)、鎢極的運動軌跡等均由PCI數(shù)據(jù)卡實現(xiàn)指令控制。此外，上位機系統(tǒng)能夠針對焊接過程中的相關(guān)傳感器信號與圖像信號進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控焊接過程，防止出現(xiàn)異常。立柱修復(fù)工藝及形貌如圖2所示，可以看出：修復(fù)后的立柱熔覆層表面光滑、厚度均衡，未出現(xiàn)任何焊接損傷缺陷，打磨后的同軸精度非常高。

圖2 立柱修復(fù)工藝及形貌

1.2 焊接參數(shù)及條件設(shè)定

根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)定焊接修復(fù)工藝參數(shù)如下：調(diào)節(jié)鎢極噴嘴的直徑為3 mm，內(nèi)部收縮量為1.8 mm；焊接過程中，通過焊接平臺執(zhí)行機構(gòu)，使鎢極噴嘴端部與支架表面的距離保持在4～5 mm；固定被焊支架的惰性保護氣體流量為25 L/min，維持形成等離子的氣體流量為2.5～3.0 L/min；調(diào)整數(shù)字焊機的工作電流至100 A，調(diào)節(jié)超聲電源的輸出功率至500 W。

焊接系統(tǒng)中的上位機系統(tǒng)可實時采集等離子電弧壓力和電流密度，這也是衡量等離子焊接穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。電弧壓力采用氣體壓力傳感器[8]進行采集，電流密度采用電流傳感器測量。數(shù)據(jù)采集過程中，保持各個傳感器與工作臺同步運動。以10 mm直徑的陽極電弧為被測對象，在徑向方向等間隔選取若干點進行采集，以5組數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。有超聲振動(U-PAW)和無超聲振動(PAW)的電弧壓力和電流密度對比結(jié)果分別如圖3和圖4所示，可以看出：超聲波可有效提升電弧壓力，特別是電弧中心，同等條件下將電弧壓力增大了20%以上，使得焊接熱流更為均衡、穩(wěn)定；當電弧直徑小于4 mm時，超聲波振動可顯著增強電流密度，能量也更為集中，可有效減小熱影響區(qū)范圍，減小焊后變形。

圖3 電弧壓力變化規(guī)律

圖4 電流密度變化規(guī)律

2 超聲場有限元分析

2.1 控制方程

超聲場特性分析屬于壓力聲學(xué)[9]的研究范疇，其在等離子焊接中的控制方程可采用亥姆霍茲方程[10](Helmholtz equation)來描述。亥姆霍茲方程能夠有效和充分地表征超聲波在傳播過程中的振動特性，便于特征頻率的求解，其程表達式為:

(1)

邊界條件引入超聲速度v，在簡諧波條件下，其表達式為:

v=2πfAvcos(2πft)

(2)

式中：f為超聲特征頻率；Av為振動幅值；t為時間。

液壓支架修復(fù)系統(tǒng)中的超聲波動特征頻率與機械系統(tǒng)有相似之處，均具有離散性，同時也具有自身固有特性，比如，在傳播障礙條件下，特定溫度對應(yīng)穩(wěn)定波長，當超聲振動頻率處于特征頻率時，將產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，可作為聲場分析的約束條件[11]。因此，基于亥姆霍茲方程的超聲場分析可得出超聲波對焊接工藝的具體影響。

2.2 模型建立

由于分析目標涉及速度場、壓力場和密度場，屬于多物理場耦合問題[12]，為確保模型的收斂性和計算精度，文中采用COMSOL軟件進行超聲場的有限元數(shù)值模擬。網(wǎng)格精度是決定仿真計算效率和精度的關(guān)鍵因素，因此，聲場的網(wǎng)格尺寸要與波長具有相關(guān)性。根據(jù)超聲波的工作頻率，將網(wǎng)格單元尺寸作如下設(shè)定：噴嘴與10 mm直徑等離子弧結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格，外層模型采用六面體網(wǎng)格；總體單元尺寸要求單波長內(nèi)大于10單元數(shù)量；噴嘴末端的網(wǎng)格進行局部細化，確保APL和AL的質(zhì)量。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，通過網(wǎng)格校驗可知，徑向方向的AL網(wǎng)格滿足要求，超聲波吸收性良好。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

2.3.1速度場與密度場

在液壓支架的焊接修復(fù)過程中，超聲波對等離子氣體的流速和等離子電弧的電流密度有著重要的影響。在氣流速率為2.8 L/min條件下，可得出速度場和密度場云圖分別如圖6和圖7所示。計算結(jié)果可以看出：焊縫中心靠近軸向y坐標為3 mm附近的氣體速度最大，且沿著徑向r逐漸減小；電流密度在電極中心表面附近最大，最大值與傳感器檢測值一致，并隨著z方向和r方向坐標的增大而減小；等離子氣體的流速與電弧的密度有著密切的內(nèi)在相關(guān)性，在靠近焊縫的區(qū)域以近似相反的變化趨勢分布；焊縫中心的溫度最高，受熱膨脹和超聲振動影響，電弧質(zhì)量密度降低，因此氣體流速增大，而較大的氣流量直接改變聲壓，使得電流密度呈反向變化。

圖6 速度場計算結(jié)果

圖7 電流密度場計算結(jié)果

2.3.2聲壓場

在液壓支架的等離子弧焊模型中，超聲振動特性可采用聲壓場的形式進行表征。通過有限元計算，可得出前兩階特征頻率下的聲場響應(yīng)如圖8所示，對應(yīng)的頻率值分別為15.6 kHz和20.1 kHz，均未超出最大激振頻率25 kHz。可以看出：在一階特征頻率振源的作用下，駐波位于遠離電極位置，但噴嘴的尺寸限制明顯減小了傳播范圍；二階特征頻率振源能夠在電極附近產(chǎn)生駐波，由于邊緣區(qū)域的聲壓較大，使得行波的作用更為明顯，使得熔池的拉伸和晶粒破碎效果更好。由此可見，在該焊接系統(tǒng)的工藝參數(shù)下應(yīng)優(yōu)選20 kHz左右的超聲波頻率，可獲得更佳的焊縫激振效果。

圖8 聲壓場計算結(jié)果

3 力學(xué)性能

3.1 硬度

表面硬度是決定液壓支架強度和耐磨性的重要參數(shù)之一。一般地，修復(fù)后的支架表面硬度會顯著提升，但是根據(jù)測試可知，如果修復(fù)后的硬度過大，則會產(chǎn)生明顯的內(nèi)應(yīng)力，誘發(fā)熱裂紋，因此，相比母材硬度不宜超過50%。若硬度分布不均，則會導(dǎo)致應(yīng)力集中問題[13]。為驗證超聲波對等離子弧焊接頭硬度的影響效果，設(shè)定超聲激振頻率為20 kHz，制備U-PAW和PAW 2種金相試樣，基于TMVP-1型半自動顯微硬度計對表面硬度進行測定。設(shè)定加載9.8N，載荷保持時間為10 s，可得出單層焊縫的測試結(jié)果如圖9所示。可以看出：引入超聲振動后的單層焊縫層(U-PAW-1)試樣晶粒相比無超聲振動(PAW)焊縫更為細小，而且壓痕清晰，未出現(xiàn)明顯的微裂紋現(xiàn)象，表明超聲振動對焊縫韌性的提升有著良好的促進作用；焊縫中的板條狀馬氏體和珠光體組織均勻分布，平均尺寸低于20 μm。

圖9 單層焊縫中心壓痕形貌

保持工藝參數(shù)不變，增加焊縫熔覆層，可得出2層(U-PAW-2)、3層(U-PAW-3)和4層(U-PAW-4)焊縫沿徑向方向的硬度變化規(guī)律如圖10所示。可以看出：隨著熔覆層數(shù)的增大，焊縫的硬度略有減小，但各層的穩(wěn)定性均保持良好，這是由于下層焊縫對上層焊縫產(chǎn)生預(yù)熱效果，緩解了冷卻時的應(yīng)力集中問題；單層焊縫的平均硬度相比母材提升了44.6%，且未出現(xiàn)硬度不均衡現(xiàn)象，焊接效果良好。

圖10 焊縫硬度沿徑向變化規(guī)律

3.2 殘余應(yīng)力

液壓支架的焊接修復(fù)作為一種重要的熱加工方法，殘余應(yīng)力σc的控制是非常有必要的，研究殘余應(yīng)力的分布規(guī)律對于焊接與焊后熱處理工藝的優(yōu)化有著重要的指導(dǎo)作用。采用相同的焊接參數(shù)并室溫冷卻后，可檢測得出PAW和U-PAW 2種條件下的殘余應(yīng)力分布如圖11所示。可以看出：由于等離子弧焊方式的熱集中效應(yīng)非常顯著，2種焊接方式均在距離焊縫30 mm以外的區(qū)域受熱影響較弱，殘余應(yīng)力較小，幾乎為0；相比PAW方式，引入超聲振動后的U-PAW焊縫中心的應(yīng)力峰值在數(shù)值上與其接近，但應(yīng)力方向相反，而且隨著遠離焊縫近線性遞減；由于超聲波振動降低了奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，因此當焊縫徑向尺寸大于10 mm時，U-PAW焊縫的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，有效抵消了焊縫中心的壓應(yīng)力，因此宏觀殘余應(yīng)力更小。

圖11 焊縫殘余應(yīng)力沿徑向變化規(guī)律

3.3 沖擊性能

沖擊韌性是衡量液壓支架突發(fā)性受載后安全性與可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，特別是立柱、千斤頂和活塞桿等零件，應(yīng)具有較高的韌性富余量，否則有可能會導(dǎo)致活柱彎曲、缸筒漲裂，甚至卡死等事故。文中以超聲等離子弧焊后的標準試樣為例，通過沖擊試驗可計算出室溫下的沖擊吸收能量為178 J，相比母材提升了45.8%。在掃描電鏡下的斷口形貌如圖12所示，可以看出，補焊后的試樣沖斷后的韌窩[14]相比母材更大，呈拋物線形狀，撕裂棱線較為清晰，表面組織致密，微孔均衡，可有效限制裂紋延伸的馬氏體束的偏角更大，高韌性形貌顯著。

圖12 單層焊縫中心斷口形貌

4 結(jié)論

(1)超聲波對等離子電弧壓力的影響非常顯著，在4 mm電弧直徑內(nèi)能夠獲得集中和穩(wěn)定的電流密度，有效地減小了支架修復(fù)的熱影響區(qū)范圍；由于超聲振動能夠?qū)崿F(xiàn)熔池的拉伸和晶粒破碎效果，并改變奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，因此在能量集中的超聲等離子焊接條件下，修復(fù)后的液壓支架可有效抵消殘余應(yīng)力，減小焊后變形。

(2)根據(jù)超聲等離子弧焊模型的有限元分析結(jié)果可知，液壓支架修復(fù)工藝可優(yōu)選20 kHz左右的超聲波頻率，不但能夠獲得最佳的熔池激振效果，而且可顯著提升焊縫的力學(xué)性能；通過力學(xué)測試可知，熔覆層的硬度和韌性均優(yōu)于母材，而且在多層修復(fù)條件下，硬度仍保持著良好的均衡狀態(tài)。