電弧超聲激勵(lì)共熔池雙鎢極氬弧焊接方法（可編輯）

1、.電弧超聲激勵(lì)共熔池雙鎢極氬弧焊接方法 第 4 5 卷 第 1 期 V o l .4 5 N o .1 上 海 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)2011 年 1 月 J a n2011 JO U R N A L O F S H A N G H A IJI A O T O N G U N I V E R S I T Y文 章 編 號(hào) :1006 - 24 67 2011 01 - 0015- 04電 弧 超 聲 激 勵(lì) 共 熔 池 雙 鎢 極 氬 弧 焊 接 方 法1 2王 建 軍 , 林 濤1. 上 海 第 二 工 業(yè) 大 學(xué) 電 子 與 電 氣 工 程 學(xué) 院 , 上 海 201209;2. 上 海

2、交 通 大 學(xué) 材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院 , 上 海 20024 0摘 要 : 提 出 了 一 種 附 加 電 弧 超 聲 激 勵(lì) 共 熔 池 的 雙 鎢 極 氬 弧 焊 接 新 方 法. 使 用 附 加 超 聲 電 弧 和 主電 弧 完 成 焊 接 過(guò) 程, 附 加 超 聲 電 弧 向 焊 接 熔 池 注 入 超 聲 波 激 勵(lì), 主 電 弧 作 為 主 要 的 焊 接 熱 源, 以 實(shí)現(xiàn) 改 善 焊 縫 金 屬 性 能 及 其 焊 接 效 率 的 功 能. 同 時(shí), 以 3 04 鋼 為 例, 采 用 所 提 出 的 焊 接 方 法 進(jìn) 行 試 驗(yàn).結(jié) 果 表 明, 所 提 出

3、的 焊 接 方 法 可 以 提 高 焊 接 過(guò) 程 的 穩(wěn) 定 性 和 焊 接 效 率, 有 效 細(xì) 化 焊 縫 金 屬 組 織 并 提高 焊 縫 金 屬 的 拉 伸 性 能.關(guān) 鍵 詞 : 超 聲 激 勵(lì); 共 熔 池; 雙 鎢 極 氬 弧 焊; 微 觀 組 織中 圖 分 類 號(hào) : T G 4 3 4 .5文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 : AT w in- A r c T IG W e ld in g w it h U lt r a s o n ic E x c ita tio n1 2W A N G J i a n- j u n , L I N T a o1. Co l l e g e o f E

4、 l e c t r o n i c a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i S e c o n d P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i 201209,Ch i n a ;2. S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i

5、t y ,S h a n g h a i 20024 0,Ch i n a A b s t r a c t : I n o r d e r t o e n h a n c e t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f w e l d b y u s i n g u l t r a s o n i c v i b r a t i o n ,a n e w m e t h -o d o f t w i n - a r c t u n g s t e n i n e r t- g a s T I G w e l d i n g w a s d

6、 e v e l o p e dT h e w e l d i n g w i l l b e c o m p l e t e d b y j o i n t l yu s i n g c o m b i n e d u l t r a s o n i c a r c a n d o r d i n a r y DC a r c t e c h n o l o g yT h e u l t r a s o n i c a r c w a s u s e d f o r i n j e c t i n gu l t r a s o u n d e x c i t a t i o n i n t

7、o t h e m o l t e n p o o l t o i m p r o v e w e l d q u a l i t y ,a n d t h e DCa r c w a s u s e d a s m a i n h e a ts o u r c e t o i n c r e a s e d e p o s i t i o n e f f i c i e n c yT h e f e a s i b i l i t y e x p e r i m e n t o f t h e w e l d i n g s y s t e m w a s d o n e b yu s i

8、n g t h e s t e e l 3 04M e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i s s h o w s t h a t t h e m e t h o d c a n t h i n t h e m i c r o s t r u c t u r e o f w e l dT h e t e n s i l e t e s t i n g u n d e r n a t u r e t e m p e r a t u r e i n d i c a t e s t h a t t h e m e t h o d c a n i m p r o

9、 v e t e n s i l e p r o p e r t i e s o f t h ew e l d e f f e c t i v e l yK e y w o r d s : u l t r a s o n i c e x c i t a t i o n ;c o m m o n w e l d p o o l ;t w i n - a r c t u n g s t e n i n e r t- g a s T I G w e l d i n g ; m i c r o -s t r u c t u r e 1 - 2研 究 表 明 , 超 聲 波 在 熔 體 中 傳 播 ,

10、將 會(huì) 產(chǎn) 生 減 少 偏 析 、 改 變 第 二 相 的 形 成 及 分 布 、 細(xì) 化 晶 粒 并 最空 化 、 聲 流 、 機(jī) 械 和 輻 射 壓 力 等 非 線 性 效 應(yīng) , 因 而 可 終 改 善 金 屬 的 凝 固 組 織基 于 這 種 思 想 , 在 焊 接 過(guò) 程以 打 斷 熔 體 的 枝 晶 、 增 大 過(guò) 冷 度 、 提 高 液 相 形 核 率 、 中 , 可 以 將 超 聲 激 勵(lì) 引 入 焊 接 熔 池 而 改 變 焊 接 熔 池收 稿 日 期 :2010 - 01 - 18基 金 項(xiàng) 目 : 上 海 市 教 育 委 員 會(huì) 科 研 創(chuàng) 新 項(xiàng) 目 08Z Y 81

11、, 上 海 市 教 育 委 員 會(huì) 重 點(diǎn) 學(xué) 科 項(xiàng) 目 J 5 1801作 者 簡(jiǎn) 介 : 王 建 軍 1971 - , 男 , 黑 龍 江 省 雙 城 市 人 , 副 教 授 , 主 要 從 事 焊 接 過(guò) 程 控 制 的 研 究電 話 T e l . : 021 - 5 02173 3 2;E- m a i l : j j w a n g e e .s s p u .c n .16 上 海 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 4 5 卷 內(nèi) 金 屬 的 凝 固 過(guò) 程 , 達(dá) 到 細(xì) 化 晶 粒 、 改 善 焊 接 區(qū) 金 相 每 次 焊 接 前 , 通 過(guò) 電 源 箱 上 的 頻 率 調(diào) 節(jié)

12、 旋 鈕 設(shè) 定 超組 織 而 提 高 焊 縫 性 能 的 目 的利 用 焊 接 電 弧 向 焊 接 聲 電 流 的 頻 率 , 并 在 焊 接 過(guò) 程 中 保 持 頻 率 固 定 , 以 考 3- 4 熔 池 傳 遞 超 聲 激 勵(lì) 的 方 法 已 有 報(bào) 道 , 其 焊 接 電 弧 察 超 聲 波 參 數(shù) 對(duì) 焊 接 過(guò) 程 的 影 響焊 炬 采 用 自 行 改既 是 焊 接 的 熱 源 , 也 是 超 聲 的 激 勵(lì) 源 , 但 其 穩(wěn) 定 性 尚 造 的 一 體 式 雙 鎢 極 焊 槍信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 的 作 用 是 對(duì) 5 需 改 進(jìn) .Da i 將 超 聲 波 發(fā) 生 器 的

13、 變 幅 桿 與 焊 件 表 面 所 接 收 熔 池 中 的 超 聲 信 號(hào) 進(jìn) 行 濾 波 處 理 , 以 驗(yàn) 證 焊接 觸 , 變 幅 桿 以 機(jī) 械 振 動(dòng) 的 方 式 使 超 聲 波 通 過(guò) 焊 件 接 熔 池 中 的 超 聲 激 勵(lì)在 試 驗(yàn) 過(guò) 程 中 , 示 波 器 也 可 直而 引 入 焊 接 區(qū) , 但 將 導(dǎo) 致 超 聲 能 量 無(wú) 法 在 焊 接 區(qū) 集 接 采 集 超 聲 探 頭 的 輸 出 信 號(hào) , 觀 察 熔 池 中 超 聲 波 信 6中 而 無(wú) 法 用 于 大 型 焊 件 .Cu i 等 將 超 聲 波 變 幅 桿 號(hào) 的 特 征直 接 與 工 件 相 連 ,

14、工 件 作 為 變 幅 桿 的 一 部 分 , 利 用 變2 焊 接 工 藝幅 桿 的 振 動(dòng) 而 驅(qū) 動(dòng) 整 個(gè) 工 件 做 高 頻 振 動(dòng) , 但 其 無(wú) 法驅(qū) 動(dòng) 厚 重 焊 件雙 鎢 極 氬 弧 焊 T I G 焊 是 近 年 來(lái) 發(fā) 21 焊 接 電 流展 起 來(lái) 的 一 種 高 效 焊 接 新 方 法 , 是 在 傳 統(tǒng) T I G 焊 基 在 附 加 超 聲 電 弧 和 普 通 T I G 電 弧 組 成 的 雙 弧 7 - 8 8礎(chǔ) 上 發(fā) 展 而 來(lái) 的 , 可 有 效 提 高 焊 接 效 率本 文 結(jié) 系 統(tǒng) 中 , 基 于 雙 弧 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 考 慮 ,T I

15、 G 主 電 3 合 超 聲 電 弧 焊 接 原 理 , 將 焊 接 過(guò) 程 中 的 電 弧 超 聲 弧 采 用 普 通 直 流 焊 接 電 流 , 附 加 超 聲 電 弧 采 用 超 聲 9激 勵(lì) 與 雙 T I G 焊 接 方 法 相 結(jié) 合 , 提 出 了 一 種 附 加 脈 沖 電 流 形 式主 T I G 電 弧 中 采 用 較 大 的 直 流 電電 弧 超 聲 激 勵(lì) 共 熔 池 雙 T I G 焊 接 方 法其 中 , 含 有 流 , 而 超 聲 電 弧 本 身 為 低 電 流 的 高 頻 直 流 脈 沖 電 流 ,一 個(gè) 普 通 的 直 流 電 弧 和 一 個(gè) 具 有 超 聲

16、波 動(dòng) 的 脈 沖 電 其 脈 沖 峰 值 低 于 20 A , 基 值 電 流 約 為 20 A由 于 受 10流 , 采 用 耦 合 方 式 產(chǎn) 生 超 聲 電 弧普 通 T I G 電 弧 到 電 磁 力 的 影 響 , 如 果 2 個(gè) 電 弧 的 電 流 均 較 高 , 則 會(huì)是 焊 接 的 主 要 加 熱 源 , 附 加 脈 沖 電 弧 可 使 焊 接 熔 池 影 響 雙 弧 的 穩(wěn) 定 性 而 使 雙 弧 發(fā) 生 合 并 或 排 斥因 此 ,形 成 超 聲 激 勵(lì) 并 起 到 焊 接 熱 源 的 作 用該 方 法 不 僅 本 文 的 主 電 弧 電 流 低 于 15 0 A , 超

17、 聲 電 弧 的 基 值 電具 有 較 高 的 焊 接 效 率 , 而 且 可 以 改 善 焊 縫 金 屬 的 微 流 為 20 A觀 組 織 和 焊 接 性 能22 焊 接 工 藝在 本 文 的 焊 接 方 法 中 , 主 電 弧 采 用 直 流 電 流 , 附1 焊 接 系 統(tǒng)加 電 弧 的 挺 度 不 如 主 電 弧 , 為 了 防 止 起 弧 過(guò) 程 中 的試 驗(yàn) 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 如 圖 1 所 示其 包 括 2 雙 弧 干 擾 而 導(dǎo) 致 焊 接 過(guò) 程 的 不 穩(wěn) 定 , 需 要 保 證 主 電臺(tái) 交 、 直 流 兩 用 焊 接 電 源其 中 , 一 個(gè) 焊 炬 電

18、 弧 作 為 弧 首 先 起 弧 , 主 電 弧 燃 燒 約 3 5 s 后 , 附 加 超 聲 電主 加 熱 源 , 另 一 個(gè) 焊 炬 用 于 形 成 超 聲 脈 沖 電 弧一 臺(tái) 弧 再 起 弧 , 以 使 主 電 弧 的 下 方 形 成 焊 接 熔 池 而 使 附超 聲 電 源 調(diào) 制 器 , 即 超 聲 波 發(fā) 生 器 、 超 聲 波 信 號(hào) 檢 測(cè) 加 電 弧 容 易 起 弧利 用 微 機(jī) 控 制 起 弧 順 序 , 當(dāng) 檢 測(cè) 到系 統(tǒng) 以 及 焊 接 工 作 平 臺(tái)焊 接 過(guò) 程 控 制 和 數(shù) 據(jù) 采 集 主 電 弧 起 弧 后 , 延 時(shí) 約 3 5 s 而 使 超 聲 附

19、 加 電 弧 起由 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 自 動(dòng) 完 成 ,2 個(gè) 焊 接 電 源 之 間 通 過(guò) 上 弧另 外 , 附 加 超 聲 電 弧 的 噴 嘴 與 焊 縫 的 距 離 比 主 電位 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 通 訊由 于 工 藝 的 特 殊 性 , 計(jì) 算 機(jī) 控 制 弧 的 焊 槍 噴 嘴 與 焊 縫 的 距 離 應(yīng) 短 一 些 , 以 保 證 雙 弧系 統(tǒng) 不 僅 控 制 焊 接 電 流 , 而 且 控 制 焊 接 過(guò) 程 中 2 個(gè) 良 好 的 穩(wěn) 定 性電 弧 的 起 弧 時(shí) 刻 、 焊 接 熄 弧 順 序 及 超 聲 電 流 信 號(hào) 的 23 熔 池 超 聲 信 號(hào) 檢 測(cè)加 入

20、時(shí) 刻 等超 聲 電 流 的 頻 率 控 制 由 手 工 調(diào) 控 完 成 , 只 有 在 焊 接 熔 池 中 存 在 超 聲 振 動(dòng) 時(shí) , 才 有 可 能干 涉 熔 池 金 屬 的 凝 固 過(guò) 程由 于 超 聲 波 會(huì) 向 焊 接 工件 擴(kuò) 散 , 因 此 , 本 文 根 據(jù) 壓 電 陶 瓷 的 壓 電 原 理 檢 測(cè) 金屬 焊 件 中 的 超 聲 波 , 以 工 件 未 融 化 部 分 的 超 聲 傳 遞來(lái) 確 定 焊 接 熔 池 的 狀 態(tài)將 超 聲 接 收 探 頭 置 于 焊 縫 熔 池 附 近 , 如 果 工 件中 存 在 超 聲 激 勵(lì) , 則 可 迫 使 探 頭 產(chǎn) 生 壓 電

21、信 號(hào) , 通 過(guò)對(duì) 信 號(hào) 特 征 分 析 , 對(duì) 比 普 通 直 流 焊 接 與 施 加 超 聲 激勵(lì) 的 雙 弧 焊 接 的 聲 波 接 收 探 頭 輸 出 波 形 , 可 以 確 定熔 池 中 是 否 存 在 超 聲 激 勵(lì)需 要 指 出 的 是 , 在 超 聲 探圖 1 試 驗(yàn) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 圖頭 與 被 檢 工 件 之 間 存 在 空 氣 時(shí) , 超 聲 波 將 被 反 射 而F i g .1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p無(wú) 法 進(jìn) 入 聲 波 接 收 系

22、 統(tǒng) , 因 此 , 在 焊 接 工 件 與 接 收 探 第 1 期 王 建 軍, 等: 電 弧 超 聲 激 勵(lì) 共 熔 池 雙 鎢 極 氬 弧 焊 接 方 法 17頭 之 間 需 采 用 耦 合 介 質(zhì) , 以 消 除 空 隙 而 使 超 聲 波 能 31 試 驗(yàn) 條 件夠 進(jìn) 入 檢 測(cè) 系 統(tǒng)另 外 , 在 焊 接 過(guò) 程 中 , 超 聲 接 收 探 普 通 直 流 焊 接 電 弧 電 流 為 80 A , 附 加 超 聲 雙 弧頭 必 須 與 焊 接 工 件 保 持 相 對(duì) 靜 止 , 即 探 頭 需 要 以 相 焊 方 法 所 用 主 電 弧 焊 接 電 流 為 60 A , 附 加

23、 超 聲 電 弧同 的 速 度 跟 隨 工 件 一 起 運(yùn) 動(dòng) , 否 則 , 無(wú) 法 完 成 檢 測(cè)的 基 值 電 流 為 15 A , 超 聲 脈 沖 峰 值 電 流 為 25 A , 脈檢 測(cè) 結(jié) 果 如 圖 2 和 3 所 示可 以 看 出 : 在 沒(méi) 有 施 沖 占 空 比 為 5 0% , 超 聲 脈 沖 頻 率 為 3 7 k H z所 用 焊加 超 聲 激 勵(lì) 的 條 件 下 , 檢 測(cè) 電 路 的 輸 出 波 形 基 本 平 接 試 件 的 尺 寸 為 3 m m 5 0 m m 25 0 m m焊 接 工滑 , 不 存 在 規(guī) 律 性 的 信 號(hào) 特 征 見(jiàn) 圖 2 ; 而

24、 在 施 加 超 藝 參 數(shù) 為 : 兩 鎢 極 間 距 7 m m , 主 電 弧 長(zhǎng) 約 6 m m , 附聲 激 勵(lì) 的 條 件 下 , 超 聲 接 收 探 頭 的 輸 出 信 號(hào) 的 頻 率 加 電 弧 長(zhǎng) 約 4 m m為 了 保 證 焊 接 過(guò) 程 中 單 位 時(shí) 間內(nèi) 的 焊 縫 熱 輸 入 基 本 相 同 , 本 文 采 用 平 均 電 流 , 即 保特 征 與 超 聲 電 弧 電 流 的 頻 率 十 分 接 近 見(jiàn) 圖 3 持 附 加 超 聲 電 弧 共 熔 池 雙 T I G 焊 接 方 法 的 雙 弧 總電 流 與 普 通 直 流 T I G 焊 接 方 法 的 電 弧

25、電 流 相 等另外 , 選 用 低 強(qiáng) 度 焊 絲 H 00Cr 21N i 10, 以 使 焊 縫 強(qiáng) 度低 于 母 材 強(qiáng) 度 而 便 于 對(duì) 比 分 析32 結(jié) 果 與 分 析采 用 2 種 方 法 所 獲 焊 縫 的 微 觀 組 織 與 焊 縫 垂直 的 截 面 形 貌 金 相 顯 微 照 片 如 圖 4 和 5 所 示可 以看 出 : 在 普 通 直 流 T I G 焊 接 條 件 下 ,3 04 鋼 的 焊 縫組 織 尺 寸 明 顯 較 大 ; 而 施 加 超 聲 激 勵(lì) 后 , 焊 縫 金 屬 尺圖 2 無(wú) 超 聲 振 動(dòng) 的 輸 出 波 形 圖F i g .2 W a v e

26、f o r m w i t h o u t u l t r a s o n i c v i b r a t i o n 寸 明 顯 變 小 , 并 出 現(xiàn) 了 許 多 細(xì) 小 的 針 狀 組 織 , 這 是 由于 焊 縫 中 的 粗 大 組 織 被 打 斷 、 裂 解 為 尺 寸 更 小 的 枝狀 晶 而 出 現(xiàn) 組 織 細(xì) 化 的 結(jié) 果其 組 織 的 細(xì) 化 有 益 于焊 縫 性 能 的 提 高在 施 加 超 聲 激 勵(lì) 后 的 組 織 中 , 雖 出現(xiàn) 了 二 次 分 枝 間 距 增 大 的 現(xiàn) 象 , 但 由 于 針 狀 組 織 的尺 寸 變 小 且 其 方 向 無(wú) 序 , 因 此 , 可 以 降 低 焊 縫 的 脆 裂圖 3