焊丝自转式MAG焊焊接过程与接头组织分析

焊丝自转式MAG焊焊接过程与接头组织分析 焊丝自转式MAG焊焊接过程与接头组织分析

曾 红1， 纪 昂2,3， 于 江2， 吴 辉2， 张洪涛2

(1. 哈尔滨理工大学 荣成学院机械工程系，荣成 264300；2. 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院，威海 264209； 3. 徐工集团 江苏徐州工程机械研究院，徐州 221004)

摘 要：提出了通过焊丝自转搅动熔池进而细化焊缝组织的MAG焊接新方法. 试验中采集了焊接过程电信号和熔池形态，分析了焊丝转速对低碳钢表面堆焊接头组织特征的影响. 结果表明，焊丝自转可以增加短路过渡的频率，使焊接过程更稳定，熔滴过渡近似熵的计算也证明焊接过程的稳定性可以明显地提高. 利用钨颗粒示踪技术可以发现焊丝自转能够显著增加熔池金属流动性，熔池宽度随着焊丝自转速度的改变先变大后变小，焊缝金相组织分析也证明熔池流动性的改变可以有效细化焊缝金属晶粒，减少联生结晶的生成.

关键词：焊丝自转；熔滴过渡；熔池流动；焊缝组织

0 序 言

焊丝自转式MAG焊是一种将自转运动施加在向下送进焊丝上的一种焊接新方法. 根据粘性流体动力学中流体分子运输性质理论可知[1]，焊丝端部的熔滴会随焊丝旋转，熔滴的旋转可以提高熔滴过渡频率，增强熔池流动性，最终可以改善焊接过程的稳定性和接头组织性能.

目前在焊丝运动方式上应用比较成熟的主要有CMT技术[2]. CMT技术通过焊丝的机械回抽来实现短路过渡时熔滴的正常脱落[3, 4]. 相比之下，提出的焊丝自转式MAG焊可以通过熔滴旋转产生的离心力来促进熔滴的过渡(焊丝末端仅微小偏心，可忽略)，另外由于焊丝的自转运动，使得焊接过程与熔池的流动也发生了明显的优化，具有独特的优点.

试验中搭建了焊丝自转式MAG堆焊焊接试验系统，通过试验过程中的电信号与熔池图像采集系统、钨颗粒示踪试验等手段分析焊丝自转速度对焊接过程的稳定性、熔池行为的影响，辅以接头微观组织分析，为外加能量辅助熔焊技术探索新的道路.

1 试验系统及焊接试验

试验系统由自主研制的焊丝自转式MAG焊接设备和控制系统组成. 图1为焊丝自转式MAG焊焊接过程示意图，焊丝自转速度的调节范围为0～600 r/min. 焊接过程中主要采用堆焊的方式进行，母材为Q235钢板，焊丝为直径1.2 mm的H08Mn2-SiA，保护气体为80%Ar+20%CO2混合气体，试验参数见表1.

图1 焊丝自转式MAG焊接过程示意图

Fig.1 Schematic diagram of autorotating wire MAG welding

表1 试验参数

Table 1 Test parameters

焊前设定电流I/A焊前设定电压U/V焊接速度v/(mm·s-1)气体流量q/(L·min-1)焊丝自转速度n/(r·min-1)200216180～600

试验中电信号与熔池图像采集系统主要包括PCI1710UL采集卡、电流传感器、电压传感器、图像采集卡、工业CCD摄像机和复合滤光器(包括中心波长610 nm、半带宽10 nm的窄带滤光片和透过率为10%的中性减光片)，构成结构如图2所示. 试验中也采用熔池钨颗粒示踪技术来表征熔池流动性的变化，从而分析焊丝转速对熔池流动性的影响.

图2 电信号与熔池图像采集系统

Fig.2 Acquisition system of electric signal and pool image

2 试验结果分析

2.1 焊丝转速对焊接过程稳定性的影响

图3为焊丝转速为0 r/min时的电流电压波形图，可见焊接过程中的过渡形式主要为短路过渡和射流过渡，其中电流峰值和电压谷值相对应处即为短路过渡阶段.

图3 电流电压波形图

Fig.3 Oscillogram of current and voltage

随机选取2 000个信号点，将它们按照电压值做升序排列，统计每一个跨度为1 V的电压范围内采集点的个数，从电压最低侧开始算起，在小电压范围内找出频率首次降至0.5%以下时的电压数值，此电压值即为短路阀值电压. 利用上述方法最终确定短路阀值电压为14 V. 为了降低误差，每个焊丝转速都选取10 000对相对应的电流电压值，得出焊丝转速对短路频率的影响关系曲线，如图4所示.

由图4可以看出，随着焊丝转速的增加，短路过渡频率明显增加. 与0 r/min条件下相比，500 r/min条件下的短路过渡频率增加约8.3%. 一般来说，短路过渡频率常作为衡量短路过渡稳定性的标志，短路过渡频率越高，焊接过程越稳定. 因此，从这一角度来讲，焊丝的旋转因提高熔滴过渡频率而增加了焊接过程的稳定性.

图4 焊丝转速对短路过渡频率的影响

Fig.4 Influence of rotation speed on short circuiting frequency

焊接过程稳定性的改善还可以通过计算近似熵来证明. 近似熵方法是一种统计学方法，它的意义在于区分与时间相关序列的繁杂程度，以表征系统的稳定性[5]. 试验采用近似熵方法对焊接电流信号进行分析，在选择合适的近似熵计算模型和公式后，利用MATLAB编程进行序列近似熵值的计算. 计算对象为焊接稳定阶段10 s内的电流信号，对于不同的焊丝转速，每次计算2 000个点，共计算10次并取其均值，得出如图5所示的堆焊试验过程中焊丝转速对近似熵值的影响曲线.

图5 焊丝转速对近似熵值的影响

Fig.5 Influence of rotation speed on approximate entropy

由图5可知，焊接电流的近似熵值随着焊丝转速的增加而减小，即熔滴过渡过程中电流的变化幅值减小，所以近似熵值能够说明焊接过程的稳定性. 与0 r/min条件下相比，500 r/min条件下基于近似熵理论的焊接稳定性提升约25%，因此焊丝转速的增加能够改善焊接过程的稳定性.

2.2 焊丝转速对熔池行为的影响

采用钨颗粒示踪方法来分析焊丝转速对熔池流动性的影响[6]. 如图6所示，在尺寸为200 mm×60 mm×6 mm的Q235母材长度方向的中部位置，每隔10 mm钻一个直径3 mm、深1 mm的小孔，共钻11个孔，每个孔里面放有7粒外形尺寸约为0.7～0.8 mm的钨颗粒，用手工氩弧焊将孔填满，然后磨平备焊. 选择0,500 r/min转速来对比分析，其他试验参数基本不变. 焊接完毕后，沿着焊趾将整个焊道切下，用X射线分别从焊道的正面和侧面照射，将所得胶片进行暗室处理，得到焊缝的俯视和侧视图像，通过分析钨颗粒的分布形态，得出焊丝转速对熔池行为的影响[7].

图6 钨颗粒放置过程示意图(mm)

Fig.6 Placement schematic of tungsten particles

图7为钨颗粒示踪试验焊件的X射线探伤照片，焊接过程中，熔池中心温度可达5 000 K，会有部分钨颗粒被全部或部分熔化而使其尺寸减小，形成图7中所示的细小颗粒.

图7 钨颗粒示踪试验焊件的X射线探伤照片

Fig.7 X-ray inspection photos of weldments

如图7所示，在相同转速条件下，俯视和侧视方向上钨颗粒分布差异较大，这主要是由于钨颗粒在侧视方向上叠加所致. 由于切下的焊道的宽度要大于焊板的厚度，所以相比于俯视方向，侧视方向的探伤照片有些偏白. 由图7a、图7b两图对比可知，在俯视方向，500 r/min对应焊缝中的钨颗粒分布更宽、更分散一些. 由图7c、图7d两图对比可知，在侧视方向，500 r/min对应的焊缝中，有一些钨颗粒处于焊缝的上部，甚至出现在余高里. 钨的密度是19.35 g/cm3，远大于液态铁的密度，因此焊丝的旋转能够有效增加熔池金属的流动性.

熔池视觉传感技术能够直观获取熔池的动态和静态图像，进而对熔池的尺寸和形态做出更精确的分析判断. 利用CCD摄像机从熔池的右前方获取图像，CCD镜头轴线与母材表面成45°角，镜头轴线的垂面和焊道中心线的垂面间夹角也为45°. 所得图片经中值滤波、阀值分割、腐蚀以及膨胀处理后[8]，采用拉普拉斯-高斯算子法提取熔池边缘，可得如图8所示的熔池边缘提取图像.

图8 整体熔池边缘提取图像

Fig.8 Extraction image of whole pool edge

根据提取出来的熔池边缘，测量熔池的宽度，图9为焊丝转速与熔池宽度之间的变化曲线，从图9中可以看出，随着焊丝转速的增加，熔池宽度先增大后减小. 这种变化一方面是因为焊丝旋转速度增大到一定程度以后会使熔池流动性急剧增加，进而使熔池流体有向中心聚集的趋势；另一方面，焊丝旋转产生的离心力在短路过渡时有助于拉断液相小桥，

图9 焊丝转速对熔池宽度的影响

Fig.9 Influence of rotation speed on pool width

使得焊接电流降低，所以焊接热输入也会降低，这样不仅会减小熔深，也会减小熔宽，即熔宽的变化是熔池流动性增加和焊接热输入降低综合作用的结果.

2.3 焊丝转速对接头组织的影响

焊接接头包括焊缝区、熔合区以及热影响区三个部分，焊丝的旋转主要对焊缝区和熔合区两个区域产生影响. 在焊缝区，由图10可以看出，0 r/min条件下，焊缝中心的柱状先共析铁素体呈网状分布且宽度较大，其方向性极其明显. 而500 r/min条件下，焊缝的先共析铁素体很细，很不明显，几乎看不到一次结晶组织的边界，即高的焊丝转速能显著降低先共析铁素体的数量和形貌尺寸.

图10 不同焊丝转速条件下焊缝区的组织

Fig.10 Weld zone with different rotation speeds

在熔合区，由图11可以看出，在焊丝没有旋转的条件下，会发现贯穿熔合线的联生结晶晶粒，而在较高的焊丝转速下几乎没有铁素体组织及晶粒贯穿熔合线的现象. 所以焊接过程中的焊丝旋转能有效减少甚至消除联生结晶的发生，从而降低焊缝中杂质的偏析程度[9].

图11 不同焊丝转速条件下熔合区的组织

Fig.11 Fusion zone with different rotation speeds

3 结 论

(1) 焊丝自转式MAG焊通过旋转焊丝来改善焊接过程与熔池流动行为，提高整个焊接过程的稳定性.

(2) 利用钨颗粒示踪方法发现熔池的流动性会随着焊丝转速的增加而得到明显的改善.

(3) 焊丝自转式MAG焊熔池的宽度会随焊丝转速的增加先变大后变小，这是熔池流动性增加和焊接热输入降低综合作用的结果.

(4) 由于熔池流动性增强，焊缝组织中的先共析铁素体和熔化区的联生结晶会随着焊丝转速的增加而明显减少甚至消失，晶粒明显细化，接头组织得到较大的改善.

参考文献：

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[9] 张文钺. 焊接冶金学(基本原理)[M]. 北京: 机械工业出版社， 1999.

收稿日期：-01-25

基金项目：泰山学者工程(tsqn1062)

作者简介：曾 红，女，1978年出生，硕士研究生. 主要从事机电控制方面的科研与教学工作. 发表论文7篇. Email: xyjr@

通讯作者：张洪涛，男，博士，副教授. Email: zhanght@

中图分类号：TG 444

文献标识码：A

文章编号：0253-360X()04-0091-04

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