EP/EN模数对铝合金VP-CMT焊熔滴过渡及焊道成形的影响
发布时间：2022-02-13 17:48
利用变极性冷金属过渡技术对铝合金进行平板堆焊,改变参数EP/EN Balance以调整正/负极性的比例。通过高速摄像及电信号采集系统对熔滴过渡过程和焊接过程电信号进行采集分析。通过金相分析,研究EP/EN Balance对焊道成形的影响。结果表明:变极性冷金属过渡堆焊过程中,正极阶段的热输入明显高于负极阶段,从而实现了"冷"和"热"的交替;通过调节EP/EN Balance参数,可以改变正/负极的比例,从而对焊接热输入进行调控;利用变极性冷金属过渡技术对铝合金进行堆焊,焊道外观成性良好;随着EP/EN Balance增加,熔深和接触角增大,余高降低。
【文章来源】：吉林大学学报(工学版). 2020,50(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
采集系统示意图
如图2所示，不同EP/EN Balance的VP-CMT焊接过程均包括EP阶段和EN阶段。在EP阶段，铝板作为阴极发射电子，在铝板表面形成阴极斑点；在EN阶段，焊丝作为阴极发射电子，在焊丝上形成阴极斑点[10]。电流极性转变（EP与EN转变过程）均发生在短路阶段。一个焊接周期内，当EP/EN为-2时，正、负极性周期个数分别为1个和13个；当EP/EN为0时，正、负极性周期个数均别为7个；当EP/EN为2时，正、负极性周期个数分别为13个和1个。可以发现，一个焊接周期内，EP和EN的总数量均为14个；随着EP/EN Balance的增加，EP数量增加，EN数量减少。由于焊丝金属熔滴向熔池短路过渡包括电弧引燃、焊丝尖端熔滴长大、熔滴与熔池金属短路接触过渡过程，这3个过程均受到电弧长度变化以及熔滴受力变化等因素的干扰，导致EP和EN电流宽度有差别。例如图2(a）中的13个EN阶段中，第5和第6个比其他电流宽度明显增大。同时发现，EP和EN阶段均由峰值、基值和短路3个阶段组成，且EP和EN阶段的基值与峰值电流的绝对值相同。上述3个阶段分别实现了对焊丝或基板的快速加热、加热和快速冷却过程[11]。与EN阶段相比，EP阶段的峰值电流持续时间更长，即快速加热阶段会持续更长时间。此外，一个周期内EP数量的增加，导致正极阶段电弧作用于基板的时间延长，使基板的熔化量增加。如图3所示，其中箭头方向为焊丝的运动方向，在EN阶段均出现不同程度的电弧“上爬”现象，大部分电弧能量用来熔化焊丝，导致焊丝熔化系数增加，此结果与文献[5]结果相同。与EP阶段相比，在EN阶段大部分的热量被用于熔化焊丝，作用于基板的热量减少，导致基板的熔化量降低[11]。EN阶段为熔池和基板提供了一个相对“冷却”的过程，随着极性的转换，焊接过程中能量分配的方式发生改变[12]，导致熔池经历了“加热”和“冷却”的循环往复过程。因此，可以通过调节一个焊接周期内EN和EP的数量调控熔敷率和热输入。通过对比图3(a)(b)(c）发现，试样2和3的熔滴过渡过程较为稳定。对于试样1，在峰值阶段，熔滴形状发生变化，且熔滴偏离了焊丝轴线，从而导致飞溅发生。通过观察图3(a)(b)(c）发现，在EP峰值阶段电弧稳定燃烧并发出强烈的弧光，明亮的“钟罩”状电弧作用于工件表面；在EP基值阶段电弧亮度减弱，作用范围缩小。当焊丝尖端与熔池接触时短路过程发生，电弧熄灭，电压接近0 V，焊丝开始回抽，从而有助于熔滴与焊丝的分离。之后，电弧重新引燃，开始新的周期。EN阶段熔滴过渡与EP阶段熔滴过渡特征类似。
如图3所示，其中箭头方向为焊丝的运动方向，在EN阶段均出现不同程度的电弧“上爬”现象，大部分电弧能量用来熔化焊丝，导致焊丝熔化系数增加，此结果与文献[5]结果相同。与EP阶段相比，在EN阶段大部分的热量被用于熔化焊丝，作用于基板的热量减少，导致基板的熔化量降低[11]。EN阶段为熔池和基板提供了一个相对“冷却”的过程，随着极性的转换，焊接过程中能量分配的方式发生改变[12]，导致熔池经历了“加热”和“冷却”的循环往复过程。因此，可以通过调节一个焊接周期内EN和EP的数量调控熔敷率和热输入。通过对比图3(a)(b)(c）发现，试样2和3的熔滴过渡过程较为稳定。对于试样1，在峰值阶段，熔滴形状发生变化，且熔滴偏离了焊丝轴线，从而导致飞溅发生。通过观察图3(a)(b)(c）发现，在EP峰值阶段电弧稳定燃烧并发出强烈的弧光，明亮的“钟罩”状电弧作用于工件表面；在EP基值阶段电弧亮度减弱，作用范围缩小。当焊丝尖端与熔池接触时短路过程发生，电弧熄灭，电压接近0 V，焊丝开始回抽，从而有助于熔滴与焊丝的分离。之后，电弧重新引燃，开始新的周期。EN阶段熔滴过渡与EP阶段熔滴过渡特征类似。综上分析可知，EN阶段与EP阶段最显著的区别在于：(1)峰值阶段的电弧形态不同，EP阶段电弧明亮并呈现“钟罩”形状，电弧热量大部分作用于基板表面，对基板具有显著的加热作用，促进基板熔化，EN阶段的电弧昏暗，作用于基板的区域相对较小；(2)在EN阶段，沿着焊丝出现电弧“上爬”的现象，在EP阶段并未出现此特征；(3)与EP峰值阶段相比，EN峰值阶段的电流和电压的绝对值明显偏低，导致EN阶段的热输入较低；(4)在EP阶段，铝合金基板作为阴极，具有阴极雾化作用，可清理基板表面，使氧化膜破裂，热量直接输入至基板。在EN阶段，由于电弧“上爬”，焊丝的熔化速率提高，能量直接输入焊丝，输入熔池的能量减少。因此，EN阶段成为一个焊接周期中相对较“冷”的阶段。
【参考文献】：
期刊论文
[1]6082铝合金超厚板搅拌摩擦焊接头组织与性能[J]. 宫文彪,朱芮,郄新哲,崔恒,宫明月. 吉林大学学报(工学版). 2020(02)
[2]焊接能量对Cu/Al超声波焊接接头组织与性能的影响[J]. 谷晓燕,刘东锋,刘婧,孙大千,马会峰. 吉林大学学报(工学版). 2019(05)
[3]交流CMT动态电弧特征及熔滴过渡行为分析[J]. 汪殿龙,张志洋,梁志敏,胡云岩,王军. 焊接学报. 2014(03)
[4]铝合金薄板交流CMT焊接过程能量分配研究[J]. 张瑞英,穆森,王军. 电焊机. 2013(06)
[5]铝锂合金交流CMT焊接高频脉冲复合电弧焊接技术研究进展[J]. 汪殿龙,张志洋,王波,梁志敏,王军. 河北科技大学学报. 2013(02)
博士论文
[1]基于CMT焊接能量输入过程控制的镁/铝异种金属焊接研究[D]. 王鹏.天津大学 2017
本文编号：3623642
【文章来源】：吉林大学学报(工学版). 2020,50(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
采集系统示意图
如图2所示，不同EP/EN Balance的VP-CMT焊接过程均包括EP阶段和EN阶段。在EP阶段，铝板作为阴极发射电子，在铝板表面形成阴极斑点；在EN阶段，焊丝作为阴极发射电子，在焊丝上形成阴极斑点[10]。电流极性转变（EP与EN转变过程）均发生在短路阶段。一个焊接周期内，当EP/EN为-2时，正、负极性周期个数分别为1个和13个；当EP/EN为0时，正、负极性周期个数均别为7个；当EP/EN为2时，正、负极性周期个数分别为13个和1个。可以发现，一个焊接周期内，EP和EN的总数量均为14个；随着EP/EN Balance的增加，EP数量增加，EN数量减少。由于焊丝金属熔滴向熔池短路过渡包括电弧引燃、焊丝尖端熔滴长大、熔滴与熔池金属短路接触过渡过程，这3个过程均受到电弧长度变化以及熔滴受力变化等因素的干扰，导致EP和EN电流宽度有差别。例如图2(a）中的13个EN阶段中，第5和第6个比其他电流宽度明显增大。同时发现，EP和EN阶段均由峰值、基值和短路3个阶段组成，且EP和EN阶段的基值与峰值电流的绝对值相同。上述3个阶段分别实现了对焊丝或基板的快速加热、加热和快速冷却过程[11]。与EN阶段相比，EP阶段的峰值电流持续时间更长，即快速加热阶段会持续更长时间。此外，一个周期内EP数量的增加，导致正极阶段电弧作用于基板的时间延长，使基板的熔化量增加。如图3所示，其中箭头方向为焊丝的运动方向，在EN阶段均出现不同程度的电弧“上爬”现象，大部分电弧能量用来熔化焊丝，导致焊丝熔化系数增加，此结果与文献[5]结果相同。与EP阶段相比，在EN阶段大部分的热量被用于熔化焊丝，作用于基板的热量减少，导致基板的熔化量降低[11]。EN阶段为熔池和基板提供了一个相对“冷却”的过程，随着极性的转换，焊接过程中能量分配的方式发生改变[12]，导致熔池经历了“加热”和“冷却”的循环往复过程。因此，可以通过调节一个焊接周期内EN和EP的数量调控熔敷率和热输入。通过对比图3(a)(b)(c）发现，试样2和3的熔滴过渡过程较为稳定。对于试样1，在峰值阶段，熔滴形状发生变化，且熔滴偏离了焊丝轴线，从而导致飞溅发生。通过观察图3(a)(b)(c）发现，在EP峰值阶段电弧稳定燃烧并发出强烈的弧光，明亮的“钟罩”状电弧作用于工件表面；在EP基值阶段电弧亮度减弱，作用范围缩小。当焊丝尖端与熔池接触时短路过程发生，电弧熄灭，电压接近0 V，焊丝开始回抽，从而有助于熔滴与焊丝的分离。之后，电弧重新引燃，开始新的周期。EN阶段熔滴过渡与EP阶段熔滴过渡特征类似。
如图3所示，其中箭头方向为焊丝的运动方向，在EN阶段均出现不同程度的电弧“上爬”现象，大部分电弧能量用来熔化焊丝，导致焊丝熔化系数增加，此结果与文献[5]结果相同。与EP阶段相比，在EN阶段大部分的热量被用于熔化焊丝，作用于基板的热量减少，导致基板的熔化量降低[11]。EN阶段为熔池和基板提供了一个相对“冷却”的过程，随着极性的转换，焊接过程中能量分配的方式发生改变[12]，导致熔池经历了“加热”和“冷却”的循环往复过程。因此，可以通过调节一个焊接周期内EN和EP的数量调控熔敷率和热输入。通过对比图3(a)(b)(c）发现，试样2和3的熔滴过渡过程较为稳定。对于试样1，在峰值阶段，熔滴形状发生变化，且熔滴偏离了焊丝轴线，从而导致飞溅发生。通过观察图3(a)(b)(c）发现，在EP峰值阶段电弧稳定燃烧并发出强烈的弧光，明亮的“钟罩”状电弧作用于工件表面；在EP基值阶段电弧亮度减弱，作用范围缩小。当焊丝尖端与熔池接触时短路过程发生，电弧熄灭，电压接近0 V，焊丝开始回抽，从而有助于熔滴与焊丝的分离。之后，电弧重新引燃，开始新的周期。EN阶段熔滴过渡与EP阶段熔滴过渡特征类似。综上分析可知，EN阶段与EP阶段最显著的区别在于：(1)峰值阶段的电弧形态不同，EP阶段电弧明亮并呈现“钟罩”形状，电弧热量大部分作用于基板表面，对基板具有显著的加热作用，促进基板熔化，EN阶段的电弧昏暗，作用于基板的区域相对较小；(2)在EN阶段，沿着焊丝出现电弧“上爬”的现象，在EP阶段并未出现此特征；(3)与EP峰值阶段相比，EN峰值阶段的电流和电压的绝对值明显偏低，导致EN阶段的热输入较低；(4)在EP阶段，铝合金基板作为阴极，具有阴极雾化作用，可清理基板表面，使氧化膜破裂，热量直接输入至基板。在EN阶段，由于电弧“上爬”，焊丝的熔化速率提高，能量直接输入焊丝，输入熔池的能量减少。因此，EN阶段成为一个焊接周期中相对较“冷”的阶段。
【参考文献】：
期刊论文
[1]6082铝合金超厚板搅拌摩擦焊接头组织与性能[J]. 宫文彪,朱芮,郄新哲,崔恒,宫明月. 吉林大学学报(工学版). 2020(02)
[2]焊接能量对Cu/Al超声波焊接接头组织与性能的影响[J]. 谷晓燕,刘东锋,刘婧,孙大千,马会峰. 吉林大学学报(工学版). 2019(05)
[3]交流CMT动态电弧特征及熔滴过渡行为分析[J]. 汪殿龙,张志洋,梁志敏,胡云岩,王军. 焊接学报. 2014(03)
[4]铝合金薄板交流CMT焊接过程能量分配研究[J]. 张瑞英,穆森,王军. 电焊机. 2013(06)
[5]铝锂合金交流CMT焊接高频脉冲复合电弧焊接技术研究进展[J]. 汪殿龙,张志洋,王波,梁志敏,王军. 河北科技大学学报. 2013(02)
博士论文
[1]基于CMT焊接能量输入过程控制的镁/铝异种金属焊接研究[D]. 王鹏.天津大学 2017
本文编号：3623642
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