5052鋁合金水下藥芯割絲電弧切割工藝

陳旻驊，王儉辛，徐 鵬，黎文航，田 然，劉雅倩

（江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

5052鋁合金水下藥芯割絲電弧切割工藝

陳旻驊，王儉辛，徐 鵬，黎文航，田 然，劉雅倩

（江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

藥芯割絲電弧切割是一種高效優(yōu)質(zhì)的水下切割方法，目前該方法對(duì)鋁合金材料切割的研究較少，為此開展了相關(guān)工藝研究。利用能模擬不同水深的切割裝置，附加霍爾電流、電壓傳感實(shí)現(xiàn)對(duì)切割過(guò)程的數(shù)據(jù)采集；設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，考慮水下切割工藝范圍較窄，在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下考察某一參數(shù)變化對(duì)切割過(guò)程的影響；通過(guò)觀察割口、分析數(shù)據(jù)等方式研究水深、電流、電壓等主要工藝參數(shù)。結(jié)果表明，5052鋁合金切割時(shí)主要參數(shù)的影響與低碳鋼類似。但由于鋁熱反應(yīng)使其切割過(guò)程更容易進(jìn)行，過(guò)程更劇烈。此外異種金屬切割使得割口中的殘?jiān)菀兹コ渌璧臒彷斎胂啾忍间摳汀?/p>

水下電弧切割；藥芯割絲；5052鋁合金

0 前言

隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略實(shí)施，水下切割需求日益增大。藥芯割絲電弧切割作為一種高效的切割方法，逐漸受到重視[1]。烏克蘭巴頓電焊研究所最早將藥芯割絲切割用于水下濕式切割中[2]，國(guó)內(nèi)學(xué)者也曾進(jìn)行噴水式實(shí)心割絲的切割試驗(yàn)[3-4]，但須附加噴水裝置。江蘇科技大學(xué)與烏克蘭巴頓焊接研究所合作開展了水下切割技術(shù)研究[5]；江蘇科技大學(xué)李澤新通過(guò)在空氣中觀察藥芯割絲切割過(guò)程，初步明確了藥芯割絲的切割機(jī)理[6]。目前，針對(duì)低碳鋼已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)工藝研究[7]，但是關(guān)于鋁合金切割并未見相關(guān)報(bào)道。本研究在借鑒上述成果的基礎(chǔ)上，利用模擬水深裝置，對(duì)5052鋁合金進(jìn)行不同水深下的工藝研究。

1 切割原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

水下藥芯割絲電弧切割過(guò)程中，首先采用接觸式引弧，短路瞬間的熱量使割絲端部附近水汽化，同時(shí)割絲內(nèi)部產(chǎn)生氣體，使得電弧在氣體中產(chǎn)生并被氣體包圍。電弧產(chǎn)熱熔化其下方金屬，熔融金屬被氧化為渣，并在電弧力和氣流作用下被排出工件。由于電弧自身調(diào)節(jié)作用，焊絲端部隨著割口底部的下降而下降。最終，電弧可能因底部熔融金屬的徹底掉落而熄滅，也可能因?yàn)楦罱z與割口前沿短路而轉(zhuǎn)移到割口上方。上述過(guò)程循環(huán)進(jìn)行從而實(shí)現(xiàn)切割[6]。

切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，其組成與熔化極焊接裝備類似。實(shí)驗(yàn)采用平特性直流電源，直流正接，將焊接工作臺(tái)置于帶水的壓力容器（模擬水深裝置）中，調(diào)節(jié)其中壓力則可以模擬不同水深進(jìn)行切割。切割時(shí)采用霍爾電流/電壓傳感器采集電弧電信號(hào)。割絲型號(hào)為烏克蘭巴頓電焊研究所的PPR-AN2，割絲直徑2.2 mm。切割工件為5052鋁合金板，其尺寸為400 mm×90 mm×15 mm。由于該方法的切割工藝較窄，且不同水深會(huì)影響其切割工藝范圍，為對(duì)比不同工藝參數(shù)的影響，每次只改變一個(gè)工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要改變水深、切割電流（通過(guò)改變送絲速度來(lái)調(diào)節(jié)，變化范圍±50 A）、電弧電壓（變化范圍±5 V）和切割速度。

圖1 水下切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

2 水深影響

水深對(duì)電弧形態(tài)和電弧燃燒的穩(wěn)定性有顯著影響，是影響切割工藝的重要參數(shù)。利用模擬水深裝置模擬0.2m、50m、100m、150m的水深環(huán)境，并設(shè)定切割電流400 A、切割電壓45 V、切割速度130 mm/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 水深對(duì)割口形貌的影響

由圖2可知，50 m水深后割口寬度顯著變窄，但隨后割口寬度變窄趨緩，這是因?yàn)殡S著水深增大，電弧徑向受到壓縮，導(dǎo)致割口變窄。此外，還可以觀察到割口上端的寬度與割絲直徑相當(dāng)，靠割絲與工件短路、摩擦以及下方熱量傳導(dǎo)短路形成。

割口厚度方向隨著水深增大出現(xiàn)一個(gè)內(nèi)凹，這是因?yàn)殡S著電弧變窄，電流密度增大，電弧長(zhǎng)度變短[8]，電弧不容易抵達(dá)工件底部。電弧所在的割口中部熱量較多，容易熔化，而割口下部主要靠熱量傳導(dǎo)和電弧吹力割穿，割口變窄，形成內(nèi)凹。

與低碳鋼相比，其切割電流大為減小，且背面邊緣處容易出現(xiàn)大塊剝離，這是因?yàn)樗幮局械慕饘傺趸锖弯X板接觸時(shí)發(fā)生了鋁熱反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量。此時(shí)熔化金屬也更易吹落，工件下方易出現(xiàn)大塊金屬剝離，同時(shí)劇烈的熱量也容易使熔融金屬飛濺。

鋁熱反應(yīng)集中在電弧或者藥芯氣流籠罩的區(qū)域，當(dāng)割絲端部大部分時(shí)間伸入工件內(nèi)部時(shí)，割口上部受鋁熱反應(yīng)的影響較小，主要靠熱傳導(dǎo)和短路割開，其割口寬度與割絲相當(dāng)，水深100 m、150 m橫截面如圖2所示。

3 電流影響

不同水深條件下，電流對(duì)切割過(guò)程的影響類似。水深大時(shí)，割口變窄，其形狀變化不如淺水下明顯，以0.2 m水深為例進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)時(shí)，切割電壓40 V，切割速度130 mm/min，切割電流分別為300～500 A。由于切割過(guò)程電流波動(dòng)劇烈，電流值為設(shè)定值，通過(guò)改變送絲速度獲得。不同電流參數(shù)割口形貌如圖3所示。

圖3 不同電流參數(shù)割口形貌

由割口正面可知，當(dāng)切割電流較大時(shí)，割口正面出現(xiàn)圓形波動(dòng)，這是因?yàn)殡娏髟酱箅娀∏懈钅芰^強(qiáng)，割絲從上到下切割金屬的時(shí)間更短，從割穿后電弧熄弧到割絲側(cè)面與割口前方接觸引弧的時(shí)間間隔變長(zhǎng)，使得割口寬度波動(dòng)劇烈。由割口橫截面可知，隨著切割電流逐漸增大，上割口逐漸變窄，上割口逐漸變寬。這是因?yàn)楫?dāng)電流較小時(shí)，向下的切割能力較弱，電弧主要集中于工件上部位置，因此，上部金屬容易被熔化，而下部金屬主要靠熱傳導(dǎo)和割絲所產(chǎn)生的氣流作用而被割開，因此下部割口較窄。隨著電流增大，電弧位置下移，使得下部金屬熱作用增強(qiáng)，割口變寬。上部金屬主要靠傳導(dǎo)，甚至短路過(guò)渡而被割開，割口變窄，最窄處與割絲寬度相當(dāng)。

與低碳鋼切割工藝相比[5]，鋁熱反應(yīng)的存在使得工件更容易被切割，表現(xiàn)為切割電流大大減小，或者是相同電流下割口寬度變大。

4 電壓影響

如前所述，電弧電壓會(huì)影響電弧長(zhǎng)度和淺水環(huán)境下的電弧寬度，由于深水環(huán)境需要更大的電壓變動(dòng)范圍才能使電弧長(zhǎng)度出現(xiàn)較明顯的變化，且深水環(huán)境的電弧穩(wěn)定性變差，故以0.2 m水深為例對(duì)電壓的影響進(jìn)行研究。設(shè)定切割電流350 A，切割速度為130 mm/min，電弧電壓分別為50 V、45 V、40 V、35 V、30 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

隨著電弧降低，電弧長(zhǎng)度和寬度都隨之減少，電弧寬度變窄使得割口寬度變窄。電弧長(zhǎng)度變短使得割絲需要深入工件內(nèi)部才能割開工件。工件上部主要靠熱傳導(dǎo)和短路引弧割開，故割口寬度與割絲寬度相當(dāng)。由30V、35V對(duì)應(yīng)橫截面可知，電壓越低，電弧越深入工件內(nèi)部，其上部窄割縫高度越大。此外，當(dāng)電弧電壓過(guò)高，如0.2 m水深50 V時(shí)，電弧長(zhǎng)度的增大使得電弧穩(wěn)定性和氣流的沖刷作用都減弱，其切割效果不如45 V。

5 切割速度影響

水下切割中，切割速度、電弧電流、電弧電壓需要配合才能獲得較好的切割質(zhì)量。在此僅以一個(gè)常規(guī)的切割參數(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明。水深0.2 m條件下，設(shè)定切割電流為350 A，切割電壓40 V，切割速度分別為210 mm/min，180 mm/min，130 mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 電壓對(duì)割口形貌的影響

圖5 切割速度對(duì)切割過(guò)程的影響

隨著切割速度的增加，一方面線能量降低，切割能力下降，割口變窄；另一方面，割絲側(cè)面能更快的與割口前沿接觸轉(zhuǎn)移電弧，電弧在工件厚度方向的平均位置更高，不容易出現(xiàn)割絲穿過(guò)工件導(dǎo)致的熄弧，割口長(zhǎng)度方向也更加平順，還使得割口有上面變寬、下面變窄的趨勢(shì)。

6 結(jié)論

（1）藥芯割絲中的氧化物會(huì)與鋁發(fā)生鋁熱反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，更容易切割；割縫中的殘?jiān)灰着c母材相熔，容易去除，熱輸入大為降低。

（2）隨著水深增大，電弧變窄，割口變窄；電弧變短，割絲更容易深入到工件內(nèi)部，割口上方寬度與割絲相當(dāng)。

（3）隨著切割電流增大，割絲更容易深入到工件內(nèi)部，割口上方變窄，下方變寬。

（4）隨著電壓減小，割絲更容易深入到工件內(nèi)部，割口變窄。

（5）隨著切割速度增大，電弧更容易停留在工件上部，割口有上部變寬，下部變窄的趨勢(shì)。

[1]郭嘉誠(chéng).水下熔化極熱切割機(jī)理及割口成形研究[D].南京：江蘇科技大學(xué).

[2]英國(guó)焊接研究所，烏克蘭巴頓電焊研究所.水下濕式焊接與切割[M].焦向東，周燦豐，沈秋平，等譯.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[3]吳毅雄，俞尚知，姜煥中，等.水下電弧切割現(xiàn)象和工藝參數(shù)的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1984，18（6）：49-57.

[4]梅福欣，伍月華，盧桂全.采用噴水技術(shù)水下切割的研究[J].焊接學(xué)報(bào)，1981，2（2）：12-19.

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Underwater flux-cored wire arc cutting procedure for 5052 aluminum alloy

CHEN Minhua，WANG Jianxin，XU Peng，LI Wenhang，TIAN Ran，LIU Yaqian
（1.The School of Materials Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals，Lanzhou 730050，Chin）

Flux-cored wire arc cutting is an efficient and high quality underwater cutting method.The cutting procedure of aluminum alloy based on this method was rarely studied，so relative research was done in this paper.Firstly，a cutting device was used to simulate different water depth，and relative hall current and voltage sensor was used to acquire data during cutting process.Secondly，the influence of one parameter on cutting quality was studied with other parameters being constant because of the narrow cutting parameter range.Finally，the effect of water depth,current and voltage on cutting process were researched by observing the cutting edge.The result showed that the influence of main parameters on stainless steel cutting process was similar with that of low carbon steel cutting.Due to the thermite reaction，the cutting was easier and more violent than that of low carbon steel.In addition，dissimilar metal cutting made the remainder in cutting area easier to remove，so the heat input could be properly reduced.

underwater arc cutting；flux-cored cutting wire；5052 aluminium alloy

TG484

A

1001－2303（2016）12－0007-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.02

獻(xiàn)

陳旻驊，王儉辛，徐鵬，等.5052鋁合金水下藥芯割絲電弧切割工藝[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：7-10，20.

2016-10-04

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201610289020Z）；江蘇科技大學(xué)本科創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金（51305173）；

陳旻驊（1995—），男，江蘇常州人，主要從事水下焊接與切割的研究工作。