超聲輔助水下濕法焊接電弧特性研究

馬明豪　劉一博　王建峰　孫清潔

摘? ?要：焊接過程受水介質的影響，電弧穩定性較差，通過引入適當的超聲振動，可提高電弧穩定性。通過實驗驗證，分析超聲復合水下焊接和普通水下濕法焊接電流電壓（U-I）圖，結合高速攝像數據，發現超聲作用使熄弧區和短路過渡區密集程度降低，穩定燃燒區密集程度增加，實現了提高水下濕法焊接電弧穩定性的目的。根據高速攝像拍攝結果，超聲輔助水下焊接比普通水下濕法焊接熔滴過渡頻率更低，電弧形態更均勻。

關鍵詞：水下? 超聲? 穩定性

中圖分類號：TG456.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0109-03

1? 引言

水下濕法焊接因為水下施工的特殊環境，電弧穩定性較差[1]，電弧存在“穩定燃弧區”、“熄弧區”和“短路過渡區”[2]三類。超聲振動是一種能量傳遞的載體，超聲振動與普通水下濕法焊接[3]相結合，通過超聲的作用減少外界波動對電弧的影響，減小電弧偏吹和電弧熄滅率，提高焊接質量。本文通過對超聲復合水下焊接和普通水下濕法焊接電流電壓（U-I）圖配合高速攝像進行測試和分析，研究超聲輔助水下濕法焊接電弧特性。

2? 材料信息

本實驗采用的板材為E40鋼板，尺寸為200mm×20mm，厚度8mm，焊材選用CHT-T81Ni2藥芯焊絲，直徑D為1.2mm。焊絲成分與母材成分的比較如表1所示。

3? 試驗方案及結果

3.1 焊接工藝參數設計

試驗在平板進行堆焊，控制試驗變量，進行對照實驗。保持送絲速度及焊接速度不變，焊接電壓不斷升高，每組試驗增加4V，按照超聲復合水下濕法焊接及常規水下濕法焊接加倍試驗。使用電弧信號采集器，記錄50s內的電流電壓變化數據，形成U-I圖。具體的焊接工藝參數如表2所示。

3.2 電壓-電流圖分析

焊接電壓-焊接電流循環圖根據電壓電流工作點的分布密度可以分析電弧的燃燒情況，通過分析電弧電壓和焊接電流的波動情況，推斷焊接電弧的穩定性。水下濕法焊接過程，水介質環境以及水壓的影響，電弧不穩定，除電弧穩定燃燒階段，還會出現斷弧和短路過渡現象。在U-I圖中的近X軸區域為短路過渡區，近Y軸頂端的區域為熄弧區，中間部分為穩定燃弧區。分析三個區域工作點的集中程度推斷電弧穩定的程度。

圖1～8為24V～36V的電壓電流（U-I）循環圖。分為三個區域：熄弧區、穩定燃燒區和短路過渡區域。隨著電壓的增加，熄弧區點的密度降低，當焊接電壓大于28V時，隨著焊接電壓的增加，熄弧區點的密度增加;穩定燃燒區域工作點密集程度隨著焊接電壓的增大先越來越集中，當焊接電壓增大到32V時，穩定燃燒區的工作點的密度隨著電壓的增大越來越離散。短路過渡次數隨著焊接電壓的增加逐漸減少，當焊接電壓大于28V時，穩定燃燒區域工作點密度更集中。

3.3 熔滴過渡頻率

飛濺會影響焊接電弧的穩定性，水下濕法焊接的飛濺與熔滴過渡到熔池時的爆破力有關。熔滴過渡頻率越低那么焊接過程的電弧穩定性就越高。圖9為熔滴過渡頻率與焊接電壓關系曲線。隨著焊接電壓的增加熔滴過渡頻率先減小后增加，焊接電壓在28～32V區間，熔滴過渡頻率都低于4Hz，之后隨焊接電壓的增加熔滴過渡頻率增加。對比常規水下濕法焊接，超聲輔助水下濕法焊接的熔滴過渡頻率更低，當短路過渡頻率較高時，超聲作用效果更明顯。

4? 結語

分析各組焊接工藝參數下，超聲復合水下焊接和普通水下濕法焊接電流電壓（U-I）圖，研究穩定燃弧區、熄弧區和短路過渡區三個區域工作點密度，隨著焊接電壓的增加，電弧穩定燃燒區域的工作點密集程度先增加后減少，熄弧區和短路過渡區的工作點密集程度先減少后增加。超聲使熄弧區和短路過渡區工作點密度降低，穩定燃燒區工作點密度增加，水下濕法焊接電弧穩定性增加。研究熔滴過渡過程，隨焊接電壓增加，熔滴過渡頻率顯著降低，達到一定焊接電壓后熔滴過渡頻率增加。總體而言，超聲復合水下焊接熔滴過渡頻率低于普通水下濕法焊接方法的熔滴過渡頻率，超聲能夠提高焊接穩定性。

參考文獻

[1] 張博文，李吉. 水下焊接技術在我國海洋工程中的應用分析[J]. 船舶物資與市場，2020（2）：19-20.

[2] 趙琛，沈杰，李思穎.水下核電機器人應用現狀與技術發展分析[J].自動化技術與應用，2019（11）：94-98.

[3] 嚴春妍，吳立超，張可召，等.水下濕法多層焊接頭顯微組織和應力分析[J].電焊機，2019（10）：22-27.