絲網對接微束等離子弧焊的焊點成形機理

王 龍，何建萍，王付鑫，劉華榮

(上海工程技術大學材料工程學院, 上海 201620)

0 引 言

不銹鋼絲網因具有較好的通透性、較大的抗拉強度及優良的耐高溫、耐腐蝕性能，常用于航空、石油、化工、機電、電子、紡織、印刷等領域的水、氣、油及其他介質的分離和過濾[1]。但是，絲網特殊的分層和周期性分布結構，使得其焊接具有特定的難點，主要體現在：焊接前絲網，特別是細絲網的清理難度較大；被焊絲線在焊接方向上分布不連續，金屬絲熔化后形成的液態金屬難以充滿相鄰絲線之間的間隙，使得絲網接頭處形成不連續焊點[2-3]；絲網裝配難度較大。以上這些難點限制了不銹鋼絲網的拓展性應用。微束等離子弧焊具有電弧拘束度高、能量高度集中、電弧穩定、焊接效率高、成品率高等優點[4-7]，在絲網焊接中具有較大的優勢，但也會出現焊偏、結球、氧化、氣孔等缺陷[8-9]。目前，絲網的焊接接頭形式包括對接接頭、搭接接頭、角接接頭以及端接接頭，其中對接接頭更加平整，因此在絲網焊接中更傾向于采用該接頭形式[10]。但是由于絲絲對接時焊接熔池的金屬量較少，絲網的對接連續焊比較困難。目前，有關絲網焊接的研究主要集中在焊接方法及調整焊接工藝參數以提高接頭質量方面，鮮見有關焊點成形形貌特征及其成形機理的研究報道。為此，作者在3種經線留絲長度、6種接頭裝配方式下對不銹鋼絲網進行微束等離子弧對接焊，研究了焊點的形貌特征、焊點形貌的影響因素以及焊點的成形機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為0Cr18Ni9不銹鋼絲網，鋼絲直徑為0.28 mm，相鄰二絲線間距D為1.28 mm，目數為20×20，試樣尺寸為100 mm×50 mm。焊前用丙酮去除鋼絲表面油脂，并保證絲網留絲毛邊邊緣平直、無毛刺。將絲網接頭處的留絲毛邊(經線)分別剪裁成長毛邊、中毛邊、短毛邊，毛邊長度d，如圖1(a)所示。長毛邊長度取值范圍為[2/3D,D],中毛邊長度取值范圍為[1/3D,2/3D]，短毛邊長度取值范圍為[0,1/3D]。為便于后續分析焊點的成形機理，試驗中統一將長毛邊長度定為1.00 mm，中毛邊長度定為0.65 mm，短毛邊長度定為0.30 mm。將2個試樣的經線相互錯位裝配，如圖1(b)所示，裝配方式包括長毛邊-長毛邊、長毛邊-中毛邊、長毛邊-短毛邊、中毛邊-中毛邊、中毛邊-短毛邊、短毛邊-短毛邊6種。采用Plasmafix51型焊接電源進行微束等離子弧焊對接焊，不同裝配方式下的焊接工藝參數如表1所示，表中X4和X5為焊槍距接頭兩側緯線的較短與較長距離，焊接對中位置為焊槍距兩側毛邊重疊部分中心的距離。焊接時將焊槍軸中心線對準接頭的軸中心點，并保證焊槍距試樣表面高度為2 mm。等離子氣體和保護氣體均采用工業純氬氣，其中等離子氣流量為0.5 L·min-1，保護氣流量為3.5 L·min-1。

圖1 絲網焊接接頭的裁剪和裝配示意Fig.1 Schematic of cutting (a) and assembly (b) of mesh joint

焊后通過VHX-600K型超景深顯微鏡觀察焊點形貌，并測量焊點的長軸長度(垂直于焊接方向)與短軸長度(平行于焊接方向)。

表1 不同裝配方式下的焊接工藝參數Table 1 Welding parameters under different assembly methods

2 試驗結果與討論

2.1 焊點形貌

在設置的試驗參數下絲網經對接焊后形成準球形、橢球形以及紡錘形3種形貌焊點，同時各焊點光滑均勻，均達到了絲絲焊接、單面焊雙面成形的效果。對接接頭裝配方式的差異造成絲網接頭處經線和緯線布局的不同，導致接頭處散熱條件不同，從而引起接頭處熔池在表面張力作用下流向的不同；焊接對中位置及熱輸入的變化會使絲網焊點呈現不同的形貌[11-12]。

在1#，4#，7#，11#工藝下絲網對接后形成準球形焊點，該焊點是兩側絲網緊貼的毛邊被依次獨立地焊在一起而形成的單絲焊點。準球形焊點的長軸長度與短軸長度的比值在1.0～1.3范圍內，且短軸的半徑大于絲的半徑。后續將短軸半徑定義為該焊點的半徑。根據最靠近接頭處的緯線是否熔化并參與形成焊點，將準球形焊點分為接頭兩側緯線不熔化的a類準球形焊點與最靠近接頭處緯線熔化的b類準球形焊點，b類準球形焊點的體積大于a類準球形焊點的。當接頭的裝配方式為長毛邊與長毛邊對接，焊接對中位置位于接頭中心時，可形成a類準球形焊點，焊點形貌如圖2(a)所示。由于接頭中心距接頭兩側最近的緯線的距離相同，接頭兩側的散熱條件相同，因此所形成的準球形焊點位于接頭的中心處；此時只有接頭處的經線熔化，熔化金屬量較少，對應的熱輸入也較小，所形成的焊點半徑也較小。當接頭的裝配方式為長毛邊-短毛邊、中毛邊-中毛邊、短毛邊-短毛邊時，可形成b類準球形焊點，焊點形貌分別如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示。長毛邊和短毛邊分別與短毛邊對接時，焊接對中位置位于短毛邊一側的近緯線處；中毛邊與中毛邊對接時，焊接對中位置位于其中一側的近緯線處。

圖2 不同工藝下的準球形焊點形貌Fig.2 Morphology of torispherical welding spots under different processes: (a) 1# process; (b) 4# process;(c) 7# process and (d) 11# process

在2#，3#，5#，8#工藝下絲網對接后形成橢球形焊點，如圖3所示，該焊點也是兩側絲網緊貼的毛邊被依次獨立地焊在一起而形成的單絲焊點。橢球形焊點的長軸長度與短軸長度的比值在1.3～4.0范圍內，且短軸的半徑與絲的半徑相近。除長毛邊與長毛邊對接焊(2#工藝)外，其他裝配方式下焊接對中位置均位于接頭的中心，這時接頭兩側最近緯線均距接頭中心有一定距離，且微束等離子弧焊的電弧細小，因此在焊接過程中只有接頭中心處經線熔化，而緯線不熔化，焊點熔池金屬量較少，從而形成了長軸長度與短軸長度比值較大的橢球形焊點。

圖3 不同工藝下的橢球形焊點形貌Fig.3 Morphology of ellipsoidal welding spots under different processes: (a) 2# process; (b) 3# process; (c) 5# process and (d) 8# process

在6#，9#，10#，12#工藝下絲網對接后形成紡錘形焊點，如圖4所示，該焊點是兩側絲網的每對相鄰的緊貼的毛邊依次與一側絲網最靠近接頭邊緣的緯線焊在一起而形成的。裝配時，接頭處兩側絲網的經線之間留有一定間隙，相鄰兩熔池的距離很短，因此形成了較長的焊接熔池；焊接時，接頭靠近焊接對中位置一側的緯線熔化，致使熔池金屬量增加，焊點尺寸增大；相鄰兩熔池在熔化的緯線金屬的連接下發生接觸，經冷卻凝固后形成紡錘形焊點。在表面張力作用下，形成紡錘形焊點的液態金屬會向著中心位置集中，使得距旁邊經線熔池的距離變大，因此不會形成3對甚至多對焊絲熔池相連的情況。

2.2 焊點成形機理

由上述試驗結果可知，絲網焊接的焊點成形形貌受接頭裝配方式、毛邊插入距離、熱輸入、焊接對中位置等參數的影響。為研究各參數對焊點成形形貌的影響，以毛邊插入距離X1、焊接對中位置X2、平均熱輸入X3以及X4和X5為自變量，以準球形焊點半徑Y1、橢球形焊點長軸長度Y2和短軸長度Y3、紡錘形焊點體積Y4為目標函數，研究目標函數與各自變量之間的關系。

圖4 不同工藝下的紡錘形焊點形貌Fig.4 Morphology of spindle welding spots under different processes: (a) 6# process; (b) 9# process; (c) 10# process and (d) 12# process

2.2.1 準球形焊點的成形機理

形成a類準球形焊點時接頭兩側緯線不熔化，焊接對中位置為兩側絲網經線留絲毛邊重疊部分的中心位置。由圖5(a)可以看出：當毛邊插入距離為0.5 mm、平均焊接熱輸入為7.0 kJ、X5不變時，a類準球形焊點半徑隨著X4的增大而增大，這是由于隨著焊槍距接頭兩側緯線最短距離的增大，散熱效果變差，接頭處更多的母材熔化；當X5分別為0.35，0.50，0.65 mm時，焊點半徑隨X4增大而增大的幅度均較大，當X5為0.75 mm時，焊點半徑隨X4增大的增長速率降低，最后趨于穩定，這是由于此時焊槍距接頭兩側緯線的距離均已足夠大，已無法影響散熱效果導致的。

形成b類準球形焊點時最靠近接頭的一側緯線熔化，X4是通過改變在兩側絲網的經線留絲毛邊重疊部分的焊接對中位置來改變的。由圖5(b)可以看出：在毛邊插入距離為0.3 mm，平均焊接熱輸入為11.5 kJ條件下，當X4不變時，b類準球形焊點半徑隨著X5的增大而增大，原因也是散熱效果變差；當焊接對中位置為兩側絲網的經線留絲毛邊重疊部分的中心位置，即X4為0.15 mm時，焊點半徑隨著X5增大而增大的規律最符合線性關系，且斜率最大，而當焊接位置偏離中心位置時，焊點半徑與X5的線性關系變差，且斜率下降，這是由于此時一側緯線的熔化削弱了另一側緯線的散熱作用。

由圖5(c)可以看出：在X4，X5分別為0，1.0 mm條件下，當毛邊插入距離不變時，準球形焊點半徑隨著熱輸入的增大而增大，最后趨于穩定，這是因為隨著熱輸入的增大，接頭處經線留絲毛邊重疊部分熔化的母材增加，而當熱輸入增加到一定值時，該部分的母材全部熔化，形成的準球形焊點半徑達到最大值；隨著毛邊插入距離的增大，接頭處待焊母材金屬量增加，所需的熱輸入增大，準球形焊點半徑增大。

2.2.2 橢球形焊點的成形機理

由圖6(a)可以看出，在焊接對中位置為兩側絲網經線留絲毛邊重疊部分的中心位置，毛邊插入距離為0.5 mm，X5固定為0.75 mm條件下，當焊接熱輸入不變時，橢球形焊點的長軸長度隨著X4的增大而增大，最后趨于一個定值。X4的增大會造成最靠近接頭處緯線的散熱作用減弱，導致接頭處有更多的熱量熔化待焊母材，因此橢球形焊點的長軸長度增大；但當X4增加到一定程度后，由于相應緯線的散熱距離已達到足夠大，X4的繼續增加對散熱效果影響不大，因此長軸長度趨于一個定值。當X4不變時，隨著熱輸入的增大，接頭處母材的熔化量增加，因此橢球形焊點的長軸長度增大。

圖5 準球形焊點半徑與成形參數之間的擬合曲線Fig.5 Fitting curves between radius of torispherical welding spots and forming parameters: (a) fitting curve between Y2 and X4 of a type welding spots; (b) fitting curve between Y1 and X5 of b type welding spots and (c) fitting curve between Y1 and X3

由圖6(b)可以看出，在焊接位置為兩側絲網經線留絲毛邊重疊部分的中心位置，毛邊插入距離為0.5 mm，熱輸入為9.1 kJ條件下，當X5為0.40 mm時，橢球形焊點的短軸長度隨X4的增大而增大，但當X5為0.75,0.85 mm時，短軸長度隨著X4的增大先增大再減小。當X4在較小范圍內時，X4的增大會使接頭處的散熱條件變差，接頭處有更多熱量熔化母材，導致短軸長度增大；當X4增大到一定值后，繼續增加X4所引起的橢球形焊點長軸長度的增加抑制了短軸長度的增加。當X4不變時，X5的增加所造成的橢球形焊點長軸長度的增加限制了短軸長度的增加，因此橢球形焊點的短軸長度隨著X5的增大基本呈減小趨勢。

圖6 橢球形焊點長軸和短軸長度與成形參數之間的擬合曲線Fig.6 Fitting curve between length of long axis (a) and short axis (b) of ellipsoid welding spots and forming parameters

2.2.3 紡錘形焊點的成形機理

紡錘形焊點的體積Y4與X5和毛邊插入距離X1的關系如圖7所示。由圖7可以看出：在X4為0 mm，熱輸入為10.0 kJ條件下，當毛邊插入距離不變時，紡錘形焊點的體積基本隨著X5的增大而增大，這是由接頭處的散熱效果隨著X5的增大而變差導致的；當毛邊插入距離為0.5 mm時，由于接頭處兩側經線留絲毛邊重疊部分的金屬量較大，因此紡錘形焊點的體積隨著X5的增大而呈線性增大趨勢，且斜率最大；當X5小于0.33 mm時，紡錘形焊點的體積隨著毛邊插入距離的增大而減小，這是因為較小的X5使得相應的最靠近接頭處的緯線對接頭的散熱效果較好，且毛邊插入距離越大，散失的能量越多，熔化的金屬越少，因此焊點的體積越小；當X5大于0.70 mm時，較大的X5使得相應的最靠近接頭處的緯線對接頭的散熱效果較差，焊點體積則主要受到接頭處可供熔化的金屬量的影響，因此焊點體積隨著毛邊插入距離的增大而增大。

圖7 紡錘形焊點體積與X5的擬合曲線Fig.7 Fitting curve between volume of spindle welding spots and X5

3 結 論

(1) 在試驗參數范圍內對不銹鋼絲網進行微束等離子弧對接焊后，焊點光滑均勻，且達到絲絲焊接、單面焊雙面成形的效果；絲網在對接焊過程中形成了準球形、橢球形和紡錘形3種形貌焊點；裝配方式、毛邊插入距離、焊接對中位置、焊接熱輸入及焊槍距接頭兩側緯線的距離(較短距離X4和較長距離X5)是影響焊點形貌的主要因素。

(2) 準球形焊點分為最靠近接頭處緯線不熔化的a類準球形焊點與最靠近接頭處緯線熔化的b類準球形焊點；當X5不變時，a類準球形焊點半徑隨X4的增大而增大；當X4不變時，b類準球形焊點半徑隨X5的增大而增大。

(3) 形成橢球形焊點時接頭兩側緯線不熔化；當焊接熱輸入不變時，橢球形焊點的長軸長度隨X4的增大而增大，最后趨于一個定值；當X5不變時，橢球形焊點的短軸長度隨X4的增大先增大再減小。

(4) 形成紡錘形焊點時最靠近接頭的一側緯線熔化；當毛邊插入距離不變時，紡錘形焊點的體積隨X5的增大而增大；當X5小于0.33 mm時，紡錘形焊點的體積隨毛邊插入距離的增大而減小，而當X5大于0.70 mm時，焊點的體積隨毛邊插入距離的增大而增大。