不銹鋼超薄板脈沖微束等離子弧焊熔池尺寸和焊縫成形質量

徐 磊，何建萍，潘雪航

(上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620)

0 引 言

在工業生產中，超薄板廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域，其焊接方法主要包括激光焊、電子束焊接、微束等離子弧焊等[1-3]。微束等離子弧焊由于具有電弧尺寸小、能量密度高、挺直度好、拘束度高等特點而廣泛應用于超薄板材和線材的焊接[4-7]。

超薄板焊接具有單面焊雙面成形的特點，由于超薄板太薄，因此對于焊接熱輸入特別敏感，在焊接過程中經常出現燒穿、變形等缺陷，嚴重影響了焊接接頭的質量[8]。由于焊縫的形貌和尺寸與熔池的形狀和幾何尺寸有直接關系[9-10]，因此為了獲得成形質量良好的焊縫，研究熔池的形貌特征變得尤為重要。HAN等[11]研究發現，金屬鋯片激光焊接頭的變形程度與熔池的形狀有關。LEI等[12]利用熔池視覺傳感檢測的方法研究了不同工藝參數對激光焊熔池形貌特征和振蕩周期的影響，提出了工藝參數與熔池幾何參數之間的非線性回歸方程。邊培瑩等[13]研究發現，采用合適的工藝參數可以獲得適當的316L不銹鋼選區激光熔化熔池尺寸，進而得到高質量的工件。LI等[14]建立了鈦合金激光焊接的三維數值模型，研究了不同板厚和不同工藝參數對熔池溫度場及熔池形貌的影響，發現較薄工件的厚度決定了焊接工藝參數的選擇，不同的工藝參數對熔池的形貌影響較大，合適的工藝參數下更容易獲得成形質量良好的焊縫。但是目前對于超薄板焊接熔池形貌特征的研究極少。因此，作者利用基于背光光源的熔池視覺傳感檢測系統，采集焊接過程中熔池的圖像信息，并利用MATLAB圖像處理軟件提取熔池的幾何尺寸，研究了不同工藝參數對0.1 mm厚奧氏體不銹鋼超薄板脈沖微束等離子弧焊熔池表面形貌特征的影響，為提高超薄板焊縫質量提供理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為0.1 mm厚304奧氏體不銹鋼板，中國牌號為0Cr18Ni9，供貨態為固溶態。焊接前用酒精擦拭不銹鋼表面以去除油污，然后用對接的方法進行焊接試驗。用圖1所示的基于背光光源的熔池視覺傳感檢測系統對脈沖微束等離子弧焊熔池尺寸進行研究，背光光源采用波長為400～500 nm的LED強光；遠心鏡頭可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不發生變化；窄帶濾光片僅允許波長為400～500 nm的光通過；CCD相機使用千眼狼相機采集焊接過程中熔池輪廓的變化。焊接方法為脈沖微束等離子弧焊，其焊接工藝參數：焊接速度4.1 mm·s-1，焊炬高度2 mm，平均電流1.8 A，采用氬氣作為保護氣和等離子氣體，其流量分別為3.5，0.5 L·min-1，其他焊接工藝參數如表1所示，表中基脈比表示基值電流與峰值電流之比。

圖1 基于背光光源的熔池視覺傳感檢測系統Fig.1 Visual sensing inspection system for molten pool based onbacklight light source

表1 焊接工藝參數

在不同工藝參數下的焊接過程中取5個周期的圖像，然后在每個周期內每隔50 ms取一張熔池圖像，通過MATLAB圖像處理軟件計算熔池的寬度和面積，取5組數據的平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 熔池尺寸

由圖2可知：在峰值電流作用期間(100～500 ms)，試樣逐漸熔化，熔池的面積、長度和寬度都逐漸增加；在基值電流作用期間(510～1 000 ms)，熔池內的液態金屬逐漸凝固，熔池的面積、長度和寬度都逐漸減小。這是由于峰值電流作用期間焊接電流大、熱輸入高，因此隨著焊接過程的進行熔池逐漸長大；而基值電流作用期間焊接電流小、熱輸入低，因此隨著焊接過程的進行熔池逐漸縮小。

圖2 脈沖電流作用期間不同時刻的熔池圖像(f=1 Hz，占空比50%，Ib=1.2 A，Ip=2.4 A)Fig.2 Molten pool images at different moments during pulse current action (f=1 Hz, duty cycle of 50%, Ib=1.2 A, Ip=2.4 A)

2.2 工藝參數對熔池尺寸的影響

由圖3可知：在相同頻率和占空比下，熔池的最大寬度和最大面積隨著基脈比的增加逐漸減小；在峰值電流作用期間，熔池的寬度和面積均逐漸增大，在基值電流作用期間逐漸減小；基脈比小表示峰值電流大、基值電流小，在峰值電流作用期間隨著基脈比的增大，峰值電流減小，焊接熱輸入減小，因此熔池的寬度和面積均減小；在基值電流作用期間的熔池寬度和面積隨著基脈比的增加而增加。500～550 ms屬于基值電流作用期間，此時基脈比小的熔池寬度和面積仍然大于基脈比大的熔池寬度和面積，這是由于焊接電流由峰值轉換成基值的瞬間，焊接熔池存在熱慣性[15]。當基脈比為0.29時，熔池的寬度在基值電流作用期間迅速減小，并在650 ms時減小至0。當基脈比分別為0.50和0.71時，熔池的寬度在基值電流作用期間逐漸減小，但并未減小至0，而是分別于750 ms和700 ms時趨于穩定。這是由于基脈比為0.29時的基值電流太小，此時的熱輸入并不足以使試樣熔化，而基脈比分別為0.50和0.71時，基值電流作用期間的熱輸入使試樣熔化，并且在700 ms附近時散熱速率與焊接熱輸入的加熱速率達到平衡，因此熔池寬度趨于穩定。

圖3 不同基脈比下焊接過程中熔池寬度和面積的變化曲線(f=1 Hz，占空比50%)Fig.3 Curves of width (a) and area (b) of molten pool during welding process at different base pulse ratio (f=1 Hz, duty cycle of 50%)

由圖4可知：在相同頻率和基值電流下，基脈比相差較小，此時熔池的最大寬度和最大面積主要隨著占空比的增加逐漸減小；在峰值電流作用期間，不同時刻所對應的熔池寬度和面積隨著占空比的增加逐漸減小，這是由于此時峰值電流對焊接熱輸入的影響大于峰值電流作用時間所造成的影響。在基值電流作用期間，占空比為50%的熔池寬度和面積在800 ms達到穩定，而占空比為30%和70%時的熔池寬度和面積分別于600 ms和850 ms減小至0。這是由于占空比為30%和70%時，基值電流作用期間的焊接熱輸入不足以使試樣熔化；占空比為50%時基值電流作用期間的焊接熱輸入使試樣熔化，并且在750 ms附近的散熱速率與焊接熱輸入的加熱速率達到平衡，導致熔池的寬度和面積達到穩定。

圖4 不同占空比下焊接過程中熔池寬度和面積的變化曲線(f=1 Hz，Ib=1.2 A)Fig.4 Curves of width (a) and area (b) of molten pool during welding process with different duty cycle (f=1 Hz, Ib=1.2 A)

由圖5可知，在其他條件相同時，隨著焊接過程的進行，不同脈沖頻率下熔池的寬度和面積先增加后趨于穩定，同時脈沖頻率越高，熔池的寬度和面積越先達到穩定，且達到穩定時的熔池寬度和面積越小。隨著脈沖頻率的增加，基值電流和峰值電流的作用時間均縮短，熔池在峰值電流作用期間來不及長大而又處于基值電流作用期間，因此脈沖頻率越高，熔池的寬度和面積越小，也越容易達到穩態。由于脈沖頻率增加后會導致電弧收縮，使得電弧與試樣表面的接觸面積減小，從而造成熔池的寬度和面積減小[16]。脈沖頻率越低，熔池寬度和面積在達到穩定后的波動幅度越大，這是由于脈沖頻率越低，基值電流和峰值電流的作用時間越長，熔池有足夠的時間長大或縮小導致的。

圖5 不同脈沖頻率下焊接過程中熔池寬度和面積的變化曲線(占空比50%，Ib=1.2 A，Ip=2.4 A)Fig.5 Curves of width (a) and area (b) of molten pool during welding process at different pulse frequency(duty cycle of 50%, Ib=1.2 A, Ip=2.4 A)

2.3 焊縫形貌

由圖6(a)可知：在脈沖頻率為1 Hz、占空比為50%條件下，焊縫的最大寬度隨著基脈比的增加而逐漸減小；基脈比為0.29時，試樣在基值電流作用期間并沒有熔化，因此此時的焊縫是間斷的；其他基脈比時的焊縫是連續的，同時峰值電流作用期間的焊縫寬度大于基值電流作用期間的焊縫寬度，此時的焊縫稱為連續不等寬焊縫。以上這些特征都與圖3的結果一致。由圖6(b)可知，在脈沖頻率為1 Hz、基值電流為1.2 A條件下，焊縫的最大寬度隨著占空比的增加而逐漸減小，只有占空比為50%時的焊縫是全部熔透，這也與圖4的結果一致。由圖6(c)可知，在占空比為50%、基值電流為1.2 A、峰值電流為2.4 A條件下，焊縫的最大寬度隨著脈沖頻率的增加而逐漸減小，基值電流和峰值電流作用期間的焊縫寬度相等，屬于連續等寬的焊縫，焊縫成形質量好，這與圖5的結果一致。經測試發現，占空比為50%、基值電流為1.2 A、峰值電流為2.4 A、基脈比為0.50，脈沖頻率為25，100，500 Hz時所獲得的焊縫成形質量最好。

圖6 不同工藝參數下的焊縫宏觀形貌Fig.6 Weld macromorphology under different process parameters: (a) weld at different base pulse ratio(f=1 Hz，duty cycle of 50%);(b) weld at different duty cycle (f=1 Hz, Ib=1.2 A) and (c) weld at different pulse frequency (Ib=1.2 A，Ip=2.4 A，duty cycle of 50%)

3 結 論

(1) 基于背光光源的熔池視覺傳感檢測系統可以采集到清晰的304不銹鋼超薄板脈沖微束等離子弧焊熔池圖像，在試驗條件下熔池的寬度小于2.5 mm，面積小于3.5 mm2。

(2) 在峰值電流作用期間，熔池的面積和寬度逐漸增大；在基值電流作用期間其面積和寬度逐漸減小。焊接過程中，當平均電流為1.8 A時，304不銹鋼超薄板脈沖微束等離子弧焊熔池的最大寬度和最大面積隨著基脈比、占空比、脈沖頻率的增加均逐漸減小。

(3) 熔池尺寸與焊縫成形質量緊密相關，在試驗工藝參數下存在3種不同類型的焊縫，分別為間斷焊縫、連續不等寬焊縫、連續等寬焊縫；占空比為50%、基值電流為1.2 A、峰值電流為2.4 A、基脈比為0.50，脈沖頻率為25，100，500 Hz時所獲得的焊縫成形質量最好，為連續等寬焊縫。