旁路耦合微束等离子弧热特性及焊缝成形特点

0 序 言

微束等离子弧焊是一种小电流的焊接方法，它是在等离子弧焊的基础上，采用小孔径喷嘴进一步加强对电弧的压缩，并利用联合型电弧及等离子弧温度高的特点，使微束等离子弧能够稳定存在. 与钨极氩弧焊相比，微束等离子弧焊可焊接更薄的金属，最小可焊接厚度为0.01 mm；电弧挺度和稳定性更好，对弧长的变化不敏感，弧长可以在很大范围内变化而不会断弧；并且焊缝窄、热影响区小、焊缝变形小[1].微束等离子弧焊的应用范围非常广泛，已经成功应用于航空、航天、造船、医学等许多领域[2]，特别适合于金属薄壁件[3-5]、金属细丝筛网[6]及高温合金[7]的焊接. 陈焕明等人[8]研制的变极性微束等离子弧焊电源能够有效减少钨极烧损，控制阴极清理作用，适合于铝合金的焊接，并且一些学者在变极性等离子弧焊焊接铝合金方面做了深入的研究[9-12].柴国明等人[13]对添加活性剂后的等离子电弧特性和电弧力进行了研究，发现电弧温度分布更加紧凑，电弧力分布半径减小，压力峰值增大. 武传松等人[14]通过数值模拟研究了等离子弧焊穿孔过程中熔池流动和传热过程，展示了小孔形成前后流场和温度场的演变规律. 但是在实际焊接中当工件对接间隙稍大时，微束等离子弧焊常出现焊缝余高不够或下陷，也容易出现咬边的缺陷，这就说明焊缝填充金属不足，需要填充焊丝，而微束等离子弧焊电流很小，形成的熔池也很小，焊丝熔化速度不高，影响生产效率.

为了提高微束等离子弧焊生产效率及实现熔化母材热量与熔化焊丝热量的解耦控制，提出旁路耦合微束等离子弧焊(double-electrode micro-plasma arc welding，DE-MPAW). 通过理论分析及所做的相关试验表明所提出的方法的可行性和有效性.

二要落实用水效率控制红线。加强对核电等重点取水户的监督检查，开展取水户计划用水管理及取退水的全过程监督管理，加大违法取水户查处力度。严格水资源论证和取水许可管理，开展水资源论证后期评估和规划水资源论证试点。指导流域节水型社会试点建设。

1 DE-MPAW原理

旁路耦合微束等离子弧焊主要由主路等离子焊枪和旁路熔化极焊枪组成，其基本原理如图1所示. 该方法采用一台陡降特性微束等离子焊机，焊机的负极与微束等离子焊枪连接，焊机的工件正极同时与工件和旁路熔化极焊枪连接. 焊接时微束等离子焊机在微束等离子焊枪与工件之间提供一定的电压、电流，使气体电离产生主弧，同时当旁路焊丝送进接触到主路电弧时，由于主路等离子电弧温度很高，伸长的焊丝迅速熔化蒸发产生金属蒸气，又由于微束等离子焊机在等离子焊枪与焊丝间也提供了一定的电压与电流，因此在焊枪与焊丝之间又产生了旁路电弧，等离子主弧与旁路电弧形成一个耦合电弧. 这样在焊接过程中电流从焊机工件正极流出后分为两个部分，一部分流入母材，一部分流经电阻器后通过焊丝进行分流. 因此流入母材的电流并不等于流过焊枪的电流，而是等于流经焊枪钨极的电流减去旁路焊丝分流的电流及维弧电流，旁路耦合微束等离子弧焊焊接过程中的电流关系如式(1)所示，即

图1 DE-MPAW 原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of DE-MPAW principle

式中： I m 为流入母材的电流；Iz为流过焊枪钨极的电流；Ip为 流过焊丝的旁路电流； I w为维弧电流.

对于主路电弧，由于工件接微束等离子焊机的工件正极，微束等离子焊枪的钨极接焊机的负极，焊枪钨极与工件产生的主路电弧为微束等离子弧，保留了微束等离子弧的特点；对于旁路电弧，旁路焊丝接微束等离子焊机的正极，产生主路电弧后主路等离子弧的正离子就成为了旁路电弧的正极，旁路焊丝与工件的距离远小于旁路焊丝与焊枪钨极的距离，根据电压最小原理，旁路电弧为了保持最小的能量消耗，只会在旁路焊丝与主路微束等离子弧柱区之间最短的距离内燃烧，并且旁路耦合微束等离子弧焊是在微束等离子弧焊的基础上采用单个微束等离子弧焊机改进而来的，而微束等离子弧焊机是下降特性的电源，因此旁路电弧的自调节作用较弱，不能仅依靠电弧的自调节作用保持旁路焊丝送进与熔化的平衡并保持旁路电弧的稳定燃烧，此时需要依靠弧压反馈进行旁路焊丝送丝速度的控制，从而保证旁路电弧的稳定燃烧. 所以该焊接方法既有微束等离子弧焊的特性，又有旁路耦合电弧焊热输入可调控的特性.

2 试验系统与方法

2.1 试验系统组成

旁路耦合微束等离子弧焊试验系统如图2所示，主要包括焊接系统、焊接辅助系统和信号采集与传感系统. 其中，焊接系统由LHM-50精密微束等离子弧焊机和WF-007A多功能自动氩弧填丝机组成；焊接辅助系统包括三轴数控工作平台、步进电动机和驱动器、PCLD-885固态继电器卡等；信号采集与传感系统由工控机、PCL-812PG数据采集卡、PCL-728模拟量输出卡、霍尔电流传感器、电压隔离模块、K型热电偶、ADAM-4018温度采集模块及配套的温度采集软件等组成.

2.2 试验方法

试验母材采用厚度为3 mm的304不锈钢板，焊丝采用直径为0.8 mm的ER304L不锈钢焊丝.焊前用砂纸打磨并用丙酮清洗不锈钢板，以除去表面污渍.

随着人们的经济生活水平的不断提高，审美消费水平也日益增长，传统老套的产品设计无法满足当下社会发展，设计师想要在现代工业中设计出用户满意的产品，就必须把握产品的新颖与潮流，结合最新的热点与技术，引起人们的好奇心，激起人们消费欲望。如果一直重复传统简单老套的设计模式只会让人产生厌烦感，所以很有必要结合时尚因素能发挥人性化设计的特点与优势。

图2 DE-MPAW 试验系统
Fig.2 Experiment system of DE-MPAW

试验采用旁路耦合微束等离子弧焊在平板上堆焊的方式进行，如图3所示，焊接过程中，两把焊枪固定在一起相对于试验平台静止，工件运动.沿焊接方向上，GMAW焊枪在前，MPAW焊枪在后.其中，焊接总电流为50 A、保护气体流量为10 L/min、离子气体流量0.6 L/min、送丝速度280 cm/min、等离子弧长10 mm，在整个试验过程中保持不变.

图3 DE-MPAW 焊枪组合
Fig.3 Torch-set of DE-MPAW

3 试验结果与分析

3.1 DE-MPAW 熔敷率分析

在其它参数不变的前提下，分别在旁路电流为0 A和旁路电流为14 A时逐渐增大焊接速度进行焊接试验，得到如图4和图5所示的焊缝形貌.

从性别差异视角出发，即新媒体对工作匹配的影响是否会突出地表现在女性农民工身上(模型三)的具体回归结果则如表4所示：

由图4可知，在旁路电流为0 A、焊接速度为190 mm/min时焊缝成形良好，而当焊接速度达到210 mm/min时出现明显的驼峰焊道；由图5可知，旁路电流为 14 A、焊接速度为 250 mm/min时焊缝成形依然良好，而当焊接速度达到270 mm/min时出现连续的驼峰焊道. 这是因为在高速焊接过程中，焊接电流过大产生过高的电弧压力是产生驼峰焊道的主要原因，但是如果能够保证单位长度焊缝上熔敷的填充金属量恒定，并实现母材与焊丝热输入的合理分配，即保证焊丝熔敷率的同时保持母材熔深不变，就能有效控制驼峰焊道等缺陷的产生.而旁路耦合微束等离子弧焊中电流较小又经旁路焊丝的分流，从而在保证焊丝高熔敷率的同时进一步降低了熔化母材的电流，所以不易出现驼峰焊道，直到焊接速度过快，熔化的焊丝不能填满熔池，才导致驼峰焊道的产生.

图4 旁路电流 0 A 时的焊缝成形
Fig.4 Weld formation under bypass current 0 A

图4 旁路电流 14 A 的焊缝成形
Fig.5 Weld formation under bypass current 14 A

在焊丝熔敷率方面，常规微束等离子弧焊中熔化焊丝的热量主要来源于熔池的热传递，焊丝熔敷效率受到限制；热丝MPAW中增加了一个电源利用焊丝电阻热Pw对焊丝进行预热，提高了焊丝熔敷率. 如式 (2)，即

式中：Pw为电阻热功率；Iw为通过焊丝的电流；Rw为焊丝伸出长度的电阻；Uw焊丝上的电压. 而在旁路耦合微束等离子弧焊中，焊丝电阻热仍然存在，但是又增加了由于阳极压降引起的热IwUa，Ua为阳极压降，因此旁路耦合微束等离子弧焊焊丝的熔敷率就是热丝MPAW的k倍. 如式(3)，即

焊丝伸出长度的电阻Rw非常小，因此在小电流焊接时焊丝伸出长度上分担的电压Uw=IwRw远远小于阳极压降Ua.

3.2 DE-MPAW 热输入分析

采用如表1所示的焊接参数，进行DE-MPAW热循环曲线测试试验，如图6所示，测试时将3个K型热电偶利用焊偶仪焊接在母材正面的3个点上，各点距离焊缝中心线的距离分别为10，20，30 mm.

测试得到的热循环曲线如图7所示，各参数的热循环曲线测试结果统计如表2所示. 在四组试验得到的热循环曲线中，旁路电流为0 A时的距离焊缝中心线最近的A点峰值温度最高，达到538.5 ℃，随着旁路电流从10 A增加到12，14 A，A点的温度峰值依次减小为504，442.9，401.1 ℃，而B点和C点的峰值温度也符合这一变化趋势. 由图7和表2可以看出，随着旁路电流的增大，母材的热输入是逐渐降低的. 这是因为在焊接过程中母材的热输入主要有三种形式：焊接电弧面热源直接加热母材、熔滴体热源将热量带入熔池、流过母材的电流产生电阻热. 对于DE-MPAW，熔化母材的电流Im和焊接总电流Iz遵循(1)式的关系，Im明显要小于Iz，因此主路等离子弧和旁路电弧耦合形成的耦合电弧对母材的热输入比常规的MPAW要低很多；引入旁路电弧后，旁路焊丝上产生熔滴，进而将热量带入母材，这样母材的热输入比只依靠等离子弧和熔池熔化焊丝的常规MPAW的高；但是由于旁路电弧的分流作用，使流经母材电流显著减小，母材上产生的电阻热也显著减小，耦合电弧和母材电阻热对母材热输入减小的程度要大于熔滴增加母材热输入的程度，所以DE-MPAW具有较低的母材热输入.

当a>0时，如图4，将x=0代入抛物线得y=-3a，因为抛物线与线段BC恰有一个公共点，所以-3a<4，解得将x=5代入抛物线得y=12a，所以12a≥4，解得所以

表1 热循环曲线测试焊接参数
Table 1 Welding parameters of thermal cycling curve

编号 母材电压Um/V焊接速度v/(mm·min–1)1 26.96 50 0 0 90 2 26.86 40 22.52 10 90 3 25.96 38 23.21 12 90 4 25.72 36 24.38 14 90母材电流Im/A旁路电压Up/V旁路电流Ip/A

图6 热电偶测量点的分布图 (mm)
Fig.6 Distribution of thermocouple measurement points

图7 不同旁路电流下的热循环曲线
Fig.7 Thermal cycling curves under different bypass currents

3.3 DE-MPAW 焊缝成形分析

对测量热循环曲线后的四条焊缝进行切割、腐蚀处理，得到如图8所示的焊缝截面形貌，并对每条焊缝的熔宽、熔深和余高分别进行了测量统计，如图9所示. 根据测量的焊缝几何参数进一步又计算了各焊缝的成形系数和稀释率，如图10所示.

由图9可以看出，随着旁路电流的增加，焊缝熔宽、熔深逐渐减小，余高逐渐增大. 由图10可知，随旁路电流的增大，成形系数增大，稀释率减小. 这是由于焊缝的熔宽与主弧电压相关，主弧电压随旁路电流的增大而缓慢降低，因此熔宽也缓慢减小.由于旁路电弧分走了一部分熔化母材的电流，使得作用在熔池表面的电弧压力减小，并且引入旁路电弧后，焊丝在未插入到等离子弧中心时就已经熔化形成熔滴，熔滴过渡的路径偏离等离子弧中心而偏向旁路一侧，熔滴落在熔池稍靠前的位置，熔滴对熔池的冲击力作用点与电弧压力的作用点发生偏离，且熔池前端液态金属层较厚，对熔滴冲击力的缓冲作用较大，因此随着旁路电流的增大，熔深减小，稀释率降低. 熔宽减小的速率小于熔深减小的速率，所以焊缝成形系数随旁路电流的增大略有增加，这有利于增强抗热裂纹性能，利于薄板高速焊及异种金属的焊接.

表2 不同旁路电流下各测试点峰值温度
Table 2 Peak temperature of each test point under different bypass currents

旁路电流Ip/A C点峰值温度TfC/℃0 538.5 300.9 170.8 10 504.0 288.2 162.8 12 442.9 276.2 140.0 14 401.1 202.8 121.7 A点峰值温度TfA/℃B点峰值温度TfB/℃

图8 不同旁路电流下的焊缝截面形貌
Fig.8 Weld cross-section under different bypass currents

图9 焊缝几何参数随旁路电流的变化情况
Fig.9 Variation of weld geometry parameters with bypass current

4 结 论

图10 成形系数和稀释率随旁路电流的变化情况
Fig.10 Variation of forming coefficient and dilution rate with bypass current

(1)DE-MPAW相对于传统及热丝MPAW具有较高的焊丝熔敷率和焊接速度，较低的母材热输入，可以实现熔化母材的热量与熔化焊丝的热量的解耦.

(2)在其它焊接参数保持不变时，随旁路电流的增加，焊缝的熔宽、熔深和稀释率减小，余高和成形系数增大.

沙荒地苹果不同处理成花株数差异很大，行间清耕、间作小麦、自然生草3个处理成花株数存在极显著，自然生草苹果成花株数明显高于间作小麦和行间清耕，行间清耕极显著大于间作小麦；而自然生草单株成花率显著高于行间清耕，极显著高于间作小麦，行间清耕单株成花率显著高于间作小麦。自然生草与行间清耕、间作小麦相比差异极显著，行间清耕单株成花数与间作小麦差异显著。

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