【《电弧星加工工艺和优化探究》9100字】

电弧星加工工艺和优化研究摘要随着社会经济的飞速提升，重工业依然起着不可或缺的重要地位，连接工件的主要手段——焊接也在此蓬勃发展，近几年双丝间接电弧焊得到了很快的发展、应用。其电弧是一种在新条件下产生的电弧，电弧产生的物理实质依然是一种气体放电现象，但电弧的形态及特性行为与传统焊接电弧是不同的，电弧产生的热输入与工件本身加热的行为也不相同。这种焊接工艺由于采用了双丝间接电弧，使电流被焊丝分流，实现了熔敷效率的显著提高，对于热输入的降低具有一定的促进作用，不过工件并不会连接电源，因此其自身热输入假设低于一定标准那么就会会出现熔合不良等相关问题。为了有效处理该问题，本文开展了相关研究与实验，基于旁路电流的引入实现热输入的提高，效果显著。借助电流的分流操作，确保主焊枪和工件之间产生直接电弧。这一直接电弧会与间接电弧相互影响，从而生成一个新的复合电弧，基于熔深的提高实现电路缺陷的处理与优化。本文的主要目的在于优化耐腐蚀堆焊的相关工艺。由此可见，不仅仅要保证堆焊层的耐腐蚀性，还要提高熔深。在电化学腐蚀方法的应用基础上，对参数不同条件下堆焊层自身具有的晶间腐蚀耐蚀性进行检测，评价分析其点蚀耐蚀性，以此作为选择最优参数的前提。具体需要研究设计的参数主要是负极送丝相应的速度。通过实验得出双丝间接电弧焊可以弥补传统堆焊熔敷率低，晶间腐蚀严重的缺陷；假设正极送丝速度是固定的，此时可以适当调节其他可控制条件，假设负极送丝速度等同于正极参数的42%，那么处于该参数条件的不锈钢堆焊层会展现出更强的性能，尤其是耐晶间腐蚀以及相关的耐点蚀性能。关键词：间接电弧；旁路电流；耐腐蚀堆焊第一章绪论1.1研究背景焊接技术发展到今天,几乎涵盖了所有的产业(机械重工业、航空航天、集成电路、交通运输等)。焊接技术的综合水平应该视为评估国家科技先进水平的重要指标，基于现代焊接技术的快速发展和进步，促进了现代工业和科学技术的迅速成长[2]。堆焊是一种特殊的熔焊方法[3]。大部分应用于熔焊的方法也可以在堆焊中使用。双丝间接电弧焊是一种新型的焊接工艺，他的本质依然是尖端起弧形成热输入，属于电弧焊的应用范畴，不过与传统电弧焊相比还是存在一定的差别。从传统焊接的角度来说，在具体的焊接过程中,工件通常设定为电极的一极（阳极或阴极）连接到焊接电源上，这样与焊丝（焊条）间形成单一的直流电流。而对于新兴的双丝间接电弧焊,工件不作为电源的一极，其本身并无电流通过，他只是接收了两焊丝所熔化的熔滴，过渡到工件上。在具体焊接工作的开展过程中，参与焊接工作的焊丝一般设计为2根，1根与电源正极相连，另一根与电源的负极相连。2根焊丝间会进行电弧的燃烧，电弧燃烧产生的热量提供给了工件部分热输入。由于期间起弧与热输入的不同，使得焊件所表现出的特点与传统焊接工艺存在显著的差异，在焊接效率方面表现出角度的优势，同时热输入相对较小小实践证明，该焊接方法热输入相对严格的焊接环境下较为适用，体现了一定的高效率、节约能耗的优点，成为了多数学者课题研究方向。与此同时，由于双丝间接电弧焊的自身特点，在一些工艺标准中受到了很多的局限。其焊接工艺窗口比较窄主要原因还是焊接过程中的热输入相对较小，在焊接工作的开展过程中，未熔合或是熔合不良的情况较为常见，因此会对双丝气体保护提出更高的要求，究其原因，主要是因为假设保护不到位，那么必定出现会气孔等缺陷。本文在原有焊接工艺的基础上，优化双丝间接电弧焊焊接工艺，改善了因焊接窗口过窄而引起的焊接缺陷，并为此提出了一种新的解决方案。通过在一般的双丝焊接工艺基础上外加旁路电流，将工件接入焊接电流回路中。整个焊接系统包含了两条不同连接方式的电流回路，这两条回路分别是双丝间回路和焊丝-工件间回路。对于该类型的焊接工艺来说，其主要作用在于使工件接通电流从而也能引起电弧燃烧，工件受热的效果明显提升，实现了工件热输入的显著提高，不仅如此，焊丝和工件回路中流经的电流与总电流相比相对较小，同时还能通过调节得到控制，这样一来，除了能够满足工件热输入的基本需求之外，还能确保双丝间接电弧相对应的焊熔敷效率。[6]1.2双丝间接电弧焊的研究进展1.2.1双丝间接电弧目前的情况双丝间接电弧焊作为一种新兴的焊接方法，具有很好的焊接特性，越来越多的学者对这种工艺进行研究探索。张顺善团队[9]对双丝间接电弧焊电弧及熔滴过渡进行了研究。对焊接电流、电弧电压、焊接速度等因素进行研究分析。焊接电流较小时，电弧燃烧不稳定且短暂，电弧提供的能量较少，导致焊接熔深偏向一侧。当电流逐渐增大时，电弧燃烧集中，对工件表面的热输入增加，熔深随着增加。电流过大时，等离子体受电流的影响，等离子流力增大，使得阴阳两极区电弧方向性明显，导致电弧分散，热输入不集中，熔深形状不规则[10]。吴东亭团队[11]对双丝间接电弧焊的电弧特性进行了一系列研究。先对双丝间接电弧焊保护气体液态分析，借助通用有限元软件ANSYS的流体动力学模块FLOTRAN对焊接工作区域的保护气的流动状态进行了有限元的计算，得到了保护气在工作区域的流动状态分布信息，准确计算采集的分布数据和信息，获取相关的模拟结果，基于结果的观察与分想，设计出焊枪的优化方案，从而得到保护效果良好的焊枪。接着对双丝间接气体保护焊的电弧进行数值模拟，根据磁流体动力学理论，焊丝燃烧的电弧实际情况，建立三维的数学模型，对数值进行模拟计算，分析数值模拟的结果。最后分析了双丝间接电弧形态的影响因素[12]。1.2.2双电极焊接一般认为，传统的焊接均为单极焊接，既为：一个电源正极和负极分别连接工件与焊丝（焊条），当然，焊丝（焊条）可作为熔化极或非熔化极，通过两电极间起弧燃烧，形成熔滴过渡，滴入工件的熔池中，达到焊接的目的。对于双电极焊接来说，其与上述方法存在一定的差异，这点需要重要关注。以双电极气体保护焊(DE-GMAW)为例，其经过不断的实践与发展，已经在相关的焊接领域得到了广泛的应用，其基本原理在于，在传统单极气体保护焊的应用前提下，增加了旁路电流，此旁路电流具有两个电源，分别接在两个焊枪上，形成双电极。对于传统的气体保护焊来说，其热输入是固定的，它取决于工件接入的直流电流，而在双极气体保护焊中，用于熔覆的这部分热输入是可以根据接入的旁路电流进行控制的[13]。双极气体保护焊的原理是有两个电极，其中主电极与工件有一个电弧产生，旁路电极与主电极间也有电弧产生，其具体的原理图可参考图1-1。主电极与主电源相互连接，附加电源负责旁路电弧的供应，同时主电源也能够满足旁路电弧的电源供应需求。对于完整的主循环，可将其理解为工件电流流经的整个路径，旁路循环主要表述旁路电流在整个过程中流经的路径。熔化极双极气体保护焊的应用实现了熔化速度的显著提高，并且没有改变热输入，还可以通过旁路电流控制熔化速度[14]。图SEQ图\*ARABIC1-1双极气体保护焊原理[25]与传统的单芯焊条电弧焊相比，双电极焊条的焊接工艺则具有产生效率高、焊缝熔合比较小，熔敷系数较大，更加节省电能等，操作较为方便的特点，作为一种优化度较高的新型焊接技术，具有十分广阔的应用前景。由于焊接电弧回路结构具有相似性，都可以通过旁路实现双电极起弧，双电极焊条单弧焊的研究成功，为双丝间接电弧气体保护焊的可行性提供了理论参考和现实依据[7]。1.2.3双丝间接电弧焊双丝间接电弧焊是一种焊接新技术，它与传统焊接工艺有所不同，其能量消耗较小、焊接效率较高、具有很高的发展潜力。当实施焊接时，被焊工件并不接电源，不作为一极但参与焊接工作，两个焊丝分别与电源的正、负极相接，并在两焊丝（电极）间产生电弧，这种模式和传统的双丝焊存在显著的区别[15]。对于传统的双丝焊来说，两焊丝通常与电源的同一极连接（焊丝之间有药皮包裹从而使其绝缘），被焊工件接电源设备的另一极，在焊丝与工件之间引燃电弧，实施焊接过程。所以，焊接电源提供的能量既要使焊丝熔化，同时还需满足工件的供热输入需求。完成优化的双丝间接电弧焊弥补了自身的部分缺点，其电弧热量通常负责焊丝的融化，如此看来，在相同的电压电流条件下，熔化焊丝的效率大大提高[16]。图1-2为双丝间接气体保护焊的原理图[16]，几年来，山东大学一直致力于双丝焊接工艺的研究，图1-2的模型就是由山东大学邹增大教授带领的课题组提出的，该双丝焊接工艺的电源两极分别接两个焊丝（阳极、阴极），其工件不接电源，此装置既可用于直流也可用于交流，如此一来，电弧只在两焊丝件产生，熔化焊丝形成熔滴，滴入工件熔池内。图1-2双丝间接电弧焊原理图根据电源接线方式的不同，双丝焊主要可分为串列、并列双丝焊；预热填丝焊以及串连双丝焊等[12]。作为国内外研究最多的连接方式，串列双丝焊成为了应用最广的双丝焊方法[17-19]。双丝焊工艺具有如下特点:(1)焊接速度有所提高。在焊接薄板时，焊接速度显著提高，可以达到3-6m/min，比常规单丝焊法提高了近5-10倍。(2)若焊接厚板时，则可以提高其焊丝的熔敷速度,因为大部分双丝悍采用φ1.2mm的细焊丝,焊接电流的提高，导致了焊丝干伸长部分的电阻热增加，同时也就提高了焊接电流的利用率，于是提高了焊丝的熔化系数。.(3)焊接质量较好。(4)焊缝美观、平坦。(5)应用范围较广，可用于低碳钢、普低钢、不锈钢和铝等金属材料的焊接工艺。[17,20]1.3不锈钢耐蚀性的研究不锈钢，一般被大众泛指为耐蚀钢和耐热钢，其中耐蚀钢是能够耐空气、水、酸碱盐溶液等介质的腐蚀，具有很高的化学稳定性。不锈钢之所以耐腐蚀，其原因是不锈钢成分中含有金属铬（Gr）。所有的金属都会与空气中的氧发生氧化反应，由于碳钢等金属与氧的氧化反应所形成的氧化物松散不致密，从而导致深层的金属会继续与空气接触而使金属进一步得到腐蚀，形成了较大的空洞，若不及时修复则会腐蚀尽。而含铬量较高的不锈钢则表现出不一样的效果，含有铬元素的金属与空气中的氧极易形成一层薄而致密的“钝化膜”，这种钝化膜很好的使内部金属与空气隔绝开来，若“钝化膜”遭到了破坏，内层的铬元素依然能够进行“自我修复”，形成新的“钝化膜”，因此，不锈钢之所以能够耐腐蚀，铬元素起到了关键的作用。当然，除此之外，在不锈钢各类元素中也会加入Ni、Mo、N等元素，分别起着其他的作用：Ni：作为稳定奥氏体组织的元素。铁基合金中添加Ni元素可以改变晶体结构——可促使不锈钢从体心立方晶体结构(铁素体)转化为面心立方晶体结构(奥氏体)。作为耐腐蚀的元素，镍起到了关键的作用。Mo：依靠Mo与Cr协同作用，能够有效提高不锈钢的抗氯化物腐蚀的能力。Mo是F的形成元素，同样也能有效促进形成金属间相。

N：N元素作为固溶强化最有效的一个元素，可以在很大程度上增加Ar和F-Ar的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力，并显著地提高钢的强度。针对不锈钢的耐蚀程度，一般进行点蚀实验和晶间腐蚀试验。1.3研究内容观察不同负极送丝速度下焊缝截面形态的成形情况；对不同负极送丝所得的试样进行腐蚀，观察其耐腐蚀性；对比不同负极送丝速度时试样的腐蚀情况选取最佳的实验参数。第二章实验材料设备及方法2.1实验材料实验的母材选择为Q235，其具体的尺寸标准明确为300mm×70mm×3mm，基于相关数据旁路耦合电弧相关的平板堆焊特性进行深入的研究与论述。焊丝选择型号为ER308L的不锈钢焊丝，其焊丝直径明确为1.2mm。母材及焊丝的化学成分组成情况可参考表2-1。CSiMnPSCrNiFeQ2350.330.570.430.880.45余量ER3080.120.51.70.0430.0193025余量表2-1实验用钢板Q235及不锈钢焊丝ER308化学成分组成（wt%）2.2实验设备2.2.1焊接系统焊接系统的组成部分较为复杂，具体涵盖自动送丝机构、焊接电源、旁路耦合电路、焊接行走机构、保护气体以及两个焊枪等，每一部分对应不同的功能和作用。在具体的实验开展过程中，其电源选择NBC－350型焊接电源，该电源基于逆变式气体保护焊的应用完成电源的焊接，电源其外特性为属于典型的平特性，最大允许电路设定为350A，控制正、负极焊丝的送丝速度是通过调节自动焊装置控制面板上的焊接参数来实现的。装置分别包括可移动工作台、固定支架，还有部分控制面板。对于可移动工台来说，其能够移动的实际范围界定为0-60cm，移动最大速度设定为3500mm/min。在工装夹具的应用基础上，完成被焊母材在操作台上的固定。对于焊枪来说，其通常在上方支架上完成固定。工作台上预留了控制面板，其主要功能在于完成焊接速度的调节，以及行程长度的计算。由于本焊接方法表现出了一定的特殊性，这种情况下需要基于焊枪气体装置的开发与设计，实现气体保护焊模式的选择与应用。旁路耦合电路的应用与实践过程中，总电流I1的计算需要在间接电流I2的基础上与旁路电流I3相加。具体情况可参考图2-1。图2-1旁路耦合双丝间接电弧焊焊接系统示意图[6]2.2.2高速摄像采集系统在高速摄像采集系统的应用基础上，跟踪拍摄电弧形态以及对应的焊接熔。及时记录相关数据和信息。对于该系统来说，其组成要素较为复杂，有摄像机、背光电源、图像采集系统以及滤光片等，其具体的原理图可参考图2-2。以背光电源为例，其相对应的激光器波设定为800nm，具体的激光功率设定为5瓦。在相关实验的开展过程中，基于808nm窄带滤光片的应用对弧光干扰产生一定的影响。在型号为MV-D1024E-160高速摄像机的应用基础上，结合MicroEnableIV型数据采集卡的安装与配置，共同拍摄具体焊接过程中电弧和熔滴的情况，然后采集相关图像信息，在内置存储卡中完成存储。此时，还需设计实验窗口，其规格为350×400，相机的曝光时间设定为15微秒。具体的拍摄系统示意图可参考图2.2.图2-2高速摄像机拍摄系统示意图[6]2.2.3电化学实验本次腐蚀实验开展过程中，应用的电化学工作站（型号为查是353），如图2-3所示。图2-3电化学工作站2.3实验方法2.3.1负极送丝速度对焊缝耐腐蚀性的影响因为研究的是不同负极送丝速度对堆焊层焊缝的耐腐蚀性影响，所以我们采取在正极送丝速度不变的情况下，通过调整负极的送丝速度这一参数来进行对比其腐蚀性的优良。选取好五组不同送丝速度后，通过对焊缝截面形态成形的观察、电流电压的数据对比、试样晶间腐蚀实验的情况、试样点蚀实验的情况来选取最佳的参数。2.3.2晶间腐蚀实验在双环电化学动电位再活化测量原理(EPR)的应用基础上，对不同材料相应的耐晶间腐蚀性能进行研究与分析，结合焊接工件的选择，开展进行晶间腐蚀试验的。参考GB29088-2012[27]，选择浓度为0.5mol/L的HzS04+0.01mol/L的KSCN溶液，配置完成后将其视为目标电解液，对不锈钢晶间腐蚀性能进行检测，绘制相应的EPR曲线。在具体的实验过程中，设定实验温度为常数，即25℃，设定扫描速度为0.1mV/s，具体的扫描范围可参考开路电位，一般处于-0.4V~+1.0V区间范围。在完成正向扫描后，于+1.0V时反转开展相反的反方向扫描。需要明确的是，完成一个试样的测量后，需要更新一次电解液（以上条件均为不变量以保证实验变量唯一）。EPR曲线中包括了四个区域，具体有活化钝化区、活化溶解区、再活化区以及钝化区等。参考图2-4可知：试样受到电流变化的影响出现差异化的反应，假设电流设定为Ip，此时试样开始出现极化反应，逐渐向钝化区靠拢，与此同时还会在不锈钢表面上衍生厚度较薄的钝化膜。这种情况下，那些表现出良好稳定性的钝化区域应该保留，性能不稳定的区域则会被破坏。部分敏化材料的稳定性相对较差，受到局部钝化膜的影响和干扰导致其不是那么的稳定，这种情况下再活化电流密度（Ir）开始增加，相应的再活化率（Ra=Ir/Ip）随即升高。图2-4ERP曲线2.3.3点腐蚀实验基于动电位法的应用，完成材料极化曲线的绘制，对相关性能进行测量，参考GB/T17899-1999[22]。在具体的实验过程中，设定实验温度为常数，即25℃，设定扫描速度为0.5mV/s，具体的扫描范围可参考开路电位，一般处于-0.4V~+1.0V区间范围。以本次实验为例，其腐蚀介质明确为浓度为3.5%的NaCl溶液，为保证实验变量唯一，实验结果准确，在实验中，每进行一次扫描，都要更换一次电解液。通过对阳极极化曲线上对应电流密度相关电位值的整理与记录，对点蚀电位Eb的具体变化情况进行表述。第三章负极送丝速度对焊缝耐腐蚀性的结果与分析3.1负极送丝速度参数选取因为本文研究的是不同负极送丝速度对堆焊层焊缝的耐腐蚀性影响，所以我们采取在正极送丝速度固定的条件下，基于负极送丝速度的调整开展相关的对比分析。正极送丝速度的实际值设定为6.00m/min；机输出电流的实际值设定为200A；焊机输出电压的实际值设定为25.0V；选择的保护气体为99.9%的氩气，气体流量为15L/min；喷嘴到工件的距离为14mm。在这些参数固定不变的情况下，我们将负极的送丝速度从0m/min变化到3.20m/min，整理所得实验数据表，如图3-1：图3-1实验数据表正极送丝速度（m/min）负极送丝速度（m/min）焊机输出电流（A）焊机输出电压（V）保护气体喷嘴到工件距离（mm）6.00020025.0Ar146.000.7520025.0Ar146.002.0020025.0Ar146.002.5020025.0Ar146.003.2020025.0Ar143.2不同负极送丝速度对焊缝截面形态的影响首先对比在负极不同送丝速度下焊缝截面的成形情况，如图3-2：3mm3mm3mm3mm3mm3mm（a）0m/min（b）0.75m/min（c）2.00m/min3mm3mm3mm3mm（d）2.50m/min（e）3.20m/min图3-2负极不同送丝速度下焊缝截面图参考图3-2可知，负极送丝速度不断增加，那么堆焊层焊缝相应的熔深则会不断减小，同时其余高却随着负极送丝速度额的增加而增加。因为双丝间接电弧焊本身具有熔敷效率高、热输入低的特点，所以通过引入旁路电流来提高电弧焊的热输入，并且随着负极送丝速度的增加，更多电流的分流比例逐渐被间接电弧覆盖，此时焊丝之间会产生大量的额外电流。由于送丝速度逐步提高，导致了弧长进一步缩短，使得更多的电流的能量被用于焊丝的熔化中，从而使用于母材熔化的热输入相应减少。母材自身所得到的热输入减少，使母材本身的变形变小，焊缝的熔深变小。由于焊缝的熔深变小，使得堆焊层的稀释率变低，所以堆焊层中Cr的含量较高，从而提高了焊缝的耐腐蚀性。3.3不同负极送丝速度时电流与电压的情况通过对多种环境下负极送丝速度情况的监控与观察，记录焊接电流电压、旁路的电流电压、间接电弧的电流电压这六组数据，选取一组最稳定的电流电压。在CHB-500SG/SP8相关电流采集设备的应用基础上，结合CHV-50VD电压采集设备的选型与应用，完成数据的采集，如图3-3：（a）0m/min（b）0.75m/min（c）2.00m/min（d）2.50m/min（e）3.20m/min图3-3不同负极送丝速度时电流与电压的情况参考图3-3得出结论，总焊接电压的实际值处于175V附近波动。受到负极送丝速度过于缓慢的影响，使得两焊丝之间出现不同的角度，如图3-3（a）、（b），由于送丝速度过慢，使得焊丝不能及时送出，弧长进一步被拉长，电离效果减弱，起弧困难，电流较低出现了熄弧现象（即电流为零）。从图中可看出随着负极送丝速度的增大，间接电弧的电流整体出现了更多的波峰，由于负极送丝速度的增大，两焊丝之间因距离过大而出现无法起弧的现象减少，所以间接电弧燃烧的现象增多。随着负极送丝速度的增大间接电弧的电流趋于较稳定状态如图3-3（d），而图3-3（e）中间接电弧的电流出现了波动，对比可以确定五组数据中，2.50m/min的送丝速度是最稳定的参数。为了更明显的体现出所得参数的稳定性，将数据均值和变化标准差做了统计，如图3-4：（a）数据均值（b）变化标准差图3-4电流与电压的对比分析参考图3-4（a）能够明显看出间接电流电弧（圆点线)在2.50m/min时达到峰值，该点的间接电弧燃烧效率是整个过程中最高的。还可看出间接电流占总电流的比例（正倒三角形)在2.50m/min的时候也出现一个峰值，由此可分析出在负极送丝速度为2.50m/min的时候，间接电弧间的电流利用率最大化，燃烧效率最高，间接电流也最稳定。通过观察图3-4（b)能更加明显的看出几乎所有的曲线都呈现出一种变化趋势，在2.50m/min的时候出现一个最小值，可分析出此速度下所有的数据呈最稳定的状态，这种状态下的负极速度等于正极速度相应的42%。3.4焊缝晶相组织显微观察参考图3-5，基于显微镜观察焊缝截面具体的晶相组织。100μm100μm100μm100μm（a）表层（b）次表层100μm100μm100μm100μm（c）内部（d）熔合线处图3-5焊缝晶相组织显微观察图3-5（a)中表层金属在较短时间内完成了冷却，使得其晶粒体积较大、性能硬脆，（b)次表层方向相同的等轴晶清晰可见，（c)内部能够看出较为一致的柱状晶，(d)中熔合线附近可以观察到细致入微的晶粒，韧性良好。3.5晶间腐蚀DL-ERP曲线对五组不同负极送丝速度参数下的试样进行晶间腐蚀，得到ERP曲线，如图3-6。图3-6负极送丝不同速度下ERP曲线图3-7负极送丝不同速度下晶间腐蚀Ir/Ip由图3-7可以看出，负极送丝速度为0m/min的时候实验所得Ra值最大，而基于其他参数完成计算得出的Ra值都不大于1%，尚未出现敏化反应。基于具体的实验结果可以看出，负极送丝速度为2.50m/min时的试样Ra值最小为0.064%，而试样的负极送丝速度为3.20m/min时的Ra值并不大。之前提到电流在2.50m/min时候最稳定，加速电流处于不稳定状态，焊缝组织也会受到影响，其耐晶间腐蚀性逐渐下降。从；另一个角度来说，加速电流趋于稳定，那么焊缝组织也会稳定，使其耐晶间腐蚀性大大提高。3.6不同负极送丝速度对晶间腐蚀的影响对不同负极送丝速度下晶间腐蚀的试样进行电镜扫描，参考图3-8。20μm20μm20μm20μm20μm20μm(a)0m/min(b)0.75m/min(c)2.00m/min20μm20μm20μm20μm(d)2.50m/min(e)3.20m/min图3-8不同负极送丝速度下晶间腐蚀扫描电镜对比图从图3-8中可以很清晰地看出，(a)0m/min对于纯MIG焊（0m/min）的试样来说，表现出十分严重的腐蚀；(b)0