鋁-鋼異種金屬脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊方法及機(jī)理研究.pdf

1、針對(duì)鋁-鋼現(xiàn)有焊接方法或效率低或成本高或?qū)ぜ螤钣刑厥庖蟮膯?wèn)題，本文創(chuàng)新性地提出了機(jī)理上不同于現(xiàn)有精確控制型電弧焊技術(shù)的一種新型的脈沖旁路耦合電弧MIG焊(PulsedDE-GMAW)方法，有利于精確控制焊接熔滴過(guò)渡及母材熱輸入，理論和實(shí)踐上證明有利于鋁-鋼異種金屬的焊接。
　　 根據(jù)脈沖旁路耦合電弧MIG焊的特點(diǎn)和控制要求，建立了基于快速原型的鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊軟硬件試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主路電流波形和旁路電

2、流波形的控制與協(xié)調(diào)，并能夠完成對(duì)焊接過(guò)程電信號(hào)和視覺(jué)信號(hào)的采集、顯示、處理和存儲(chǔ)，而且可以實(shí)時(shí)的輸出控制信號(hào)，優(yōu)化鋁-鋼焊接工藝參數(shù)，完成對(duì)鋁-鋼焊接過(guò)程的控制。
　　 建立了脈沖旁路耦合電弧MIG焊數(shù)學(xué)模型，提出了通過(guò)控制主路電弧來(lái)穩(wěn)定整個(gè)耦合電弧的控制方案。對(duì)脈沖旁路耦合電弧MIG焊過(guò)程弧長(zhǎng)穩(wěn)定性及脈沖電流參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程及熔滴過(guò)渡的影響進(jìn)行了仿真，并在此基礎(chǔ)上分別采用主路平均電弧電壓反饋和視覺(jué)反饋兩種不同的弧長(zhǎng)反饋方式，對(duì)鋁

3、-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過(guò)程弧長(zhǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了控制試驗(yàn)，均得到了理想的控制效果。
　　 通過(guò)鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊平板堆焊工藝試驗(yàn)，研究了主路電流和旁路電流對(duì)鋁-鋼焊縫成形的影響，結(jié)果表明，主路電流的增大有利于熔滴的鋪展?jié)櫇?，而旁路電流?duì)熔滴鋪展?jié)櫇竦淖饔孟鄬?duì)較小。通過(guò)高速攝像試驗(yàn)研究了脈沖電流參數(shù)對(duì)鋁.鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過(guò)程熔滴過(guò)渡的影響，研究表明，為實(shí)現(xiàn)更小電流下熔滴的穩(wěn)定自由過(guò)渡，在保持總電流不變的情況下

4、，除了可以增大旁路平均電流外，還可以提高主路和旁路的峰值電流、峰值時(shí)間，以提高熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性。同時(shí)，在鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過(guò)程中，由于旁路的穩(wěn)弧作用，可設(shè)置小的主路和旁路基值電流，使得總的熱輸入減小。
　　 對(duì)鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過(guò)程的熱循環(huán)曲線進(jìn)行了測(cè)量分析，研究了不同旁路耦合電弧參數(shù)對(duì)熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律；在提出的熱源模型和試驗(yàn)得到的熱循環(huán)曲線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋁-鋼界面處溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬。利用得到的

5、鋁-鋼界面處溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)，對(duì)金屬間化合物層的生長(zhǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合，驗(yàn)證了所假設(shè)的擴(kuò)散模型的正確性。在溫度場(chǎng)模擬和擴(kuò)散層厚度模擬的基礎(chǔ)上，研究了冷卻時(shí)間、峰值溫度及熱循環(huán)曲線積分三個(gè)因素對(duì)金屬間化合物層厚度的影響；冷卻時(shí)間對(duì)鋁-鋼界面處金屬間化合物層厚度的影響最大，峰值濕度和熱循環(huán)曲線積分的影響較小。
　　 對(duì)鋁-鋼搭接試樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5052鋁合金與鍍鋅鋼板的搭接試樣平均拉伸強(qiáng)

6、度達(dá)到了144.85Mpa，最高拉伸強(qiáng)度186.73Mpa，達(dá)到了鋁合金母材強(qiáng)度的88.5％；研究了旁路耦合電弧參數(shù)對(duì)鋁.鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，鋁-鋼接頭的強(qiáng)度不僅取決于母材熱輸入的大小，同時(shí)還要受焊縫幾何參數(shù)的影響，在鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過(guò)程中，要選擇合適的旁路電弧參數(shù)，既要保證較低的母材熱輸入，抑制有害的鋁-鋼金屬間化合物的生長(zhǎng)，減小鋁側(cè)熱影響區(qū)的軟化，又要保證較大的焊縫形狀因數(shù)，使得熔滴在母材能較好的潤(rùn)濕鋪

7、展。
　　 通過(guò)對(duì)鋁-鋼顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，脈沖旁路耦合電弧MIG焊得到的鋁-鋼接頭，界面區(qū)金屬間化合物主要是由靠近鋼側(cè)的均勻連續(xù)的Fe2Al5或Fe2Al5ZnX，以及靠近鋁側(cè)的呈針片狀分布的FeAl3相組成，焊趾部位存在富鋅區(qū)，其主要成分是鋁鋅固溶體。在顯微組織分析的基礎(chǔ)上，提出了鋁-鋼金屬間化合物生長(zhǎng)模型，主要分為以下幾個(gè)階段：液態(tài)鋁與固態(tài)鐵之間的互擴(kuò)散、鋁-鋼界面處Fe2Al5形核生長(zhǎng)、Fe2Al5形成連續(xù)相層阻礙鐵原子的