超声辐射力调控下的铝合金MIG焊熔滴行为及冶金问题研究

During MIG welding process, droplet size, transition frequency, direction and stability are crucial factors for the weld quality. How to get stable and controllable metal transfer is very important for the welding research. This project proposes a new idea of ultrasonic and MIG hybrid welding method, viz. ultrasonically assisted MIG welding. A resonant ultrasonic field is established in the arc space between the wire and weldment. The ultrasonic radiation force generated by the acoustic field will be applied on the droplet directly. This force is a space vector, i.e. its value and direction vary with the ultrasonic parameters. So modulation of the ultrasonic parameters will break the force equilibrium of the droplet and meliorate the metal transfer. This project focuses on short-circuiting transfer and globular transfer study during the MIG welding process of 2519 and 7A52 aluminum alloys. This project will digest the internal relation among the thermodynamics, electrics and mechanics during the metal transfer in the ultrasonic field. Experimental and simulating methods will be applied synthetically to study the arc behavior and the regularity of the metal transfer. The relationship between the ultrasonic, arc and droplet will be found out and the mechanism of the shift of the arc character and metal transfer will be discussed. Finally the mechanism that the ultrasonic is transferred to the molten pool will be summarized and the influence of the ultrasonic and arc hybrid heat source on the welding pore and alloy element melting loss of the weld joint will be studied.

MIG焊接过程中，熔滴的大小、过渡频率、指向性、稳定性等直接影响焊接质量，实现熔滴平稳、可控地过渡是焊接研究的一个难题和目标。本项目提出超声-MIG复合焊接构想，在电弧空间建立谐振超声场，产生直接作用于熔滴的超声辐射力，通过调整声辐射力的大小和方向，改变熔滴受力状态，控制熔滴体积和过渡频率，提高过渡指向性和稳定性。课题以2519、7A52铝合金MIG焊短路过渡和滴状过渡为研究对象，研究目标在于揭示超声辐射力作用下电弧-熔滴热、电、力等方面的科学问题，采用实验、理论计算和模拟相结合的方法，考察超声对MIG焊接过程中电弧行为及熔滴过渡的影响规律，揭示超声波-电弧-熔滴之间相互作用关系的机制，阐明电弧特性变化和熔滴过渡改变的物理本质，探索超声通过电弧等离子体及熔滴传导进入熔池的物理机制，以及超声复合焊接对焊接接头合金元素烧损和焊接气孔等的作用。

超声-MIG复合焊接通过在电弧空间建立谐振超声场，产生直接作用于熔滴的超声辐射力，调整声辐射力的大小和方向可以改变熔滴受力状态，控制熔滴体积和过渡频率，进而提高过渡指向性和稳定性。本项目主要针对超声-MIG焊接超声与电弧等离子体之间相互作用机制、超声对熔滴作用特性、超声对合金元素烧损等问题开展研究，这些都是属于制约该方法进一步发展的关键基础问题。本研究不但有助于揭示超声、电弧等离子体以及相互交叉领域内的物理问题，也对该焊接方法实现更好的应用有重要意义。根据声场特性与声发射端几何参数的关系，分析了超声辅助电弧声发射端的几何参数对声辐射力的影响。在第一谐振模式下，小的中心通孔，大的声发射端面以及合适的曲率可以显著提高声辐射能力。针对超声辅助电弧，研究了超声与电弧之间作用特性，在小电流焊接试验中首次观察到一种上下抖动的脉动电弧,电弧压缩最明显，挺直度最强。电弧形态随超声激励电流和发射端高度变化而变化。借助高速摄像机对熔滴过渡数据进行采集，分析了超声对熔滴的作用特性。由不同焊接电流时熔滴受力结果可判定熔滴过渡过程中受到一个超声附加力作用，而针对单个熔滴变加速运动分析结果显示出该附加力符合超声辐射力的特点。除平焊位置外，超声-MIG焊接也被应用于其它位置焊接，对比同位置普通MIG焊接，电弧稳定性增强，其中在立向上焊接过程中，熔滴颗粒更加均匀，过渡的轨迹更加平稳。. 为了克服大规范焊接温度的不利影响，初步提出了将脉冲超声引入电弧焊接过程的新思路。通过7A52铝合金焊接试验，研究了连续超声与脉冲超声辅助MIG焊接过程中电弧与熔滴过渡，以及接头组织与性能等多方面的差异性。由试验结果可以看出，施加脉冲超声，电弧压缩程度进一步增强，熔滴过渡频率更大，焊缝区面积增加，晶粒细化更明显，焊缝Zn元素烧损明显减弱。对比超声-MIG焊接接头，脉冲超声-MIG焊接接头最大拉伸强度和延伸率分别增加9.1％和18.2％，而接头硬度测试中，焊缝硬度达到了母材硬度的80％，焊缝区软化现象改善明显。该研究对于将来声调控熔滴过渡过程的研究进一步奠定了理论与试验基础。