聚焦式脉冲超声调控GMAW熔滴过渡及机理研究

Metal transfer has direct and profound influence on GMAW quality, to get stable and controllable metal transfer is an important research target. In the former NSF project, we had raised a new technology- untrasonic assisted GMAW（U-GMAW）, the ultrasonic radiation force acted on the welding arc and droplet directly. Compared with the normal GMAW, U-GMAW process is more stable, the arc energy density and welding penetration increased obviously. Besides, the droplet size of U-GMAW is decreased and the transfer frequency increased. The effect of the ultrasonic radiation force on promoting the metal transfer is evidently, but still far from the target of to “control” or “regulate” the droplet transfer. This is because 1) the ultrasonic radiation force is not powerful enough, and 2) the loading time of the ultrasonic radiation force on the droplet is not optimum. In this research project, a new focused model of ultrasonic transmitter is bring forward to enhance the ultrasonic radiation force, and pulsed ultrasonic wave and pulsed GMAW is combined to adjust the loading time of the ultrasonic radiation force on the droplet, this also lead to a new welding technology-PU-PGMAW. Experimental and simulating methods will be used synthetically to study the arc behavior and the regularity of the droplet transfer. The relationship between the ultrasonic, arc and the droplet will be revealed, and the mechanism of the shift of the arc character and metal transfer will be discussed.

熔滴过渡直接影响GMAW焊接质量，实现稳定可控的熔滴过渡一直是焊接研究目标之一。在前一自然基金项目中，我们提出了超声GMAW复合焊接（U-GMAW）新方法，将超声辐射力直接作用于电弧和熔滴。U-GMAW过程更加稳定，电弧能量密度提高，熔深增加，熔滴体积变小，过渡频率加快，焊接质量提升。超声辐射力对促进熔滴过渡提升焊接质量有明显效果，但尚未实现熔滴过渡的有效调控，主要是因为：1.超声辐射力强度不够；2.超声辐射力加载时机不可控，处于随机状态。本研究提出利用聚焦式超声辐射端来提高超声辐射力的新方法，以及利用脉冲超声和脉冲焊接电流（PU-PGMAW）匹配控制超声辐射力加载时机的新思路，实现熔滴调控目标，同时有可能形成新型熔滴过渡工艺。本研究采用实验、理论计算和模拟相结合的方法，对声聚焦式脉冲超声调控GMAW熔滴过渡工艺和规律展开研究，阐明脉动声场-电弧-熔滴之间相互作用关系和机理。

针对连续超声辅助电弧焊超声利用效率低、焊接过程调控单一等问题，本研究提出了新型聚焦式脉冲超声辅助电弧焊新方法，通过控制超声电源的输出电流波形，实现脉冲超声模式，利用聚焦式超声辐射端实现超声能量的集中输出，研究了电弧空间的脉冲超声场分布特征，以此为基础研究了脉冲超声对电弧、熔滴过渡的影响规律，并与连续超声作用进行了对比分析。研究采用理论分析和数值计算相结合的方式，详细讨论了脉冲超声作用下的电弧、熔滴过渡变化机理。.通过电弧空间的脉冲超声场的分布特征数值计算，发现脉冲超声基-峰值各个阶段的声场空间分布趋势基本相同，但第一谐振高度的最大声压明显大于其它谐振高度，随谐振高度增加，最大声压值逐渐减小。脉冲超声频率小于20Hz时，电弧形态随脉冲频率的变化而发生明显的脉动变化；当脉冲频率大于20Hz时，电弧达到稳定压缩状态。在脉冲超声谐振高度附近，熔滴滴状过渡转变成混合过渡，过渡频率增加，焊接过程稳定性提高。高频脉冲超声对电弧压缩、增加单位弧长电压降和熔滴过渡的影响与峰值功率下连续超声的作用相当，说明较小功率的脉冲超声即可以达到较大功率连续超声的作用效果。与常规电弧相比，脉冲超声电弧的电弧电压、电弧最高温度和电弧压力均有所提高，电弧高温区域拓展并且更加接近工件表面，分析认为电弧内部粒子动能增加是造成这些物理现象的根本原因。脉冲超声-MIG中的声辐射力弥补了重力和等离子体流力的损失，是促进熔滴过渡的根本原因。.2A14铝合金焊接试验结果表明，当脉冲超声频率为1Hz时，焊缝表面具有明显的鱼鳞纹，脉冲频率增加到5Hz后，焊缝表面光滑，波纹消失；与普通MIG相比，随脉冲超声频率的增加，焊缝熔深逐渐增加。引入脉冲超声后，接头熔合线附近的柱状晶转变成等轴晶，晶粒尺寸和第二相尺寸明显减小，焊接接头的显微硬度和抗拉强度均有所提高。