鋁-鋼異種金屬脈沖旁路耦合電弧MIG熔釬焊方法及機理研究.pdf

1、針對鋁-鋼現(xiàn)有焊接方法或效率低或成本高或?qū)ぜ螤钣刑厥庖蟮膯栴}，本文創(chuàng)新性地提出了機理上不同于現(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渡及母材熱輸入，理論和實踐上證明有利于鋁-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)，并能夠完成對焊接過程電信號和視覺信號的采集、顯示、處理和存儲，而且可以實時的輸出控制信號，優(yōu)化鋁-鋼焊接工藝參數(shù)，完成對鋁-鋼焊接過程的控制。
　　 建立了脈沖旁路耦合電弧MIG焊數(shù)學模型，提出了通過控制主路電弧來穩(wěn)定整個耦合電弧的控制方案。對脈沖旁路耦合電弧MIG焊過程弧長穩(wěn)定性及脈沖電流參數(shù)對焊接過程及熔滴過渡的影響進行了仿真，并在此基礎上分別采用主路平均電弧電壓反饋和視覺反饋兩種不同的弧長反饋方式，對鋁

3、-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過程弧長穩(wěn)定性進行了控制試驗，均得到了理想的控制效果。
　　 通過鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊平板堆焊工藝試驗，研究了主路電流和旁路電流對鋁-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?，而旁路電流對熔滴鋪展?jié)櫇竦淖饔孟鄬^小。通過高速攝像試驗研究了脈沖電流參數(shù)對鋁.鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過程熔滴過渡的影響，研究表明，為實現(xiàn)更小電流下熔滴的穩(wěn)定自由過渡，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、峰值時間，以提高熔滴過渡的穩(wěn)定性。同時，在鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過程中，由于旁路的穩(wěn)弧作用，可設置小的主路和旁路基值電流，使得總的熱輸入減小。
　　 對鋁-鋼脈沖旁路耦合電弧MIG焊過程的熱循環(huán)曲線進行了測量分析，研究了不同旁路耦合電弧參數(shù)對熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律；在提出的熱源模型和試驗得到的熱循環(huán)曲線數(shù)據(jù)的基礎上，對鋁-鋼界面處溫度場分布進行了模擬。利用得到的

5、鋁-鋼界面處溫度場的分布特點，對金屬間化合物層的生長進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果與試驗結(jié)果能較好的吻合，驗證了所假設的擴散模型的正確性。在溫度場模擬和擴散層厚度模擬的基礎上，研究了冷卻時間、峰值溫度及熱循環(huán)曲線積分三個因素對金屬間化合物層厚度的影響；冷卻時間對鋁-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。
　　 對鋁-鋼搭接試樣進行了力學性能測試，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

6、度達到了144.85Mpa，最高拉伸強度186.73Mpa，達到了鋁合金母材強度的88.5％；研究了旁路耦合電弧參數(shù)對鋁.鋼焊接接頭力學性能的影響，結(jié)果表明，鋁-鋼接頭的強度不僅取決于母材熱輸入的大小，同時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，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濕鋪

7、展。
　　 通過對鋁-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上，提出了鋁-鋼金屬間化合物生長模型，主要分為以下幾個階段：液態(tài)鋁與固態(tài)鐵之間的互擴散、鋁-鋼界面處Fe2Al5形核生長、Fe2Al5形成連續(xù)相層阻礙鐵原子的