铝-钢异种金属脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊方法及机理研究

摘要

针对铝-钢现有焊接方法或效率低或成本高或对工件形状有特殊要求的问题，本文创新性地提出了机理上不同于现有精确控制型电弧焊技术的一种新型的脉冲旁路耦合电弧MIG焊(PulsedDE-GMAW)方法，有利于精确控制焊接熔滴过渡及母材热输入，理论和实践上证明有利于铝-钢异种金属的焊接。
　　 根据脉冲旁路耦合电弧MIG焊的特点和控制要求，建立了基于快速原型的铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊软硬件试验系统。该系统能够实现主路电流波形和旁路电流波形的控制与协调，并能够完成对焊接过程电信号和视觉信号的采集、显示、处理和存储，而且可以实时的输出控制信号，优化铝-钢焊接工艺参数，完成对铝-钢焊接过程的控制。
　　 建立了脉冲旁路耦合电弧MIG焊数学模型，提出了通过控制主路电弧来稳定整个耦合电弧的控制方案。对脉冲旁路耦合电弧MIG焊过程弧长稳定性及脉冲电流参数对焊接过程及熔滴过渡的影响进行了仿真，并在此基础上分别采用主路平均电弧电压反馈和视觉反馈两种不同的弧长反馈方式，对铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊过程弧长稳定性进行了控制试验，均得到了理想的控制效果。
　　 通过铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊平板堆焊工艺试验，研究了主路电流和旁路电流对铝-钢焊缝成形的影响，结果表明，主路电流的增大有利于熔滴的铺展润湿，而旁路电流对熔滴铺展润湿的作用相对较小。通过高速摄像试验研究了脉冲电流参数对铝.钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊过程熔滴过渡的影响，研究表明，为实现更小电流下熔滴的稳定自由过渡，在保持总电流不变的情况下，除了可以增大旁路平均电流外，还可以提高主路和旁路的峰值电流、峰值时间，以提高熔滴过渡的稳定性。同时，在铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊过程中，由于旁路的稳弧作用，可设置小的主路和旁路基值电流，使得总的热输入减小。
　　 对铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊过程的热循环曲线进行了测量分析，研究了不同旁路耦合电弧参数对热循环曲线的影响规律；在提出的热源模型和试验得到的热循环曲线数据的基础上，对铝-钢界面处温度场分布进行了模拟。利用得到的铝-钢界面处温度场的分布特点，对金属间化合物层的生长进行了数值计算，计算结果与试验结果能较好的吻合，验证了所假设的扩散模型的正确性。在温度场模拟和扩散层厚度模拟的基础上，研究了冷却时间、峰值温度及热循环曲线积分三个因素对金属间化合物层厚度的影响；冷却时间对铝-钢界面处金属间化合物层厚度的影响最大，峰值湿度和热循环曲线积分的影响较小。
　　 对铝-钢搭接试样进行了力学性能测试，结果发现，5052铝合金与镀锌钢板的搭接试样平均拉伸强度达到了144.85Mpa，最高拉伸强度186.73Mpa，达到了铝合金母材强度的88.5％；研究了旁路耦合电弧参数对铝.钢焊接接头力学性能的影响，结果表明，铝-钢接头的强度不仅取决于母材热输入的大小，同时还要受焊缝几何参数的影响，在铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊过程中，要选择合适的旁路电弧参数，既要保证较低的母材热输入，抑制有害的铝-钢金属间化合物的生长，减小铝侧热影响区的软化，又要保证较大的焊缝形状因数，使得熔滴在母材能较好的润湿铺展。
　　 通过对铝-钢显微组织分析发现，脉冲旁路耦合电弧MIG焊得到的铝-钢接头，界面区金属间化合物主要是由靠近钢侧的均匀连续的Fe2Al5或Fe2Al5ZnX，以及靠近铝侧的呈针片状分布的FeAl3相组成，焊趾部位存在富锌区，其主要成分是铝锌固溶体。在显微组织分析的基础上，提出了铝-钢金属间化合物生长模型，主要分为以下几个阶段：液态铝与固态铁之间的互扩散、铝-钢界面处Fe2Al5形核生长、Fe2Al5形成连续相层阻碍铁原子的扩散、铝原子穿过Fe2Al5相层继续与铁原子反应、FeAl3在铝熔化区结晶析出。锌在铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG焊接过程中主要起着辅助熔滴铺展润湿及稳定耦合电弧的作用。