超高频脉冲电弧焊接熔池金属流动行为

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1、2015年4月第41卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2015V01．4lNO．4http：／／bhxb．buaa．edu．CBjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0246超高频脉冲电弧焊接熔池金属流动行为杨明轩+，杨舟，从保强，王强，齐铂金(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：熔池金属流动一方面受电弧行为影响，另一方面与凝固组织形核、结

2、晶过程联系紧密，是电弧焊接基础研究的关键，针对电弧力作用研究了超高频脉冲电弧焊接(UHFP—AW，UltraHighFrequencyPulsedArcWelding)熔池金属流动特点，采用理论研究与试验分析相结合的方式对熔池流动方式、强度、温度分布等要素进行了分析，并完成了液态金属表面运动特征监测．结果表明，超高频脉冲电弧对熔池液态金属的热、力作用显著，表面流体流速大于30cm／s，UHFP—AW电弧力造成熔池表面沉降变形，引起双环流，熔池温度扩散范围相应减小，有效降低了电弧热量对母材金属的影响，尤其在钛合金焊接中对控制焊缝晶粒尺寸具

3、有重要意义．关键词：超高频脉冲电弧；熔池；流动行为；高速摄像；表面变形中图分类号：TG403文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)04-0589-05超高频脉冲电弧收缩显著⋯，与常规电弧相比，其能量密度、挺度及电弧力均大幅增长，研究表明超高频脉冲电弧焊(UHFP．AW，UltraHighFrequencyPulsedArcWelding)可改善焊缝组织形貌旧1，提高接头力学性能旧圳．熔池流动受电弧行为影响，且与凝固组织结晶联系紧密，是电弧焊基础研究的关键．焊接熔池是复杂的流体系统，浮力、电磁力、表面张力和等离子流力是熔池

4、流动的主要驱动力，它们在熔池内部产生不同的流体运动形式，直接决定了熔池的尺寸形貌．研究表明，熔池形貌及焊缝成型是各驱动力共同作用的结果，其中电磁力和表面张力是熔池流动的主要驱动力"。1．计算表明，电磁力将引起熔池内部自激搅拌作用，同时引发向中心聚拢、向下流动的流体状态，易形成深而窄的焊缝；表面张力是熔池流动性的决定性因素，受熔池液态金属表面性质影响较大旧1；此外，还有研究验证了电弧力对熔池几何形貌的作用"。⋯．从20世纪80年代开始，学者们相继提出并接受熔池中2个环流并存的双环流模式，分别由电磁力和表面张力驱动，各自驱动的环流流向相反，

5、并共同影响熔池流动状态¨1。幢】．若其中熔池内部电磁搅拌增强¨引或表面张力增大，则熔池金属流动性提高．在前期电弧行为研究的基础上¨“，本文拟围绕超高频脉冲焊接电弧力增大的试验事实，分析其对熔化金属流体流动方式、速度、热流分布等流动行为的影响，完成超高频脉冲电弧焊熔池流动行为机理研究，其结果将为控制焊缝质量、优化工艺参数提供理论支撑．1试验设备及方法超高频脉冲电弧焊接电流波形如图1所示．电弧力可通过精密测力传感器(0．01g)获得．熔化金收稿日期：2014-05-05；录用日期：2014-06-24；网络出版时间：2014-07-1610

6、：23网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．1001-5965．2014．0246．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(YwF一14一JXXY-008)；国家自然科学基金资助项目(51405007)t通讯作者：杨明轩(1985～)，男，四JIl南充人，讲师，yangmingxuan@buaa．edu．en，主要研究方向为高频脉冲焊接电弧／熔池行为．引用格式：杨明轩，杨舟，从保强，等．超高频脉冲电孤焊接熔池金属流动行为[JJ．北京航空航天大学学报，2015，41(4)：

7、589—593．YangMx，YangZ，CongBQ，etal，MetalmoltenbehaviorwithultrahighfrequeneypulsedarcweldingfJJ．JournalofBei—iingUniversityofAeronautiesandAstronautics，2015。41(4)：589—593(inChinese)．590北京航空航天大学学报2015年属表面流动状态监测将基于MegaSpeed高速摄像机(MS75k，满幅最大采样频率6kHz)+滤光镜+广角可调减光镜完成，熔池流动监测如图2所示．

8、(a)波形示意图t／gs(b)实际焊接电流波形(80kHz)，b一脉冲基值电流；，，。一脉冲电流幅值；，，一脉冲电流；tb一基值电流作用时间；f。一脉冲电流作用时间．图1超高频脉冲电弧焊接电流波形Fig．1