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304不銹鋼激光K-TIG復(fù)合焊接電弧特性的研究

2020-09-10 07:22李京洋李偉焦向東朱加雷梁栩肖鐫璐
電焊機(jī) 2020年4期
關(guān)鍵詞:圖像處理

李京洋 李偉 焦向東 朱加雷 梁栩 肖鐫璐

摘要:針對(duì)4 mm厚度304不銹鋼板開展激光K-TIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn),利用高速攝像和圖像處理技術(shù)采集電弧形態(tài),分析和探索各工藝參數(shù)對(duì)電弧形態(tài)的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電弧形態(tài)穩(wěn)定與否的關(guān)鍵是能量配比,當(dāng)激光焦點(diǎn)距離陽(yáng)極較近時(shí),由于電弧與試件有效接觸面積變大,導(dǎo)致電弧吸收激光能量增加,電弧趨于穩(wěn)定;當(dāng)激光焦點(diǎn)作用于陰極附近時(shí),電弧變得發(fā)散,穩(wěn)定性下降。實(shí)驗(yàn)得到的最佳熱源間距為0~3 mm,最佳離焦量為0 mm。

關(guān)鍵詞:K-TIG;激光復(fù)合焊接;電弧形態(tài);圖像處理

中圖分類號(hào):TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-2303(2020)04-0030-06

DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.04

0 前言

激光-TIG復(fù)合焊接技術(shù)是薄板常用的焊接工藝之一[1],然而TIG焊鎢極載流能力較低,填絲熔敷效率低,不利于焊接效率的提高。鎖孔TIG焊(K-TIG)焊槍彌補(bǔ)了普通TIG焊載流能力差的缺點(diǎn),加大了鎢極載流能力,很大程度提高了生產(chǎn)效率,可實(shí)現(xiàn)薄板在高速焊接下的單面焊雙面成型[2]。

Rosellini C.等人[3]進(jìn)行了可焊材料K-TIG全熔透焊接實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明K-TIG適合于焊接奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金等前景廣闊的材料。French等人[4]采用K-TIG和A-TIG兩種方法對(duì)316不銹鋼進(jìn)行了焊接對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明K-TIG焊接可改善熔寬過(guò)大等缺陷。Cui ShuangLin 等人[5]對(duì)4 mm的304不銹鋼進(jìn)行了K-TIG全熔透小孔焊接實(shí)驗(yàn),雖然在焊接過(guò)程中脈沖電流產(chǎn)生脈沖小孔,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的小孔焊接,但存在工藝窗口太窄的缺點(diǎn)。柳陽(yáng)等人[6]研究了保護(hù)氣成分對(duì)304N不銹鋼焊接質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)保護(hù)氣采用φ(Ar)97%+φ(N2)3%時(shí),焊縫的顯微硬度可提高14%以上。激光K-TIG復(fù)合焊接可以充分發(fā)揮激光焊接和K-TIG焊接的優(yōu)勢(shì),在不銹鋼薄板提速焊接方面具有很高的研究?jī)r(jià)值。本文主要研究激光K-TIG復(fù)合焊接過(guò)程中的電弧特性,通過(guò)圖像采集系統(tǒng)和圖像處理手段,采集和處理高速焊接過(guò)程中不同焊接參數(shù)下的電弧特性,將采集圖像進(jìn)行總結(jié),為研究機(jī)理提供理論依據(jù)[7]。

1 實(shí)驗(yàn)方法及電弧圖像處理技術(shù)

實(shí)驗(yàn)材料為304奧氏體不銹鋼,板材尺寸為400 mm×70 mm×4 mm。保護(hù)氣采用φ(H2)5%+φ(Ar)95%混合氣體,流量20 L/min。激光器采用IPG YLS-4000型光纖激光器,最大激光功率4 kW。焊槍采用唐山開元自主研發(fā)的K-TIG焊槍,鎢極直徑6 mm,最大載流能力600 A。圖像采集設(shè)備采用奧林巴斯i-SPEED3型高速攝像機(jī),前置尼康28 mm f1.4微距鏡頭,最高拍攝速度為150 000 fps。實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備如圖1所示。根據(jù)電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度,將電弧分為陽(yáng)極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)3個(gè)區(qū)域[8]。采用MATLAB Canny邊緣檢測(cè)算法對(duì)包含噪聲的圖像進(jìn)行后處理,使圖像清晰易辨識(shí)。具體操作方法為:首先利用Canny邊緣檢測(cè)算法提取電弧邊緣得到電弧輪廓,然后測(cè)量電弧邊緣與陽(yáng)極區(qū)接觸截面尺寸和電弧輪廓最大距離尺寸,最后根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析電弧形態(tài),步驟如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 能量配比對(duì)電弧形態(tài)的影響規(guī)律

激光和電弧的能量配比影響激光與電弧的相互作用,進(jìn)而影響電弧形態(tài)。實(shí)驗(yàn)選取5組參數(shù)(編號(hào)a~e),其中a組為單獨(dú)K-TIG實(shí)驗(yàn),b~e組為激光K-TIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn),焊接速度1 m/min,采集時(shí)間間隔為50 ms。其他工藝參數(shù)如表1所示,各參數(shù)下電弧形貌如圖3所示。

對(duì)比圖3a與圖3c可知,加入激光后,K-TIG電弧的弧柱受到明顯的壓縮作用,發(fā)散角變小,挺度增加。當(dāng)激光功率與電弧的電流在合適的匹配范圍時(shí)(見圖3b、圖3c),電弧穩(wěn)定挺度較高,不易發(fā)散,在焊接過(guò)程中電弧形態(tài)較為穩(wěn)定;當(dāng)激光功率與電弧電流值處于不恰當(dāng)?shù)钠ヅ浞秶鷷r(shí)(見圖3d、圖3e),電弧雖然受到壓縮作用,但電弧發(fā)散,不穩(wěn)定,弧柱區(qū)波動(dòng)較大。對(duì)比圖3d、圖3e可知,過(guò)度的提高熱源能量并不能改善焊接效果。這是因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)的作用點(diǎn)在電弧附近,此時(shí)部分激光能量被電弧吸收。當(dāng)激光功率不變時(shí),增加K-TIG電流,弧柱區(qū)和陽(yáng)極區(qū)電弧直徑隨之增大,進(jìn)而激光穿過(guò)電弧的距離增大,被電弧吸收的能量增加,因而用于焊接的能量減少[9]。

根據(jù)圖3b、圖3c可知,能量配比恰當(dāng)時(shí),陽(yáng)極區(qū)和板材的接觸面積與弧柱區(qū)面積相差不大,比值在0.5~0.8之間;由圖3d、圖3e可知,能量配比不恰當(dāng)時(shí),陽(yáng)極區(qū)和板件的接觸面積與弧柱區(qū)面積相差較大,截面尺寸比值低于0.5,熔池吸收的能量較少。

2.2 焊接速度對(duì)電弧形態(tài)的影響規(guī)律

保證其他焊接參數(shù)不變,研究不同焊接速度對(duì)電弧形態(tài)的影響。工藝參數(shù)設(shè)定:激光功率4 kW,電弧電流150 A,離焦量0 mm,熱源間距為0 mm,不同焊接速度時(shí)的電弧形態(tài)和邊緣檢測(cè)如圖4所示。

由圖4可知,隨著焊速的增加,激光與電弧的耦合作用被減弱。其中,焊接速度為1 m/min時(shí)激光壓縮電弧的效果最為明顯,此時(shí)弧柱直徑小,挺度高,并且焊接過(guò)程中產(chǎn)生的金屬蒸汽較少,電弧穩(wěn)定性最好。而焊接速度增加到2 m/min時(shí),電弧開始發(fā)散,表明激光對(duì)電弧壓縮作用減弱,但焊接過(guò)程還比較穩(wěn)定;當(dāng)焊接速度為2.5 m/min時(shí),電弧形狀變得不規(guī)則,且波動(dòng)劇烈,焊接穩(wěn)定性大大降低。

對(duì)比邊緣檢測(cè)圖可知,焊接速度為1 m/min時(shí),試件與電弧陽(yáng)極區(qū)接觸面積的直徑最大,其與弧柱直徑的比值最大,為0.58,用于焊接的能量最多;焊速為1.5~2 m/min時(shí),陽(yáng)極區(qū)與板材的接觸直徑減少0.1~0.2 cm,其與弧柱直徑的比值也減少,金屬蒸汽增多,用于焊接的熱量減少;焊速為2.5 m/min時(shí),電弧直徑最大,陽(yáng)極區(qū)與板材的接觸面直徑最小,其與弧柱直徑的比值也最小,表明用于焊接的能量最少,在4組中焊接效果最差。

2.3 熱源間距對(duì)電弧形態(tài)的影響規(guī)律

設(shè)定激光功率4 kW、電弧電流150 A、焊接速度1 m/min、離焦量0 mm,不同熱源間距下的電弧形態(tài)見圖5,電弧形態(tài)處理后所對(duì)應(yīng)的邊緣檢測(cè)見圖6。

由圖5可知,隨著熱源間距的增加,激光與電弧相互耦合的效果被減弱。當(dāng)熱源間距為0~1 mm時(shí),電弧直徑小,激光對(duì)電弧的吸引明顯,壓縮效果顯著,焊接效果最佳;當(dāng)熱源間距為2~3 mm時(shí),電弧直徑增加,同時(shí)激光對(duì)電弧的壓縮效果減少,電弧能量分布均勻,復(fù)合焊接效果較好;當(dāng)熱源間距為4~5 mm時(shí),壓縮效果變差,陽(yáng)極區(qū)波動(dòng)較大,激光與電弧的耦合效果不佳,焊接效果最差。

由圖6可知,隨著熱源間距的增大,弧柱直徑也隨之增大。當(dāng)熱源間距為0~1 mm時(shí),弧柱直徑最小,陽(yáng)極區(qū)和板材接觸面的直徑與弧柱直徑的比值為0.61~0.81,被焊件吸收的能量最少;當(dāng)熱源間距為2~3 mm時(shí),電弧直徑相對(duì)增加,陽(yáng)極區(qū)和板材的接觸面的直徑小幅變化,其比值約為0.56~0.70,此時(shí)用于焊接的能量降低;當(dāng)熱源間距為4~5 mm時(shí),電弧直徑變化較少,陽(yáng)極區(qū)與板材的接觸面積減小,此時(shí)用于焊接的能量最低。

2.4 離焦量對(duì)電弧形態(tài)的影響規(guī)律

為研究離焦量對(duì)電弧形態(tài)的影響,設(shè)定激光功率4 kW、電弧電流150 A、焊接速度1 m/min、熱源間距0 mm保持不變,調(diào)整離焦量參數(shù)。不同離焦量下的電弧形態(tài)如圖7所示,電弧形態(tài)處理后所對(duì)應(yīng)的邊緣檢測(cè)圖如圖8所示。

由圖7可知,正離焦時(shí)(見圖7a、7b),靠近陰極區(qū)的電弧很不穩(wěn)定、波動(dòng)劇烈,表層金屬發(fā)生劇烈汽化,對(duì)熔池金屬產(chǎn)生反作用力,使熔池內(nèi)金屬向兩邊推移,焊縫會(huì)內(nèi)凹,電弧等離子體金屬蒸汽羽輝減弱了激光能量,導(dǎo)致焊件吸收的能量減少[10];零離焦時(shí)(見圖7c),電弧發(fā)散角減小,此時(shí)電弧呈鐘罩型,且趨于穩(wěn)定;當(dāng)離焦量變?yōu)樨?fù)離焦時(shí)(見圖7d、7e),隨著光斑直徑的增加,電弧形狀變得不規(guī)則,穩(wěn)定性下降。此時(shí)激光焊屬于深熔焊,開始產(chǎn)生小孔效應(yīng),從小孔中噴出的金屬蒸汽對(duì)電弧穩(wěn)定性具有一定的干擾作用。由圖8可知,電弧直徑的波動(dòng)范圍在0.10 mm以內(nèi),相差不大,但正離焦時(shí),陽(yáng)極區(qū)與板材的接觸面積很小,與弧柱面積比值不足0.50,焊接效果差;零離焦時(shí),陽(yáng)極區(qū)與板材的有效接觸面積較大,焊接過(guò)程穩(wěn)定,電弧能量集中,焊接效果更好;負(fù)離焦時(shí),陽(yáng)極區(qū)與板材的有效接觸面積增加不大,圖形趨于不規(guī)則形狀,穩(wěn)定性下降。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)激光功率與電弧電流值處于恰當(dāng)?shù)钠ヅ浞秶鷷r(shí),電弧挺度較高、發(fā)散角小,形態(tài)變化較少,穩(wěn)定性好,此時(shí)復(fù)合焊速的可調(diào)節(jié)范圍較大,但會(huì)存在一個(gè)閾值;當(dāng)激光功率與電弧電流值處于不恰當(dāng)?shù)钠ヅ浞秶鷷r(shí),電弧雖然受到壓縮作用,但其收縮程度較少,弧柱區(qū)波動(dòng)較大,穩(wěn)定性較差,并且過(guò)度的提高熱源能量并不一定能改善焊接效果。

(2)實(shí)驗(yàn)得到的激光K-TIG復(fù)合焊接熱源間距的合適范圍為0~3 mm。

(3)正離焦時(shí),靠近陰極區(qū)的電弧波動(dòng)較大、穩(wěn)定性最差;零離焦時(shí),電弧整體穩(wěn)定性高;負(fù)離焦時(shí),光斑增大,電弧穩(wěn)定性減弱,因此實(shí)驗(yàn)得到的激光K-TIG復(fù)合焊接最佳離焦量為0 mm。

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