曠小聰，齊鉑金，楊建平，魯應(yīng)焱

(1.北京航空航天大學(xué),北京,100191；2.北京遙感設(shè)備研究所,北京,100854；3.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司,德陽(yáng),618000；4.杭氧集團(tuán)股份有限公司,杭州,310000)

0 序言

鎳基690合金是International 公司為彌補(bǔ)600合金易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，將Cr元素由14%～ 17%上調(diào)至28%～ 31%，大大提高了600合金的抗晶間腐蝕性能.Inconel-52M焊絲是鎳基690合金應(yīng)用最為成熟的一款焊絲，廣泛應(yīng)用在核反應(yīng)堆中的蒸汽發(fā)生器管、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)噴嘴和增壓機(jī)加熱器套管等制造中[1]，然而，在實(shí)際的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)Inconel-52M焊絲在堆焊過(guò)程容易出現(xiàn)高溫失效性裂紋(ductility dip cracking,DDC)[2-3]，且焊接過(guò)程中形成元素偏析的顯微組織也會(huì)增加合金應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn).關(guān)于高溫失塑性裂紋的失效機(jī)理主要有再結(jié)晶溫度以下的晶界剪切[4]、雜質(zhì)元素的偏析[5-7]、晶界的滑移[8-9]、沉淀物誘導(dǎo)應(yīng)力等理論[10].有研究表明，細(xì)化晶粒有助于增加晶界的曲折度，對(duì)減小晶界剪切應(yīng)力阻礙晶界滑移有明顯的效果[11-12]，從而可以降低合金的高溫失塑裂紋敏感性.

近年來(lái)，高頻脈沖電流被認(rèn)為具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以單獨(dú)使用或者疊加在低頻脈沖電流上，起到壓縮電弧提高自由電弧的穩(wěn)定性、方向性、挺度及能量集中度等方面的作用[13-14]，進(jìn)而增強(qiáng)電弧力攪拌熔池，最終達(dá)到細(xì)化晶粒的效果[15-16].基于自主研發(fā)的超音頻脈沖鎢極氬弧焊機(jī)[17]對(duì)Inconel-52M鎳合金焊絲進(jìn)行單道堆焊試驗(yàn)，借助高速攝像機(jī)(charge-coupled device,CCD)對(duì)電弧及熔池流動(dòng)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立電弧簡(jiǎn)化模型，分析超高頻脈沖電流頻率對(duì)電弧形態(tài)、能量分布、電磁力的作用規(guī)律，觀察焊接實(shí)時(shí)的熔池流動(dòng)過(guò)程，再結(jié)合焊縫形狀參數(shù)演變規(guī)律，研究Inconel-52M鎳合金焊絲在高頻脈沖電流作用下的熔池流動(dòng)行為.從電弧熱源本質(zhì)出發(fā)，探索鎳基合金堆焊過(guò)程中，復(fù)合高頻脈沖電流對(duì)其電弧特征和焊縫成形的作用機(jī)理，這將為高頻脈沖焊接技術(shù)在鎳基合金中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，對(duì)解決鎳合金焊接接頭高溫失效裂紋(DDC)等缺陷具有重要意義.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)基板為20 mm厚的Q345-b低碳鋼，焊絲為?1.2 mm的Inconel-52M鎳合金，焊接設(shè)備采用課題組自主研發(fā)的UFP-TIG焊機(jī)，低碳鋼基板和Inconel-52M鎳合金焊絲成分分別見(jiàn)表1和表2.

表1 Q345-b低碳鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of Q345-b

焊接前對(duì)基板進(jìn)行機(jī)械打磨和酒精清洗，電極采用?3.2 mm的鈰鎢(W-2Ce，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%).在保證鎢極-基板高度和旁路送絲角度一致的情況下，在常規(guī)脈沖電流模式復(fù)合不同脈沖頻率(0～ 60 kHz)的高頻脈沖電流進(jìn)行Inconel-52M鎳合金焊絲的單道堆焊試驗(yàn)，電流的波形示意圖如圖1所示.圖中Ib和Ip為低頻脈沖基值和峰值，tb和tp為其對(duì)應(yīng)的時(shí)間，δ1和f1為相應(yīng)的占空比和頻率，Ipp是高頻脈沖的電流幅值，tpp和tpb為其峰值和基值作用時(shí)間，δ2和f2是高頻脈沖電流的占空比和頻率，保證熱輸出一致，具體參數(shù)見(jiàn)表3.保護(hù)氣體為99.9%的Ar，焊接時(shí)流量設(shè)置為15 L/min，焊接速度為100 mm/min，送絲速度為2 m/min.

表3 脈沖電流參數(shù)Table 3 Parameters for pulse current

焊接電弧形態(tài)和熔池流動(dòng)過(guò)程的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)如圖2所示，主要包括焊接電源及裝置、高速攝像機(jī)(mega speed MS75K)、窄帶濾光片(narrow band filter,NB)、中性減光片(neutral dimming film,ND)、紫外線濾光鏡(ultra violet,UV)、工控機(jī)和三腳架等.電弧采集過(guò)程中，焊槍和攝像機(jī)保持不動(dòng)，高速攝像機(jī)垂直于焊接運(yùn)動(dòng)方向，并且軸線與電極中軸線對(duì)齊，焊接工件(母材)固定在三坐標(biāo)工作臺(tái)上，可進(jìn)行單向自由運(yùn)動(dòng).

圖2 焊接過(guò)程視覺(jué)采集系統(tǒng)Fig.2 Vision acquisition system for welding process

2 電弧及熔池特性

2.1 電弧能量區(qū)域劃分

電弧形態(tài)和光學(xué)特征是電弧等離子體粒子間相互作用力和溫度(能量)的宏觀體現(xiàn)，因此電弧形態(tài)及能量的區(qū)域劃分對(duì)研究其物理行為至關(guān)重要[18].利用圖像處理技術(shù)，可以用數(shù)字矩陣的方式來(lái)描述拍攝的電弧圖像，首先將拍攝出的原始圖像進(jìn)行灰度處理，將電弧轉(zhuǎn)化成區(qū)間為[0，255]的灰度圖，由于拍攝過(guò)程無(wú)法避免環(huán)境噪聲的干擾，因此為得到更真實(shí)的電弧信息需對(duì)電弧進(jìn)行去噪處理，選用中值濾波(3 × 3的矩形窗口)的算法對(duì)電弧灰度圖進(jìn)行兩次降噪處理.圖3分別為原始電弧圖像經(jīng)過(guò)灰度處理和一、二次中值濾波處理后的圖像.

圖3 電弧圖像處理Fig.3 Arc image processing.(a) original image;(b)gray-scale image;(c) median filtering once;(d)median filtering twice

根據(jù)能量理論，普遍認(rèn)為物質(zhì)能量的90%～100%可作為這個(gè)物質(zhì)的核心能量區(qū)域，但由于拍攝的環(huán)境(空氣、溫度和濕度等)和相機(jī)參數(shù)的設(shè)置(比如光圈、曝光時(shí)間和采樣時(shí)間等)不同，會(huì)對(duì)電弧圖像產(chǎn)生重要的影響，因此在電弧分區(qū)劃分時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取.根據(jù)灰度直方圖分析，試驗(yàn)將229.5作為電弧核心區(qū)的灰度值，整體區(qū)域的邊緣值定義為30，通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，與實(shí)際電弧吻合度良好，如圖4所示.此外，以灰度突變區(qū)間50對(duì)整個(gè)電弧進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖5所示，從圖5可知，電弧的溫度從內(nèi)到外呈均勻趨勢(shì)的降低，且兩側(cè)基本對(duì)稱.

圖4 電弧分區(qū)的邊緣選取Fig.4 Edge selection of arc partition.(a) original arc image;(b) arc regionalization

圖5 電弧分區(qū)灰度等值線Fig.5 Gray level contour map of arc

采用HSI 色彩體系中I表示圖像的灰度值，代表光源在給定方向單位面積的光通量.基于光學(xué)和圖像處理理論，可知區(qū)域的灰度值與面積之積為該區(qū)域的光強(qiáng)度，即等離子體的能量密度，從上面可知，電弧的圖像灰度值I在[0，255]區(qū)間，假定E1代表核心區(qū)域能量，E代表電弧的總能量，則電弧能量分布系數(shù)P可表達(dá)為

而E1等于電弧核心區(qū)域的光強(qiáng)I1與核心區(qū)域面積A1的乘積，同樣的，整體電弧能量E=I1·A1+I2·A2，其中I2和A2分別代表核心外圈的光強(qiáng)和面積.將i=(I1·A1)/ (I2·A2)代入公式(1)中，可將公式(1)簡(jiǎn)化為P=i/(i+1)，i為光強(qiáng).

2.2 電磁力模型

根據(jù)CCD拍攝出的電弧形態(tài)，可知電弧尺寸由電極端部向工件逐漸增大，截面形狀近似一個(gè)等軸對(duì)稱的梯形.對(duì)電弧的截面進(jìn)行圖像處理，可以提取出灰度值為30的電弧輪廓圖，如圖6所示.電弧底端是由工件中熔池反饋出來(lái)的形貌，并不屬于電弧本身，因此，可以進(jìn)一步將電弧簡(jiǎn)化成一個(gè)梯形(圖6(b)中的白色虛線所示).

圖6 基于圖像識(shí)別的電弧輪廓提取算法模型Fig.6 Sketch of arc model building.(a) original arc image;(b) establishment of arc mode

圖7為簡(jiǎn)化后的電磁力模型示意圖.焊接過(guò)程中，電弧內(nèi)部充滿著不同能量密度的等離子，等離子在焊接電壓的作用下進(jìn)行固定方向的運(yùn)動(dòng)，形成電流及產(chǎn)生電磁場(chǎng).為簡(jiǎn)化電磁力計(jì)算，需要假定電弧內(nèi)部的電磁場(chǎng)是均勻的，電弧等離子體中的電流元素受到電磁場(chǎng)的作用，會(huì)分別形成沿徑向的電磁力dFr和沿軸向的電磁力dFz.圖中的r，R，L分別代表電極端部半徑、電弧根部半徑和電弧弧長(zhǎng)；J為截面內(nèi)電流密度；Jz為截面內(nèi)軸向電流密度；Jr為截面內(nèi)徑向電流密度；θ是電弧邊緣和熔池表面的夾角(即潤(rùn)濕角).像所有的載流體一樣，電弧等離子內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)半徑為ri磁場(chǎng)，即

圖7 電磁力模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of electromagnetic force

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；u為磁導(dǎo)率；i為電弧等離子電流；ri為半徑.

在磁場(chǎng)B中的軸向洛侖磁力為

對(duì)式(3)兩側(cè)積分，可得軸向電磁力

圖7可知，R為電弧在工件上的投影半徑(電弧弧根半徑)，因此可以得出電弧等離子的軸向電磁壓強(qiáng)

同樣的，可以推到出電弧徑向電磁力為

式中：電磁力是與電弧尺寸r，R相關(guān)的函數(shù)，且與電流的平方成正比，徑向電磁力也是與電流的平方成正比關(guān)系，并且與電弧形態(tài)尺寸r，R，L相關(guān).通過(guò)圖像處理技術(shù)，可以識(shí)別灰度值為30的電弧外形輪廓，將已知的鎢極直徑尺寸3.2 mm作為標(biāo)尺，可以得出一個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸，從而可以高精度(精確到像素點(diǎn))的計(jì)算出電弧的形態(tài)尺寸，如圖8所示.

圖8 電弧形態(tài)尺寸測(cè)量示意圖(mm)Fig.8 Schematic diagram of arc shape and size measurement

2.3 焊縫形狀參數(shù)

Inconel-52M鎳合金焊絲受電弧熱源熔化后形成熔池，在各種力(重力、電弧力、表面張力等)的作用下進(jìn)行流動(dòng)行為，最后冷卻凝固熔覆在工件上，因此對(duì)焊縫成形形貌及橫截面焊縫形狀參數(shù)進(jìn)行觀察，可以在一定程度上表征熔池的流動(dòng)行為.

焊縫的外部形貌可以直接通過(guò)肉眼觀察，橫截面的形貌需先截取垂直于焊接方向上的金相，進(jìn)行磨拋后腐蝕，得到焊縫的橫截面形貌，焊縫橫截面的參數(shù)定義如圖9所示.其中，H為焊縫高度，W為焊縫寬度，θ1和θ2分別為焊縫兩側(cè)的潤(rùn)濕角，需要說(shuō)明的是，焊縫兩側(cè)熔深(L1和L3)大于電弧正下方的熔深L2的原因是由于電弧中下方的電弧熱量主要用于焊絲的熔化.假定電弧熱源底面是均勻且完全對(duì)稱的，此時(shí)焊縫兩側(cè)的熔深(L1和L3)主要是由軸向電弧力+液態(tài)高溫熔覆金屬的流力造成的，而電弧正下方的熔深L2主要是受電弧的軸向壓力所影響.為方便對(duì)比，定義平均值L0=(L1+L2+L3)/2表征焊縫平均熔深，同樣的，采用平均潤(rùn)濕角θ來(lái)表示焊縫的潤(rùn)濕性能.

圖9 焊縫橫截面形狀參數(shù)示意圖Fig.9 Weld cross section shape parameter diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 電弧行為

3.1.1 電弧形態(tài)

圖10為焊接過(guò)程中電弧弧長(zhǎng)L和弧根直徑(2R)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，從圖中可見(jiàn)，弧長(zhǎng)和弧根直徑隨著脈沖周期進(jìn)行有規(guī)律膨脹和收縮.高速攝像機(jī)每隔2 ms拍攝一個(gè)圖像，電弧形態(tài)由基值階段突變到峰值階段大約需要10 ms，到達(dá)突變峰值后，電弧形態(tài)進(jìn)入峰值穩(wěn)定區(qū).

圖10 電弧尺寸動(dòng)態(tài)演變過(guò)程(30 kHz)Fig.10 Dynamic evolution of arc size (30 kHz)

脈沖焊接過(guò)程，基值階段主要起到維弧的作用，峰值階段是主要電源熱輸出和熔化焊絲形成熔池的過(guò)程，因此，選取峰值階段的電弧形態(tài)進(jìn)行能量和電磁力分析.從圖10中可知，一個(gè)脈沖周期中峰值穩(wěn)定區(qū)有8張圖片，采用批量處理的算法對(duì)拍攝的全部圖片(采集時(shí)長(zhǎng)1 min)的峰值穩(wěn)定區(qū)的圖片信息進(jìn)行提取并求平均值.圖11為不同高頻脈沖頻率下峰值穩(wěn)定區(qū)的電弧形貌，從圖中可見(jiàn)，在復(fù)合高頻脈沖電流后電弧形態(tài)出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象.

圖11 不同高頻脈沖頻率下的峰值電弧形態(tài)(mm)Fig.11 The arc morphology of peak duration at different high-frequency pulse frequencies.(a) 0 kHz;(b) 10 kHz;(c)20 kHz;(d) 30 kHz;(e) 40 kHz;(f) 50 kHz;(g) 60 kHz

圖12是通過(guò)批量處理算法得出的峰值階段電弧弧根直徑的平均值，可見(jiàn)弧根直徑隨著高頻脈沖頻率增加逐漸減小，并在50 kHz時(shí)達(dá)到最小值9.18 mm，整個(gè)電弧相比未復(fù)合高頻脈沖(0 kHz)電弧收縮了1.18 mm.分析認(rèn)為，高頻脈沖電流的復(fù)合會(huì)產(chǎn)生脈沖收縮效應(yīng)，隨著頻率的增加，脈動(dòng)效應(yīng)更加劇烈，同時(shí)收縮也更加明顯，但頻率過(guò)大，也會(huì)造成電弧中等離子體出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象(圖12中的60 kHz).

圖12 不同高頻脈沖頻率峰值的電弧弧根直徑Fig.12 The diameter of arc root radius of peak duration at different high-frequency pulse frequencies

3.1.2 電弧能量分布

通過(guò)圖像處理算法，可以分別計(jì)算出不同脈沖頻率下峰值電弧核心區(qū)和整體區(qū)的像素點(diǎn)和，并以此來(lái)代表相對(duì)面積，核心區(qū)的占比即為電弧的能量分布系數(shù)P，通過(guò)多組數(shù)據(jù)取平均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.圖13為峰值階段電弧能量分布系數(shù)隨脈沖頻率變化的規(guī)律，結(jié)合表4和圖13可知，復(fù)合高頻脈沖電流可以在電弧整體形貌收縮的情況下擴(kuò)大電弧核心區(qū)面積，從而增加電弧能量分布系數(shù).核心區(qū)的面積增加，表明電弧中具有更多高動(dòng)能粒子，電弧具有更高的能量.電弧核心區(qū)占比由常規(guī)低頻脈沖時(shí)的36.0%，最大增加到39.2%(出現(xiàn)在30 kHz).

圖13 不同脈沖頻率對(duì)峰值能量分布系數(shù)的影響Fig.13 Effect of different pulse frequencies on peak energy distribution coefficients

表4 不同脈沖頻率峰值的電弧能量分布系數(shù)Table 4 Energy transfer efficiency of arc with different pulse frequency peaks

灰度值在一定程度上可代表電弧的溫度，灰度值越高，代表溫度越高.而溫度是能量的體現(xiàn)方式，因此代表著能量越高，等離子密度越密集.采用批量處理算法，可以獲得電弧整體區(qū)域的的平均灰度值，見(jiàn)表5.電弧的平均灰度值隨高頻脈沖頻率變化規(guī)律與上述電弧能量分布系數(shù)的變化過(guò)程完全一致，結(jié)果得到相互驗(yàn)證.結(jié)果表明，復(fù)合高頻脈沖電流可以提高整體電弧內(nèi)部的溫度，提高電弧的能量.

表5 不同脈沖頻率下電弧峰值整體的平均灰度Table 5 Average gray level of peak duration of the whole arc at different pulse frequencies

3.1.3 電磁力分析

利用上述建立的電磁力模型和計(jì)算出的電弧尺寸，可以對(duì)電弧等離子體的電磁力進(jìn)行分析.已知峰值階段的平均電流I為310 A，從電弧圖像中，可測(cè)量出電極端部半徑r為1.1 mm.經(jīng)過(guò)式(4)～式(6)計(jì)算可以得到不同高頻脈沖頻率下，峰值階段電弧等離子的軸向電磁力Fz、軸向電磁壓強(qiáng)Pz和徑向電磁力Fr，見(jiàn)表6.

表6 不同高頻脈沖頻率的電弧磁力Table 6 Arc electromagnetic forces with different high frequency pulse frequencies

圖14為電弧軸向電磁壓強(qiáng)和徑向電磁力隨高頻脈沖電流頻率變化的趨勢(shì)圖.可知，在常規(guī)脈沖電流波形上復(fù)合高頻脈沖電流可以顯著增加電弧軸向的電磁壓強(qiáng)Pz和徑向電磁收縮力Fr，并且隨著脈沖頻率的增加均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì).其中，最大的軸向壓強(qiáng)為208.4 Pa(出現(xiàn)在50 kHz)，最大徑向電磁收縮力為21.3 mN(出現(xiàn)在30 kHz)，分別比常規(guī)脈沖模式提高了18.0%和8.1%.

圖14 電磁力與高頻脈沖頻率的關(guān)系Fig.14 Relationship between electromagnetic force and high-frequency pulse frequency

3.2 熔池流動(dòng)行為

焊接電弧熱和力作用于熔池，影響著熔池高溫液態(tài)金屬的流動(dòng)過(guò)程，從而影響焊縫的宏觀形貌.因此，通過(guò)焊縫外觀宏觀形貌和橫截面形狀參數(shù)變化規(guī)律，可以表征超音頻脈沖電流作用下的鎳基合金焊縫金屬的熔池流動(dòng)行為.

根據(jù)表3的焊接工藝，可以獲得常規(guī)低頻脈沖(0 kHz)和復(fù)合不同頻率脈沖電流的焊縫宏觀形貌，如圖15所示.從外部宏觀形貌上看，常規(guī)低頻脈沖表面有輕微起伏(不光滑)、不連續(xù)，而高頻脈沖的焊縫表面圓滑、連續(xù).這在一定程度上，可以說(shuō)明復(fù)合高頻脈沖的焊接工藝可以使熔池流動(dòng)更加充分.

圖15 不同高頻脈沖頻率的焊縫形貌Fig.15 Weld morphology with different high-frequency pulse frequencies.(a) 0 kHz;(b) 10 kHz;(c) 20 kHz;(d) 30 kHz;(e) 40 kHz;(f) 50 kHz;(g) 60 kHz

根據(jù)圖9，可以測(cè)量并計(jì)算出各焊縫橫截面形狀參數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)圖16.由圖可知，復(fù)合高頻脈沖電流后的焊縫熔寬增加，潤(rùn)濕角減小，熔深增加.分析認(rèn)為，焊縫的成形主要受熔滴重力、表面張力和電弧力所影響.電源熱輸出不變，材料不變，所以熔滴重力和表面張力為定值.根據(jù)上述的能量和電弧磁力分析，可知高頻脈沖會(huì)使電弧壓強(qiáng)增加，這會(huì)使熔池液面受力下凹，造成兩側(cè)的勢(shì)能差，從而增強(qiáng)熔池流動(dòng)性.液態(tài)金屬隨著Marangoni 對(duì)流(熱毛細(xì)對(duì)流)方向進(jìn)行流動(dòng)，高溫液態(tài)流動(dòng)沖擊力造成兩側(cè)工件底部的熔深增加，同時(shí)，高頻脈沖電弧的核心能量更高和集中，會(huì)使得電弧正下方的熔深也增大，因此，高頻脈沖焊縫整體熔深增加，更快的熔池流動(dòng)，使焊縫向兩側(cè)充分流動(dòng)，從而會(huì)導(dǎo)致更大的焊縫寬度和更低潤(rùn)濕角.此外，需要說(shuō)明的是，當(dāng)高頻脈沖頻率為30 kHz時(shí)，電弧具有相對(duì)較大的徑向電磁收縮力，從而降低了電弧軸向電磁壓強(qiáng)的作用，徑向電磁力加劇液態(tài)金屬向熔池中心流動(dòng)和聚攏，從而使得焊縫寬度大幅度降低，焊縫余高增加.

圖16 高頻脈沖頻率對(duì)焊縫形狀參數(shù)的影響Fig.16 Effect of high-frequency pulse frequency on weld shape parameters.(a) weld reinforcement;(b)weld width;(c) wetting angle;(d) weld penetration

4 結(jié)論

(1) 高頻脈沖電流使電弧形態(tài)顯著收縮，弧根直徑隨著脈沖頻率增加逐漸減小.

(2) 與常規(guī)低頻脈沖電流相比，高頻脈沖電流在整體電弧形態(tài)收縮的情況下，可以增加核心區(qū)面積及其占比，提高電弧能量分布系數(shù)和溫度(能量).

(3) 在高頻脈沖電流的作用下，電弧軸向壓強(qiáng)和徑向電磁力增大，從而使熔池流動(dòng)性增強(qiáng)，易形成大焊縫寬度和低潤(rùn)濕角的焊縫形貌.