摘 要:利用基于背光光源的熔池视觉传感检测系统采集超薄板脉冲微束等离子弧焊焊接过程 中熔池轮廓的变化,在平均电流为1.8A 条件下研究基值电流与峰值电流之比(0.29~0.71)、占空 比(30%~70%)、脉冲频率(25~100Hz)对304不锈钢超薄板焊接熔池尺寸和焊缝成形质量的影 响。结果表明:在试验条件下采集到的熔池宽度均小于2.5mm,熔池面积均小于3.5mm2;在平均 电流为1.8A 时,随着基值电流与峰值电流之比、占空比、脉冲频率的增加,熔池的最大宽度和面积 均逐渐减小;在不同工艺参数下获得了间断焊缝、连续不等宽焊缝、连续等宽焊缝等3种类型的焊 缝,占空比为50%、基值电流与峰值值电流之比为0.50,脉冲频率为25,100,500Hz时所获得的焊缝 成形质量最好,为连续等宽焊缝。

关键词:超薄板;脉冲微束等离子弧焊;熔池;图像处理

中图分类号:TG409 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)02-0015-05

0 引 言

在工业生产中,超薄板广泛应用于航空航天、轨 道交通等领域,其焊接方法主要包括激光焊、电子束 焊接、微束等离子弧焊等[1-3]。微束等离子弧焊由于 具有电弧尺寸小、能量密度高、挺直度好、拘束度高 等特点而广泛应用于超薄板材和线材的焊接[4-7]。 超薄板焊接具有单面焊双面成形的特点,由于 超薄板太薄,对于焊接热输入特别敏感,在焊接过程 中经常出现烧穿、变形等缺陷,严重影响了焊接接头 的质量[8]。焊缝的形貌和尺寸与熔池的形状和几何尺寸有直接关系[9-10],因此为了获得成形质量良好 的焊缝,研究熔池的形貌特征变得尤为重要。HAN 等[11]研究发现,金属锆片激光焊接头的变形程度与 熔池的形状有关。LEI等[12]利用熔池视觉传感检测 的方法研究了不同工艺参数对激光焊熔池形貌特征 和振荡周期的影响,提出了工艺参数与熔池几何参数 之间的非线性回归方程。边培莹等[13]研究发现,采 用合适的工艺参数可以获得适当的316L不锈钢选区 激光熔 化 熔 池 尺 寸,进 而 得 到 高 质 量 的 工 件。LI 等[14]建立了钛合金激光焊接的三维数值模型,研究 了不同板厚和不同工艺参数对熔池温度场及熔池形 貌的影响,发现较薄工件的厚度决定了焊接工艺参数 的选择,不同的工艺参数对熔池的形貌影响较大,合 适的工艺参数下更容易获得成形质量良好的焊缝。 但是目前对于超薄板焊接熔池形貌特征的研究极少。 因此,作者利用基于背光光源的熔池视觉传感检测系 统,采 集 焊 接 过 程 中 熔 池 的 图 像 信 息,并 利 用 MATLAB 图像处理软件提取熔池的几何尺寸,研究 了不同工艺参数对0.1mm 厚奥氏体不锈钢超薄板 脉冲微束等离子弧焊熔池表面形貌特征的影响,为 提高超薄板焊缝质量提供理论依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为0.1 mm 厚304奥氏体不锈钢板, 中国牌号为0Cr18Ni9,供货态为固溶态。焊接前用 酒精擦拭不锈钢表面以去除油污,然后用对接的方 法进行焊接试验。用图1所示的基于背光光源的熔 池视觉传感检测系统对脉冲微束等离子弧焊熔池尺 寸数据进行采集,背光光源采用波长为400~500nm 的 LED强光;远心镜头可以在一定的物距范围内, 使得到的图像放大倍率不发生变化;窄带滤光片仅 允许波长为400~500nm 的光通过;CCD相机使用 千眼狼相机采集焊接过程中熔池轮廓的变化。焊接 方法为脉冲微束等离子弧焊,其焊接工艺参数:焊接速度4.1mm·s-1,焊炬高度2mm,平均电流1.8A, 采用氩气作为保护气和等离子气体,其流量分别为 3.5,0.5L·min-1,其他焊接工艺参数如表1所示, 表中基脉比表示基值电流与峰值电流之比。

在不同工艺参数下的焊接过程中取5个周期的 图像,然后在每个周期内每隔50ms取一张熔池图 像,通过 MATLAB图像处理软件计算熔池的宽度 和面积,取5组数据的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 熔池尺寸

由图2可知:在峰值电流作用期间(100~500ms), 试样逐渐熔化,熔池的面积、长度和宽度都逐渐增 加;在基值电流作用期间(510~1000ms),熔池内 的液态金属逐渐凝固,熔池的面积、长度和宽度都逐 渐减小。这是由于峰值电流作用期间焊接电流大、 热输入高,随着焊接过程的进行熔池逐渐长大;而基 值电流作用期间焊接电流小、热输入低,因此随着焊 接过程的进行熔池逐渐缩小。

2.2 工艺参数对熔池尺寸的影响

由图3可知:在相同频率和占空比下,熔池的最 大宽度和最大面积随着基脉比的增加而逐渐减小 在峰值电流作用期间,熔池的宽度和面积均逐渐增; 大,在基值电流作用期间逐渐减小;基脉比小表示峰 值电流大、基值电流小,在峰值电流作用期间随着基 脉比的增大,峰值电流减小,焊接热输入减小,因此 熔池的宽度和面积均减小;在基值电流作用期间的 熔池宽度和面积随着基脉比的增加而增加。500~ 550ms属于基值电流作用期间,此时基脉比小的熔 池宽度和面积仍然大于基脉比大的熔池宽度和面 积,这是由于焊接电流由峰值转换成基值的瞬间,焊 接熔池存在热惯性[15]。当基脉比为 0.29 时,熔池 的宽度在基值电流作用期间迅速减小,并在650ms 时 减小至0。当基脉比分别为0.50和0.71时,熔池 的 宽度在基值电流作用期间逐渐减小,但并未减小至0,而是分别于 750 ms和 700 ms时趋于稳定。 这是由于基脉比为0.29时的基值电流太小,此时的 热输入并不足以使试样熔化,而基脉比分别为0.50 和0.71时,基值电流作用期间的热输入使试样熔 化,并且在700ms附近时散热速率与焊接热输入的 加热速率达到平衡,使得熔池宽度趋于稳定。

由图4可知:在相同频率和基值电流下,基脉比 相差较小,此时熔池的最大宽度和最大面积主要随 着占空比的增加而逐渐减小;在峰值电流作用期间, 不同时刻所对应的熔池宽度和面积随着占空比的增加而逐渐减小,这是此时峰值电流对焊接热输入的 影响大于峰值电流作用时间所造成的影响。在基值 电流作用期间,占空比为50%的熔池宽度和面积在 800ms达到稳定,而占空比为30%和70%时的熔 池宽度和面积分别于600 ms和850 ms减小至0。 这是由于占空比为30%和70%时,基值电流作用期 间的焊接热输入不足以使试样熔化;占空比为50% 时基值电流作用期间的焊接热输入使试样熔化,并 且在750ms附近的散热速率与焊接热输入的加热 速率达到平衡,使得熔池的宽度和面积达到稳定。

由图5可知,在其他条件相同时,随着焊接过程 的进行,不同脉冲频率下熔池的宽度和面积先增加 后趋于稳定,同时脉冲频率越高,熔池的宽度和面积 越先达到稳定,且达到稳定时的熔池宽度和面积越 小。随着脉冲频率的增加,基值电流和峰值电流的 作用时间均缩短,熔池在峰值电流作用期间来不及 长大而又处于基值电流作用期间,因此脉冲频率越 高,熔池的宽度和面积越小,也越容易达到稳态。脉 冲频率增加后会导致电弧收缩,使得电弧与试样表 面的接触面积减小,从而造成熔池的宽度和面积减 小[16]。脉冲频率越低,熔池宽度和面积在达到稳定 后的波动幅度越大,这是由于脉冲频率越低,基值电 流和峰值电流的作用时间越长,熔池有足够的时间 长大或缩小导致的。

2.3 焊缝成形质量

由图6(a)可知:在脉冲频率为1 Hz、占空比为 50%条件下,焊缝的最大宽度随着基脉比的增加而 逐渐减小;基脉比为0.29时,试样在基值电流作用 期间并没有熔化,因此此时的焊缝是间断的;其他基 脉比时的焊缝是连续的,同时峰值电流作用期间的焊缝宽度大于基值电流作用期间的焊缝宽度,此时 的焊缝称为连续不等宽焊缝。以上这些特征都与图 3的 结 果 一 致。 由 图 6(b)可 知,在 脉 冲 频 率 为 1Hz、基值电流为1.2A 条件下,焊缝的最大宽度随 着占空比的增加而逐渐减小,只有占空比为50%时 的焊缝全部熔透,这也与图4的结果一致。由图6 (c)可知,在占空比为50%、基值电流为1.2A、峰值 电流为2.4A 条件下,焊缝的最大宽度随着脉冲频 率的增加而逐渐减小,基值电流和峰值电流作用期 间的焊缝宽度相等,属于连续等宽的焊缝,焊缝成形 质量好,这与图5的结果一致。经测试发现,占空比 为50%、基值电流为1.2A、峰值电流为2.4A、基脉 比为0.50,脉冲频率为25,100,500Hz时所获得的 焊缝成形质量最好。

3 结 论

(1)基于背光光源的熔池视觉传感检测系统可 以采集到清晰的304不锈钢超薄板脉冲微束等离子 弧焊熔 池 图 像,在 试 验 条 件 下 熔 池 的 宽 度 小 于 2.5mm,面积小于3.5mm2。

(2)在峰值电流作用期间,熔池的面积和宽度逐 渐增大;在基值电流作用期间其面积和宽度逐渐减 小。焊接过程中,当平均电流为1.8A 时,304不锈钢 超薄板脉冲微束等离子弧焊熔池的最大宽度和最大面 积随着基脉比、占空比、脉冲频率的增加均逐渐减小。

(3)熔池尺寸与焊缝成形质量紧密相关,在试 验工艺参数下存在3种不同类型的焊缝,分别为间 断焊缝、连续不等宽焊缝、连续等宽焊缝;占空比为 50%、基值电流为1.2A、峰值电流为2.4A、基脉比 为0.50,脉冲频率为25,100,500Hz时所获得的焊 缝成形质量最好,为连续等宽焊缝。

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