超声辅助水下湿法焊接电弧特性研究

马明豪　刘一博　王建峰　孙清洁

摘   要：焊接过程受水介质的影响，电弧稳定性较差，通过引入适当的超声振动，可提高电弧稳定性。通过实验验证，分析超声复合水下焊接和普通水下湿法焊接电流电压（U-I）图，结合高速摄像数据，发现超声作用使熄弧区和短路过渡区密集程度降低，稳定燃烧区密集程度增加，实现了提高水下湿法焊接电弧稳定性的目的。根据高速摄像拍摄结果，超声辅助水下焊接比普通水下湿法焊接熔滴过渡频率更低，电弧形态更均匀。

关键词：水下  超声  稳定性

中图分类号：TG456.5                             文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0109-03

1  引言

水下湿法焊接因为水下施工的特殊环境，电弧稳定性较差[1]，电弧存在“稳定燃弧区”、“熄弧区”和“短路过渡区”[2]三类。超声振动是一种能量传递的载体，超声振动与普通水下湿法焊接[3]相结合，通过超声的作用减少外界波动对电弧的影响，减小电弧偏吹和电弧熄灭率，提高焊接质量。本文通过对超声复合水下焊接和普通水下湿法焊接电流电压（U-I）图配合高速摄像进行测试和分析，研究超声辅助水下湿法焊接电弧特性。

2  材料信息

本实验采用的板材为E40钢板，尺寸为200mm×20mm，厚度8mm，焊材选用CHT-T81Ni2药芯焊丝，直径D为1.2mm。焊丝成分与母材成分的比较如表1所示。

3  试验方案及结果

3.1 焊接工藝参数设计

试验在平板进行堆焊，控制试验变量，进行对照实验。保持送丝速度及焊接速度不变，焊接电压不断升高，每组试验增加4V，按照超声复合水下湿法焊接及常规水下湿法焊接加倍试验。使用电弧信号采集器，记录50s内的电流电压变化数据，形成U-I图。具体的焊接工艺参数如表2所示。

3.2 电压-电流图分析

焊接电压-焊接电流循环图根据电压电流工作点的分布密度可以分析电弧的燃烧情况，通过分析电弧电压和焊接电流的波动情况，推断焊接电弧的稳定性。水下湿法焊接过程，水介质环境以及水压的影响，电弧不稳定，除电弧稳定燃烧阶段，还会出现断弧和短路过渡现象。在U-I图中的近X轴区域为短路过渡区，近Y轴顶端的区域为熄弧区，中间部分为稳定燃弧区。分析三个区域工作点的集中程度推断电弧稳定的程度。

图1～8为24V～36V的电压电流（U-I）循环图。分为三个区域：熄弧区、稳定燃烧区和短路过渡区域。随着电压的增加，熄弧区点的密度降低，当焊接电压大于28V时，随着焊接电压的增加，熄弧区点的密度增加;稳定燃烧区域工作点密集程度随着焊接电压的增大先越来越集中，当焊接电压增大到32V时，稳定燃烧区的工作点的密度随着电压的增大越来越离散。短路过渡次数随着焊接电压的增加逐渐减少，当焊接电压大于28V时，稳定燃烧区域工作点密度更集中。

3.3 熔滴过渡频率

飞溅会影响焊接电弧的稳定性，水下湿法焊接的飞溅与熔滴过渡到熔池时的爆破力有关。熔滴过渡频率越低那么焊接过程的电弧稳定性就越高。图9为熔滴过渡频率与焊接电压关系曲线。随着焊接电压的增加熔滴过渡频率先减小后增加，焊接电压在28～32V区间，熔滴过渡频率都低于4Hz，之后随焊接电压的增加熔滴过渡频率增加。对比常规水下湿法焊接，超声辅助水下湿法焊接的熔滴过渡频率更低，当短路过渡频率较高时，超声作用效果更明显。

4  结语

分析各组焊接工艺参数下，超声复合水下焊接和普通水下湿法焊接电流电压（U-I）图，研究稳定燃弧区、熄弧区和短路过渡区三个区域工作点密度，随着焊接电压的增加，电弧稳定燃烧区域的工作点密集程度先增加后减少，熄弧区和短路过渡区的工作点密集程度先减少后增加。超声使熄弧区和短路过渡区工作点密度降低，稳定燃烧区工作点密度增加，水下湿法焊接电弧稳定性增加。研究熔滴过渡过程，随焊接电压增加，熔滴过渡频率显著降低，达到一定焊接电压后熔滴过渡频率增加。总体而言，超声复合水下焊接熔滴过渡频率低于普通水下湿法焊接方法的熔滴过渡频率，超声能够提高焊接稳定性。

参考文献

[1] 张博文，李吉. 水下焊接技术在我国海洋工程中的应用分析[J]. 船舶物资与市场，2020（2）：19-20.

[2] 赵琛，沈杰，李思颖.水下核电机器人应用现状与技术发展分析[J].自动化技术与应用，2019（11）：94-98.

[3] 严春妍，吴立超，张可召，等.水下湿法多层焊接头显微组织和应力分析[J].电焊机，2019（10）：22-27.