超声等离子焊接在液压支架修复工艺中的应用

刘晓玲

(青岛黄海学院，山东 青岛 266427)

0 前言

液压支架作为最重要的煤矿支护设备之一，在工作中长期承受压力、腐蚀和磨损等作用。液压支架的局部机械疲劳[1]、摩擦损伤较为常见，需要定期进行修复和维护，否则存在巨大的安全隐患。然而，由于液压支架的关键承载部件对强度、精密、密闭性[2]要求较高，常规补焊修复的效果难以满足工程需要，导致大量支架被淘汰。虽然激光熔覆技术[3]在液压支架修复[4]方面有着良好的应用效果，但成本居高不下，且工艺方面仍存在诸多限制，比如，加热和冷却过快造成的熔覆层熔融时间过短造成光斑外缘和内缘差别大，导致组织形成不平衡，应力分配不匀；激光熔覆对设备要求较高，部分工艺排气浮渣不充分，易造成硬度不均，形成气孔、夹渣等问题。

随着焊接技术的发展，高精度、低成本的超声波等离子弧焊[5]得到广泛认可，相比传统弧焊，其具有能量集中、热影响区小、焊缝表面光洁等优点，在超声波的作用下，熔池拉伸效果显著，熔滴[6]过渡更为平滑。为此，文中提出将应用于液压支架修复工艺，通过试验和数值模拟方法，研究焊接参数对修复工艺的影响，适用于液压支架中厚壁零件的高强度、低变形修复，如中缸活塞段、立柱、支架本体构件等，确保最佳补焊效果。

1 液压支架修复系统设计

1.1 超声等离子弧焊系统组成

为研究超声波对液压支架修复效果的影响，设计超声波等离子弧焊系统组成如图1所示，主要包括焊接系统和上位机控制系统。在焊接系统中，焊枪电极为钨极，通过耦合接头与超声变幅杆[7]连接，超声波的持续作用使得离子弧具有高频振动特性，对熔池有一定的晶粒破碎作用。

图1 超声波等离子弧焊系统的组成

为确保等离子弧的稳定性，等离子气和保护气均选用氩气，焊接电源采用数字焊机，电流调节与PWM生成均基于DSP处理器实现。超声波参数的控制主要通过超声电源和超声环能器完成，对外最大输出功率为600 W，超声振频可达25 kHz，振幅可达30 μm。在上位机控制系统中，等离子弧的生成与熄灭、焊接工艺参数的调节、钨极的运动轨迹等均由PCI数据卡实现指令控制。此外，上位机系统能够针对焊接过程中的相关传感器信号与图像信号进行数据采集，监控焊接过程，防止出现异常。立柱修复工艺及形貌如图2所示，可以看出：修复后的立柱熔覆层表面光滑、厚度均衡，未出现任何焊接损伤缺陷，打磨后的同轴精度非常高。

图2 立柱修复工艺及形貌

1.2 焊接参数及条件设定

根据液压支架的结构特点，设定焊接修复工艺参数如下：调节钨极喷嘴的直径为3 mm，内部收缩量为1.8 mm；焊接过程中，通过焊接平台执行机构，使钨极喷嘴端部与支架表面的距离保持在4～5 mm；固定被焊支架的惰性保护气体流量为25 L/min，维持形成等离子的气体流量为2.5～3.0 L/min；调整数字焊机的工作电流至100 A，调节超声电源的输出功率至500 W。

焊接系统中的上位机系统可实时采集等离子电弧压力和电流密度，这也是衡量等离子焊接稳定性和可靠性的关键参数。电弧压力采用气体压力传感器[8]进行采集，电流密度采用电流传感器测量。数据采集过程中，保持各个传感器与工作台同步运动。以10 mm直径的阳极电弧为被测对象，在径向方向等间隔选取若干点进行采集，以5组数据的平均值作为最终数据。有超声振动(U-PAW)和无超声振动(PAW)的电弧压力和电流密度对比结果分别如图3和图4所示，可以看出：超声波可有效提升电弧压力，特别是电弧中心，同等条件下将电弧压力增大了20%以上，使得焊接热流更为均衡、稳定；当电弧直径小于4 mm时，超声波振动可显著增强电流密度，能量也更为集中，可有效减小热影响区范围，减小焊后变形。

图3 电弧压力变化规律

图4 电流密度变化规律

2 超声场有限元分析

2.1 控制方程

超声场特性分析属于压力声学[9]的研究范畴，其在等离子焊接中的控制方程可采用亥姆霍兹方程[10](Helmholtz equation)来描述。亥姆霍兹方程能够有效和充分地表征超声波在传播过程中的振动特性，便于特征频率的求解，其程表达式为:

(1)

边界条件引入超声速度v，在简谐波条件下，其表达式为:

v=2πfAvcos(2πft)

(2)

式中：f为超声特征频率；Av为振动幅值；t为时间。

液压支架修复系统中的超声波动特征频率与机械系统有相似之处，均具有离散性，同时也具有自身固有特性，比如，在传播障碍条件下，特定温度对应稳定波长，当超声振动频率处于特征频率时，将产生驻波现象，可作为声场分析的约束条件[11]。因此，基于亥姆霍兹方程的超声场分析可得出超声波对焊接工艺的具体影响。

2.2 模型建立

由于分析目标涉及速度场、压力场和密度场，属于多物理场耦合问题[12]，为确保模型的收敛性和计算精度，文中采用COMSOL软件进行超声场的有限元数值模拟。网格精度是决定仿真计算效率和精度的关键因素，因此，声场的网格尺寸要与波长具有相关性。根据超声波的工作频率，将网格单元尺寸作如下设定：喷嘴与10 mm直径等离子弧结构采用四面体网格，外层模型采用六面体网格；总体单元尺寸要求单波长内大于10单元数量；喷嘴末端的网格进行局部细化，确保APL和AL的质量。网格划分结果如图5所示，通过网格校验可知，径向方向的AL网格满足要求，超声波吸收性良好。

图5 网格划分结果

2.3 结果分析

2.3.1速度场与密度场

在液压支架的焊接修复过程中，超声波对等离子气体的流速和等离子电弧的电流密度有着重要的影响。在气流速率为2.8 L/min条件下，可得出速度场和密度场云图分别如图6和图7所示。计算结果可以看出：焊缝中心靠近轴向y坐标为3 mm附近的气体速度最大，且沿着径向r逐渐减小；电流密度在电极中心表面附近最大，最大值与传感器检测值一致，并随着z方向和r方向坐标的增大而减小；等离子气体的流速与电弧的密度有着密切的内在相关性，在靠近焊缝的区域以近似相反的变化趋势分布；焊缝中心的温度最高，受热膨胀和超声振动影响，电弧质量密度降低，因此气体流速增大，而较大的气流量直接改变声压，使得电流密度呈反向变化。

图6 速度场计算结果

图7 电流密度场计算结果

2.3.2声压场

在液压支架的等离子弧焊模型中，超声振动特性可采用声压场的形式进行表征。通过有限元计算，可得出前两阶特征频率下的声场响应如图8所示，对应的频率值分别为15.6 kHz和20.1 kHz，均未超出最大激振频率25 kHz。可以看出：在一阶特征频率振源的作用下，驻波位于远离电极位置，但喷嘴的尺寸限制明显减小了传播范围；二阶特征频率振源能够在电极附近产生驻波，由于边缘区域的声压较大，使得行波的作用更为明显，使得熔池的拉伸和晶粒破碎效果更好。由此可见，在该焊接系统的工艺参数下应优选20 kHz左右的超声波频率，可获得更佳的焊缝激振效果。

图8 声压场计算结果

3 力学性能

3.1 硬度

表面硬度是决定液压支架强度和耐磨性的重要参数之一。一般地，修复后的支架表面硬度会显著提升，但是根据测试可知，如果修复后的硬度过大，则会产生明显的内应力，诱发热裂纹，因此，相比母材硬度不宜超过50%。若硬度分布不均，则会导致应力集中问题[13]。为验证超声波对等离子弧焊接头硬度的影响效果，设定超声激振频率为20 kHz，制备U-PAW和PAW 2种金相试样，基于TMVP-1型半自动显微硬度计对表面硬度进行测定。设定加载9.8N，载荷保持时间为10 s，可得出单层焊缝的测试结果如图9所示。可以看出：引入超声振动后的单层焊缝层(U-PAW-1)试样晶粒相比无超声振动(PAW)焊缝更为细小，而且压痕清晰，未出现明显的微裂纹现象，表明超声振动对焊缝韧性的提升有着良好的促进作用；焊缝中的板条状马氏体和珠光体组织均匀分布，平均尺寸低于20 μm。

图9 单层焊缝中心压痕形貌

保持工艺参数不变，增加焊缝熔覆层，可得出2层(U-PAW-2)、3层(U-PAW-3)和4层(U-PAW-4)焊缝沿径向方向的硬度变化规律如图10所示。可以看出：随着熔覆层数的增大，焊缝的硬度略有减小，但各层的稳定性均保持良好，这是由于下层焊缝对上层焊缝产生预热效果，缓解了冷却时的应力集中问题；单层焊缝的平均硬度相比母材提升了44.6%，且未出现硬度不均衡现象，焊接效果良好。

图10 焊缝硬度沿径向变化规律

3.2 残余应力

液压支架的焊接修复作为一种重要的热加工方法，残余应力σc的控制是非常有必要的，研究残余应力的分布规律对于焊接与焊后热处理工艺的优化有着重要的指导作用。采用相同的焊接参数并室温冷却后，可检测得出PAW和U-PAW 2种条件下的残余应力分布如图11所示。可以看出：由于等离子弧焊方式的热集中效应非常显著，2种焊接方式均在距离焊缝30 mm以外的区域受热影响较弱，残余应力较小，几乎为0；相比PAW方式，引入超声振动后的U-PAW焊缝中心的应力峰值在数值上与其接近，但应力方向相反，而且随着远离焊缝近线性递减；由于超声波振动降低了奥氏体的转变温度，因此当焊缝径向尺寸大于10 mm时，U-PAW焊缝的压应力转变为拉应力，有效抵消了焊缝中心的压应力，因此宏观残余应力更小。

图11 焊缝残余应力沿径向变化规律

3.3 冲击性能

冲击韧性是衡量液压支架突发性受载后安全性与可靠性的关键参数，特别是立柱、千斤顶和活塞杆等零件，应具有较高的韧性富余量，否则有可能会导致活柱弯曲、缸筒涨裂，甚至卡死等事故。文中以超声等离子弧焊后的标准试样为例，通过冲击试验可计算出室温下的冲击吸收能量为178 J，相比母材提升了45.8%。在扫描电镜下的断口形貌如图12所示，可以看出，补焊后的试样冲断后的韧窝[14]相比母材更大，呈抛物线形状，撕裂棱线较为清晰，表面组织致密，微孔均衡，可有效限制裂纹延伸的马氏体束的偏角更大，高韧性形貌显著。

图12 单层焊缝中心断口形貌

4 结论

(1)超声波对等离子电弧压力的影响非常显著，在4 mm电弧直径内能够获得集中和稳定的电流密度，有效地减小了支架修复的热影响区范围；由于超声振动能够实现熔池的拉伸和晶粒破碎效果，并改变奥氏体转变温度，因此在能量集中的超声等离子焊接条件下，修复后的液压支架可有效抵消残余应力，减小焊后变形。

(2)根据超声等离子弧焊模型的有限元分析结果可知，液压支架修复工艺可优选20 kHz左右的超声波频率，不但能够获得最佳的熔池激振效果，而且可显著提升焊缝的力学性能；通过力学测试可知，熔覆层的硬度和韧性均优于母材，而且在多层修复条件下，硬度仍保持着良好的均衡状态。