粉芯碳化钨丝材GMA电弧增材脉冲特征参数与熔滴过渡特性研究文献综述

粉芯碳化钨丝材GMA电弧增材脉冲特征参数

与熔滴过渡特性研究

摘要：脉冲熔化极气体保护焊作为应用最广泛的焊接方法之一，在国防工业、航空领域、造船行业和机械制造等领域都被极大的运用。本文中综述了碳化钨堆焊技术和脉冲熔化极电弧增材制造技术近几年国内外的研究现状。简单介绍了目前主要用于应用的碳化钨研究及脉冲熔化极气体保护焊技术，借此探讨进行高效丝材电弧增材制造技术的设备参数。

关键词：脉冲熔化极气体保护焊，熔滴过渡，电弧特性参数，铁基碳化钨

1.1研究背景

脉冲熔化极气体保护焊是利用焊丝与电极之间电弧产生的热量熔化母材，同时输送保护气体实现焊接的一种方法。在焊接时能保持稳定的电弧，焊接时熔滴过渡形式为射滴过渡，且热输入控制较容易，因此能得到飞溅少、成型好、焊缝内部质量稳定等优点的焊缝^[1]。当前，增材制造技术已经由研发阶段过渡到了产业化的应用，技术成熟度不断提高，甚至可以实现批量化生产，得到更多制造企业的青睐。金属增材制造技术根据载能束的区别可划分为三类：激光、电子束和电弧。激光和电子束在小尺寸复杂精密零件制造领域得到了广泛应用，但由于其较高的成本和相对较低的制造效率，在大型零部件制造行业受到了很大的限制。而丝材基的电弧增材制造技术则完美地契合了对于大尺寸部件制造的需求^[2]。熔化极气体保护电弧（Gas metal arc,GMA）填丝增材制造技术具有设备成本低、堆积效率高、成形件力学性能好等优点，广泛应用于复杂金属构件制造和修复领域^[3]。丝材电弧增材制造的技术原型可以追溯到20世纪初西屋电器Baker申请的一项采用以电弧为热源的方法逐层堆焊制造3D金属物体的专利，直至20世纪90年代，受益于计算机技术及数字化控制技术的快速发展，丝材电弧增材制造技术结合数字化控制手段在成型大型复杂结构件上表现出更大的优势，国际上越来越多的科研机构相继开始并专注于技术的开发工作。表1为国外丝材电弧增材制造研究机构及研究内容。

表一 国外WAAM增材制造研究概括

现在数字化脉冲焊机已经大范围投入使用，焊机可以在一定程度上自动实现焊接脉冲参数的最优匹配。在自动化焊接领域，脉冲熔化极气体保护焊拥有稳定的焊接工艺、优秀的焊缝质量和稳定燃烧的电弧，因此成为研究的热门^[4]。在之前的研究中发现将碳化钨药芯焊丝运用到脉冲熔化极气体保护增材中时焊缝的成型较差，不仅在焊接过程中出现很大飞溅，而且成型的焊缝也有裂纹、气孔、焊瘤等缺陷。如何调节脉冲参数，改善这一问题显得尤为重要。

1.2 碳化钨堆焊研究现状

1.2.1 国内研究现状

碳化钨由于其优异的耐磨性和耐冲击性能，迄今为止，国内研究学者已经对碳化钨性能及运用展开了大量研究。

2011年，上海交通大学的戎磊通过优化激光熔覆工艺得到良好的涂层成形效果，并利用预热措施有效解决裂纹问题，最终得到性能优异的WC颗粒增强Ni基合金梯度涂层。研究结果表明，单道熔覆过程中，随WC含量增加，熔覆层的稀释率逐渐增大。单道熔覆层平均硬度随WC含量的增加而增加^[5]。李连杰和桂赤斌采用FB树脂作为热保护剂对铸造碳化钨颗粒进行了表面包覆处理，并对制作的药芯焊丝进行了TIG焊堆焊试验。结果表明：采用FB树脂保护的碳化钨颗粒在堆焊过程中的熔化及溶解烧损明显降低，堆焊后复合层中保留了大量的碳化钨颗粒，颗粒周围的碳元素含量较高。结果表明：采用了热保护的堆焊层在磨损试验中能够有效地阻碍砂粒的犁削作用，从而使耐磨性大大增加^[6]。

2014年，郑州大学的张严用高频感应堆焊技术在Q235钢表面制备碳化钨增强高铬铸铁基的堆焊层。对高频感应堆焊的工艺参数及堆焊后的冷却处理方式进行了优化。然后制备了高铬铸铁基堆焊层和分别含有质量分数为10%、20%、30%、40%、45%铸造碳化钨颗粒的高频感应堆焊高铬铸铁基堆焊层，运用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪器以及硬度计研究了堆焊层的宏观形貌、组织结构、物相种类及硬度、耐磨性，结果表明，碳化钨含量为40%的堆焊层整体效果最佳。在优化后的高频感应堆焊工艺下，堆焊层表面光滑、致密、平整及无明显裂纹；堆焊层的微观组织为明显的快速凝固组织^[7]。

1.2.2 国外研究现状

2019年，Navya Thirumaleshwar Hegde、Dayananda Pai和Ramakrishna Hegde研究了热处理工艺对热处理铝合金LM 25（Al-Si-Mg）和金属基复合材料（LM 25）的力学性能和显微组织的影响，并对热处理后的碳化钨（WC）进行了强化。以LM 25为基体材料，以0% 、3% 、6% 、9% 的碳化钨（WC）为增强材料，采用搅拌法制备了复合材料。测试其抗拉强度、硬度和耐磨性能。结果表明，150℃ 下的LM 25合金具有较好的力学性能^[8]。

2020年，Peter Lickschat、Daniel Metzner和Steffen Weiszlig;mante证明了飞秒激光脉冲波长比皮秒激光脉冲波长增加了穿透深度。结果表明，采用较短的激光脉冲可以提高烧蚀效率^[9]。

1.3 脉冲熔化极气体保护焊研究现状

1.3.1 国内研究现状

2012年，上海交通大学的袁磊通过高速摄影拍摄系统及LabView同步采集系统，研究了铝合金交流脉冲熔化极气体保护焊电弧形态与熔滴过渡的过程，构建了焊接熔滴热平衡模型，研究了焊接熔融的速率与熔滴温度。结果表明，在同一焊接电流中，交流脉冲熔化极气体保护焊的焊丝熔融速率比直流脉冲焊焊丝熔融速率快；在同种的焊丝情况下，交流脉冲熔化极气体保护焊熔滴的温度和热量低于直流脉冲熔化极气体保护焊的熔滴温度与热量^[10]。

2017年，吕小青、张鹏、李桓等人通过高速摄像采集，采用数字图像处理技术，对脉冲熔化极氩弧焊熔池轮廓进行了精确提取。分析了在一脉一滴、一脉两滴的焊接条件下，在离弧柱中心电的不同距离的时间和频率变化特征。结果表明，由于脉冲电弧以及液滴在池中，振荡的振幅分布在每个点池剖面随距离的增加而减小的影响，随着离弧柱中心的距离增加，熔池轮廓上各个点位震荡的震幅逐渐减小，且减小的形式为波动式递减；在一脉两滴的情况下，弧柱中心附近的点振荡复杂而密集。由熔滴引起的熔池振荡可以以较小幅度地抵消脉冲电弧引起的熔池振荡，且脉冲电弧引起的熔池振荡要强于熔滴引起的熔池振荡^[11]。

2018年，哈尔滨工业大学的蔡笑宇进行了Ar-CO₂-He三元气体保护下的平板GMA堆焊、窄间隙单丝GMA焊以及窄间隙双丝GMA焊接试验，详细而全面地讨论了保护气成分。在平板GMA堆焊中，单一变化He含量与CO₂含量，电弧随He或CO₂含量的增加而横向收缩，弧长减少。阐明了不同保护气成分比例下熔滴受力的变化影响了熔滴过渡行为，随He或CO₂含量增加，熔滴过渡频率降低，熔滴尺寸增加^[12]。

1.3.2 国外研究现状

2003年，Joseph A、Harwig D和Farson根据电弧电流和电压测量值计算电弧功率和热输入，并用液氮量热计测量热输入。在较宽的脉冲参数范围内，脉冲气体保护焊的传热效率变化不大，平均值为70%，最大值为72%，最小值为68%。以平均电流和电压乘积计算的电弧功率的焊接传热效率过高（平均82%），而以平均电流和电压的均方根（RMS）乘积计算的焊接传热效率过低（平均61%）。两者也随脉冲参数显著变化^[13]。

2014年，Hitoshi Matsui、Toshihiko Chiba和Kei Yamazaki采用快速傅里叶变换(FFT)方法对脉冲MAG焊接电流进行了分析。利用与底板振动的共振现象检测出熔池的特有频率，通过分析确定了熔池的特有频率随着熔池的增长而下降。利用底板振动的共振法确定了固有频率。并检测了无底板振动的焊接自然状态下的固有频率^[14]。

2015年，Y Ogino，Y Hirata描述了GMAW熔滴过渡的统一电弧模型。在该模型中，不考虑金属中的热传递，焊丝熔化速率由电弧电流决定。所建立的模型可以显示从低电流下的滴状过渡到高电流下的射流过渡的转变。结果表明，在大电流下，电磁力是决定熔滴过渡形式的最重要因素，而在小电流下，表面张力比电磁力更重要^[15]。

1.3 课题研究意义

电弧增材制造技术是金属3D打印的一个重要研究方向,目的是快速生产复杂结构件,其全焊缝组织具有结构致密、力学性能高的特点。近年来，随着制造技术和经济发展水平的提高，人们的消费习惯逐步往个性化消费模式转变，这种转变带来了传统制造模式的改变，相对应的制造技术手段也发生了变化。为了适应这种变化，技术专家们一直在寻找合适的技术手段。20世纪80年代中期，增材制造技术开始发展，为未来制造业、未来社会生产模式以及人类生活方式的变革提供了一种前所未有的技术方法。本课题通过粉芯机器人丝材自动焊接过程的脉冲特性参数测试与分析，难熔碳化钨合金的熔化极过程测试分析，焊缝组织和性能的研究，不仅能填补碳化钨脉冲GMA焊的空白，完善脉冲焊的内容，还能极大提高焊接效率、获得更好的焊缝成型。

参 考 文 献

[1]井培尧,王海军,陈文刚等.激光熔覆镍基碳化钨涂层的研究进展[J].功能材料,2021,52(04):4083-4089.

[2]耿海滨,熊江涛,黄丹,等.丝材电弧增材制造技术研究现状与趋势[J]. 焊接2015(11):17-21.

[3]雷洋洋. GMA增材制造熔池热场及流场数值分析[D].西南交通大学,2019.

[4]曾绍连,李卫.碳化钨增强钢铁基耐磨复合材料的研究和应用[J]. 特种铸造及有色合金, 2007, 27(006):441-444.

[5]戎磊.激光熔覆碳化钨颗粒增强镍基合金梯度涂层的研究[D].上海交通大学,2011.

[6]李连杰,桂赤斌.药芯焊丝耐磨堆焊过程中FB树脂对碳化钨颗粒的热保护作用[J].海军工程大学学报,2012,24(05):86-89.

[7]张严.碳化钨颗粒增强高铬铸铁基高频感应堆焊层组织及性能的研究[D].郑州大学,2014.

[8]Nth A , Dp B , Rh C . Heat treatment and mechanical characterization of LM-25/tungsten carbide metal matrix composites[J]. Materials today: proceedings, 2019(19):810-817.

[9]Lickschat P, Metzner D, Weimantel S.Fundamental investigations of ultrashort pulsed laser ablation on stainless steel and cemented tungsten carbide[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 109(2):1167-1175.

[10] 袁磊. 铝合金交流脉冲熔化极气体保护焊工艺研究[D].上海交通大学,2012.

[11] 吕小青, 张鹏, 李桓,等. 脉冲熔化极氩弧焊熔池的震荡特性分析[J]. 焊接学报, 2017(9):1-4.

[12] 蔡笑宇. 三元保护气窄间隙GMA焊电弧特性及熔化行为的研究[D].哈尔滨工业大学,2018.

[13] Joseph A , Harwig D , Farson D F , et al. Measurement and calculation of arc power and heat transfer efficiency in pulsed gas metal arc welding[J]. Science amp; Technology of Welding amp; Joining, 2003, 8(6):400-406.

[14] Hitoshi Matsui, Toshihiko Chiba, Kei Yamazaki.Detection and amplification of the molten pool natural oscillation in consumable electrode arc welding.[J].Welding International,2014(28):5-12.

[15] Ogino Y , Hirata Y . Numerical simulation of metal transfer in argon gas-shielded GMAW[J]. Welding in the World Le Soudage Dans Le Monde, 2015, 59(4):1-9.

粉芯碳化钨丝材GMA电弧增材脉冲特征参数

与熔滴过渡特性研究

摘要：脉冲熔化极气体保护焊作为应用最广泛的焊接方法之一，在国防工业、航空领域、造船行业和机械制造等领域都被极大的运用。本文中综述了碳化钨堆焊技术和脉冲熔化极电弧增材制造技术近几年国内外的研究现状。简单介绍了目前主要用于应用的碳化钨研究及脉冲熔化极气体保护焊技术，借此探讨进行高效丝材电弧增材制造技术的设备参数。

关键词：脉冲熔化极气体保护焊，熔滴过渡，电弧特性参数，铁基碳化钨

1.1研究背景

脉冲熔化极气体保护焊是利用焊丝与电极之间电弧产生的热量熔化母材，同时输送保护气体实现焊接的一种方法。在焊接时能保持稳定的电弧，焊接时熔滴过渡形式为射滴过渡，且热输入控制较容易，因此能得到飞溅少、成型好、焊缝内部质量稳定等优点的焊缝^[1]。当前，增材制造技术已经由研发阶段过渡到了产业化的应用，技术成熟度不断提高，甚至可以实现批量化生产，得到更多制造企业的青睐。金属增材制造技术根据载能束的区别可划分为三类：激光、电子束和电弧。激光和电子束在小尺寸复杂精密零件制造领域得到了广泛应用，但由于其较高的成本和相对较低的制造效率，在大型零部件制造行业受到了很大的限制。而丝材基的电弧增材制造技术则完美地契合了对于大尺寸部件制造的需求^[2]。熔化极气体保护电弧（Gas metal arc,GMA）填丝增材制造技术具有设备成本低、堆积效率高、成形件力学性能好等优点，广泛应用于复杂金属构件制造和修复领域^[3]。丝材电弧增材制造的技术原型可以追溯到20世纪初西屋电器Baker申请的一项采用以电弧为热源的方法逐层堆焊制造3D金属物体的专利，直至20世纪90年代，受益于计算机技术及数字化控制技术的快速发展，丝材电弧增材制造技术结合数字化控制手段在成型大型复杂结构件上表现出更大的优势，国际上越来越多的科研机构相继开始并专注于技术的开发工作。表1为国外丝材电弧增材制造研究机构及研究内容。

表一 国外WAAM增材制造研究概括