水下湿法FCAW焊接速度对熔池动力学和焊接质量的影响
水下湿法FCAW焊接速度对熔池动力学和焊接质量的影响
Changsheng Xua,b , Ning Guoa,b,c, *, Xin Zhangb , Haiyue Jianga,b , Yanbo Tana,b , Li Zhoua,b,c
摘要：研究了焊接速度对水下湿药芯焊丝电弧焊熔池动力学、焊缝成形和熔敷金属中扩散氢含量的影响。随着焊接速度的提高，熔池被拉长，凝固速度加快。快速凝固可以减少FCAW过程中气泡和气体扰动，从而提高熔池的稳定性，但同时也增加了熔敷金属中的氢含量，增加了焊缝的扩散氢含量。根据焊缝余高的变异系数，随着焊接速度的提高，焊缝成形先得到改善，然后恶化。焊接速度越低，焊缝越容易产生鼓包，焊接速度越高，越容易产生凹坑。缺陷的发生与熔池行为密切相关，而熔池行为由熔池角度决定
介绍
由于水下焊接技术的发展，水下焊接技术得到了越来越多的重视。Rowe和Liu[4]报告说，UWW因其成本低、操作简单、生产率高、设备简单而被广泛用于近海结构物的维护和维修。因此，近年来人们进行了许多相关的研究。郭等。建立了基于X射线成像技术的UWW熔滴过渡监测系统，该系统被广泛应用于揭示弧焊熔滴过渡过程[5-8]。Wang等人。[9–11]描述了水下焊接电弧气泡，并试图通过机械约束保持较大的电弧气泡来保护熔池。此外，陈等。[12] 设计了一种模拟电弧气泡约束装置，建立了电弧气泡行为与超宽带金属转移之间的关系。mazzaferond Machado[13]通过分析实时电信号和快速傅立叶变换频谱来估计UWW电弧稳定性。Guo等人[14]还采用了四种方法来测定uww过程中的电弧稳定性，并研究了水溶液中硼酸含量对电弧稳定性的影响。郭等。[15] 指出UWW中有三种飞溅模式，认为熔池冲击飞溅是UWW最常见的飞溅模式。在此基础上，贾等。[16,17]综合分析了考虑气泡、液滴和电弧在不同焊接参数下的相互作用的超宽焊接飞溅损失形成机理。托姆克韦特·阿尔。【18–20】为提高S460ML钢的可焊性，在超宽焊接期间采用回火堆焊技术。
上述研究揭示了超高压水射流技术的一些特点，而对熔池行为的研究却鲜有报道。目前制约超宽焊接技术应用的问题很多，如焊缝成形差、性能差等，熔池的动态行为与焊缝质量和焊缝成形密切相关。超临界水是由熔化、流动、蒸发、界面反应和凝固等几个化学或物理过程组成的。这些过程同时发生，使得很难测量或模拟焊接过程。关于UWW-moltenpool的研究很少。赵等。[21]采用三维瞬态CFD方法对水下湿法焊接过程中熔池的流动进行了数值模拟。先前的实验[22]已经原位观察了UWW的熔池行为，发现水下熔池由气泡组成，而不是液态金属。然而，对于熔池的更多特性，如研究不同焊接参数下熔池的稳定性等，都是亟待深入研究的课题。
焊接参数是决定焊接接头质量的关键和不可忽视的因素。对于UWW，Omajene等人。[23]采用神经网络方法优化焊接工艺参数.郭等等。[8] 建立了UWW焊接过程中电弧电压与焊接电流及金属过渡模式之间的关系。Zhang等人[24]研究了焊接几何和微观结构对热输入和金属传递的依赖性嗯。而且，Świerczynska等人。研究了焊接工艺参数对UWW熔敷金属中扩散氢含量的影响。Mendonça和Bracarense[26]探讨了与焊接参数变化相关的形成频率和形成气泡大小之间的关系。他们的结论是，通过控制焊接参数，优化气泡直径和提高电弧保护是可行的。在众多的焊接工艺参数中，焊接速度对焊接工艺和焊接质量有着重要的影响，尤其是对于UWW而言，焊接速度更是备受关注。郭等。[27]研究了焊接速度对UWW中金属转移模式的影响，发现较大的焊接速度将促进宽角度球形排斥转移模式的产生。Wang等人。[11] 探讨了气泡动力学与焊接速度的关系。他们指出，气泡的几何尺寸与焊接速度有关，这影响了焊接过程稳定性。因此由此可见，焊接速度对熔池动力学有很大的影响。因此，本文对不同焊接速度下超宽焊接熔池动态行为进行了研究。在此基础上，阐明了焊接熔池中氢含量与焊接速度的关系。
材料和方法
1. 湿焊试验
试验中所用304不锈钢的力学性能与母材成分无关。填充材料是一种直径为1.6mm的CaF2-Al2O3渣自屏蔽药芯焊丝，是自行研制的超宽带专用药芯焊丝。在直流正极（DCEP）条件下进行了UWW实验。焊接工艺参数如表2所示。在几组实验中，焊接速度在1mm/s到3mm/s之间变化，而其他焊接参数则是固定的。
这个实验是在X射线观察系统中进行的[22]。焊接过程中，母材固定，焊枪沿设计的直线路径运动。采用X射线高速摄像系统采集焊接过程中熔池的图像。实验装置如图1所示。
2. 数据测量
在描述熔池行为的方法上，提出了一种通过记录熔池某一固定点的高度变化来探索熔池运动的方法游泳池如图所示。2.选择熔池中的一个随机位置作为非静态位置（线I），该位置在焊接过程中相对于x射线照片中的边缘是恒定的。垂直线I与熔池上表面的交点被定义为a点，工件平面被定义为基准面。从熔化到凝固，计算了a点相对于基准面的高度（h）分布。熔化前h值为0，如图所示。2（a），等于固化后的焊缝余高值，如图所示。2（c）。当熔池发生波动时，无论该点在熔池中的哪个位置，都不可避免地使该点的熔池金属上下波动。因此，用该方法得到的点的波形图能反映熔池的流动情况。
表1. 304不锈钢的主要成分
表2. 焊接参数
3. 扩散氢的测定
根据GB/T 3965-2012，采用气相色谱法测定熔敷金属中扩散氢含量。试样尺寸如图所示。3、为超宽带实验做准备。试样由arun-on-piece、平板、两个试样和一个径流板组成。焊接完成后，在一分钟内将试件敲碎并清理干净，然后密封在取样器中。然后，将取样器置于60℃恒温箱中72小时，使熔敷金属中的扩散氢完全释放出来。最后，将采样器连接到NCS-HD-6型扩散氢分析仪上检测扩散氢含量。
结果与讨论
1. 熔池动态行为
图4以焊接速度为1mm/s和3mm/s的焊接过程为例，展示了不同焊接速度下UWW中熔池的动态行为。为了区分母材、凝固金属和熔池，焊缝边界和熔池边界分别用白色虚线和红色虚线标记在所有X射线图像上，如图所示。4（a）、（c）。还有无花果。4（b），（d）给出了图表，以清楚地了解熔池的特征。
每个过程都包含一个液滴转移过程。熔池的熔池流动主要是由于熔池中气体的运动和液滴的冲击[22]。通过大量的图像观察，我们发现熔池中气体的运动和液滴的冲击不是独立的，熔池中的气体主要是由液滴引起的。如图所示。4（a），熔池在t0+38时进入熔池，t0+58时熔池中的气体聚集在一起，t0+90时熔池中的气体排出。这个过程如图4（c）所示。一方面，液滴中充满了气体[28]，这些气体将与液滴一起被带到水池中。另一方面，液滴的液态金属在进入熔池时逐渐流入熔池尾部。在此过程中，由于熔池温度的变化，气体在液态金属中的溶解度显著下降。因此，当一个新的液滴过渡到池中后，在池的末端会产生大量的气泡。液滴中的温度相对较高，并且加入了更多的氢化物。进入熔池后温度降低，大量氢气逸出，形成气泡。因此，每个液滴进入熔池后，都会有一个气体积聚的过程，使熔池发生畸变。虽然这一过程发生在所有的熔池中，但熔池和气体的状态随着焊接速度的不同而变化。随着焊接速度的增加，熔池逐渐变长，形状也相应变平。此外，值得注意的是，当焊接速度较低时，总是有气泡填充在孔中，如图所示。4（a），（b），当焊接速度较大时，气体排出后不会产生新的气泡，如t4+230时所示。4（c）、（d）。
从图中可以明显看出，随着焊接速度的增加，熔池长度变大。焊接速度对熔池长度的影响如图所示。5其原因是当焊枪和工件相对静止时，熔池表面的二维形状可以近似为圆形。当焊枪与工件相互移动时，由于电弧轴线与熔池中心线的相对偏移，熔池的形状将被拉长成椭圆形。随着焊接速度的增加，焊接力与熔池中心线的相对距离增大，导致熔池变长。
图1. 水下X射线透照实验系统
2. 熔池稳定性
图中给出了不同焊接速度下熔池表面高度和熔池内固定点的标准偏差曲线图。6和7。
随着焊接速度的增加，固定点的移动时间逐渐变小。根据熔池的长度和凝固点的移动时间可以得出，随着焊接速度的增加，熔池的凝固速度将显著提高。这是因为随着焊接速度的加快，进入熔池的热量逐渐减少。另一方面，由于熔池末端液态金属凝固速率的提高，熔池长度逐渐增大，因此传递到熔池背面的热量明显减少。
从实验数据结果可以看出，随着焊接速度的增加，标准偏差逐渐减小，反映出熔池运动强度逐渐减弱，熔池运动趋于稳定。这主要有两个原因。一方面，随着焊接速度的增加，熔池长度逐渐增加，这将降低熔池运动的严重性。另一方面，随着焊接速度的提高，焊缝余高逐渐减小。在熔池中很难产生大的气泡，熔池的流动性明显增强虚弱。这些两种原因共同作用，使得焊接速度越快，标准偏差越小，熔池振荡越弱。
3. 扩散氢含量
测量了不同焊接速度下熔敷金属中扩散氢的含量。最终结果如图所示。8.发现随着焊接速度的增加，熔敷金属中扩散氢的含量逐渐增加，这与Świerczynska等人的研究一致。[25]。原因主要是接下来。首先，当焊接速度较大时，熔池迅速冷却，如上所述。液滴携带氢气进入熔池后，会在短时间内凝固，氢气不会从熔池中流出，因此留在熔敷金属中。然后，如图所示。随着焊接速度的增加，熔池的稳定性逐渐变好，即熔池波动较小。熔池的搅动主要是由气体的运动引起的，也就是说，随着焊接速度的增加，熔池中过流的气体量减少。随着焊接速度的增加，焊接热输入减少，熔池长度增加，熔池温度降低，表面张力增大，进一步防止了熔池中氢气的溢出。总之，随着焊接速度的增加，熔池中的氢含量会溢出。因此，随着焊接速度的增加，扩散氢含量逐渐增加。值得注意的是，当焊接速度低于2.0mm/s时，熔敷金属中的扩散氢含量处于较低水平。
图2. 熔池流动性评价示意图（a）熔池前面的统计点，（b）熔池中的统计点，（c）熔池后面的统计点
图3. 气相色谱法测定扩散氢含量试样尺寸图
4. 焊缝成形
在底板上堆焊后，观察焊缝成形。实验中发现，当焊接速度太小（0.5 mm/s）或焊接速度过大（3.5 mm/s）时，焊接过程极不稳定，不可能发生已完成。因此选择的焊接速度在1mm/s～3mm/s之间，坡度为0.5mm/s。不同焊接速度下的焊缝成形图如图9所示
为了量化焊缝成形的程度，测量了焊缝高度的变化系数来描述焊缝成形的具体情况。具体方法是在同一焊缝上选几个点（本文中相邻两点的距离为1mm），用游标卡尺直接测量各点的残余高度，然后计算测量数据，得到标准偏差和平均值。
根据相关公式，得到了变异系数。系数越小，说明焊缝表面越光滑，变化越均匀。具体计算公式为：
式中，Va为残余变异系数；Ai为测得的残余高度分布序列；ea是ai的平均值；σais是ai的标准偏差；是点数。
图4. 不同焊接速度下熔池的动态特性（a）、（b）X射线图像和1mm/s、（c）、（d）X射线图像和3mm/s示意图
图5. 不同焊接速度下熔池长度
图6. 不同焊接速度（a）1 mm/s，（b）1.5 mm/s，（c）2 mm/s，（d）2.5 mm/s，（e）3 mm/s.c.Xu，et.在不同焊接速度下熔池点表面高度的示波图期刊制造工艺55（2020）381–388385
可见，当焊接速度较小时，随着焊接速度的增加，焊缝补强的变异系数先减小，说明焊缝成形趋于良好，如图所示。10随着焊接速度的进一步提高，焊缝余高的变异系数增大，说明焊缝成形质量状况逐渐恶化。
通过对不同焊接参数下的焊缝成形和熔池图像分析，发现当焊接速度为1.5mm/s和2mm/s时，上述焊缝表面不均匀现象多次出现。
在焊接过程中。但对焊缝成形的影响较小。在这两种速度（1.5mm/s和2mm/s）下，残余变化系数较小，焊缝成形良好。相比之下，当焊接速度为2.5mm/s和3mm/s时，焊接残余变异系数较大，焊缝成形良好。
测量焊缝的深宽比发现，随着焊接速度的增加，熔深值先增大后减小，焊缝的深宽比也有相同的趋势，如图所示。11这是因为当焊接速度较小时，熔池上方积聚的液态金属过厚，热量不能直接作用于母材，导致熔深较浅。随着速度的增加，熔池上方的液态金属变薄，熔深逐渐增大。随着焊接速度的不断提高，热输入减少，熔深逐渐减小。
图7. 熔池稳定性与焊接速度的关系
图8. 不同焊接速度下熔敷金属中的扩散氢含量
图9. 不同焊接速度下的试样外观（a）1 mm/s，（b）1.5 mm/s，（c）2 mm/s，（d）2.5 mm/s，（e）3 mm/s
图10. 焊缝余高变化系数与焊接速度的关系
获得平焊的前提是熔池凝固的界面与凝固高度一致表面。那个气体在熔池中的移动导致熔池界面过高和过低是焊接接头中产生预紧和凹陷的主要原因[22]。如上所述，当焊接速度较低时，熔池较短，且熔池中有大量气体溢出，使熔池中的液态金属容易被气体提起，从而容易形成凸形，如图所示。12（a）条。当焊接速度太快时，应注意。12（b），一方面，熔池中气体较少，熔池容易坍塌。另一方面，熔池越长，冷却速度越快，会使熔池的尾金属低于固溶焊缝表面形成凹坑。
从图中可以看出。12（a），（b），焊道的形成与熔池的形状密切相关。通过对熔池动态图像的进一步观察，发现在不同的焊接条件下，熔池的角度存在显著差异速度。定义熔池角度为θ
h1为焊缝余高；h2为焊接熔深；li为熔池长度，如图所示。12（c）。
计算不同焊接速度下tanθ的值，结果如图所示。13可以清楚地看到，随着焊接速度的增加，熔池的角度将逐渐增大减少。合并根据焊缝成形结果的情况，可以得到如下结果。焊接速度较小时，熔池角度较大。随着焊接速度的增加，熔池角θ逐渐减小，焊缝成形性逐渐改善。进一步提高焊接速度，熔池角度继续减小。然而，焊缝成形质量逐渐下降。当tanθ在0.5～0.6范围内时，有利于焊缝成形。
当熔池角度较小时，熔池较浅且较长。由于熔池较浅，气泡的运动会使熔池表面产生较大的波动。另外，在熔池冷却速度快的情况下，熔池尾部液态金属容易凝固，导致焊缝表面起伏较大。同时，当焊接速度过大时，moltenfillermetal无法形成连续焊缝，如图所示。4（e）条。但由于焊接角度过大，熔池长度过短，使得熔池中的金属液只在一个小范围内发生熔滴。其运动行为剧烈且不稳定，严重影响了焊缝质量。因此，熔池角度应保持在一定范围内，以利于焊缝成形。
得到了熔池角度对熔池整体形成的影响。当焊接速度较小时，熔池角度较大。随着焊接速度的增加，θ值逐渐减小，焊缝成形逐渐得到改善更好。增加随着焊接速度的进一步提高，熔池的角度继续较小，但焊缝成形情况较差。tanθ在0.5～0.6范围内，有利于焊接成形。
图11. 焊接熔深和焊缝深宽比与焊接速度的关系
图12. 焊缝成形与熔池动力学关系示意图
（a）低速焊接熔池，（b）高速焊接熔池，（c）熔池角度定义
图13. 焊接速度对熔池角度的影响
结论
1. 熔池长度随焊接速度的增加而增加，而凝固时间和熔池的流动性则缩短。
2. 随着焊接速度的增加，扩散氢含量从1mm/s时的1.9ml/100g逐渐增加到3mm/s时的8.2ml/100g，提高了4倍。这是因为从熔池中溢出的氢越少，凝固速度越快，熔池的稳定性越差。
3. 根据超高变异系数，在2mm/s的焊接速度下得到了优化的焊缝。焊接速度较低时，焊缝缺陷主要为喇叭形缺陷，当焊接速度超过2mm/s时，缺陷占主导地位，这是由于焊接速度较低时，熔池内气体积聚较多所致。
4. 熔池的形状以熔池的角度为特征。结果表明，熔池角为0.5～0.6时，焊缝成形良好。
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