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研究冷的金属过渡工艺焊接6Al-4V钛合金的熔滴过渡行为摘要Ti-6Al-4V合金由于其优良的综合机械性能广泛用于航空发动机产业。在本文中，通过分析捕获的电波和熔滴过渡过程的高速图像已研究冷的金属过渡工艺焊接6Al-4V钛合金的熔滴过渡行为。结果表明，焊接Ti-6Al-4V合金CMT的电流和电压波形不同于传统CMT循环。脉冲电流出现在短路相以调节不同阶段的能量分布，并且它导致溶滴的平滑过渡过程。用增大送丝率或降低电感修正值增加熔滴过渡的频率。用高的送丝率或小的电感校正值增加液滴尺寸。1介绍Ti-6Al-4V合金由于其优异的综合权机械性能和质量轻特点，广泛用于制造压缩机磁盘和航空发动机叶片[1-3]。各种焊接程序应用在焊接6AL-4V钛合金如激光束焊接（LBW）[4，5]，电子束焊接（EBW）[6-8]，线性摩擦焊（LFW）[9-11]，钨极氩弧焊（GTAW）[12]和熔化极气体保护焊接（GMAW）[13]。GMAW具有高生产率和方便自动应用的优势[14]。然而，熔化极气体保护焊的能量密度相对较低，因此热影响区（HAZ）宽。它影响了焊接质量特别是薄部。冷金属过渡（CMT），作为改进的熔化极气体保护焊工艺，在短路相通过焊丝的运动完成熔滴脱离焊丝，因此，当液滴脱离焊丝，它几乎需要没有电磁力。因此，CMT工艺不仅具有熔化极气体保护焊成本低、效率高的特点，而且还有效地降低了热输入。此前Pickin和Young通过比较传统的电弧焊接和焊接薄铝合金板的CMT工艺之间工艺稳定性宝道CMT工艺基本操作原则。这项用于焊接铝板的工作已经被Fengetal.扩展[16]。通过张等[17]进一步研究，在焊接铝与钢中也有关于CMT工艺的典型特征类似的发现。基于上述研究，对传统的电弧特性和CMT工艺的液滴过渡行为进行了概括。而在短路时电流和电压几乎接近零，热输入大大降低。进一步研究已经扩展到镍合金的焊接和不同的金属焊接。贝努瓦等[18]研究使用CMT工艺对铬镍铁合金718的可焊性，Rozmus-Górnikowska等[19]对CMT在钢上堆焊铬镍铁合金625的组织进行了描述。Cao等[20]对使用CMT工艺对AA6061-T6焊接到硼钢的可焊性进行了研究，张等。[21]研究了AA6061铝合金的激光CMT复合焊接。尚等[22]研究了CMT焊接镁/铝异种金属的组织和力学性能。然而，这是值得注意的是，通过用的铝或铝合金做填充金属实验揭示CMT工艺的典型特征。用填充金属焊接的熔滴过渡行为的无瞬态详尽工作的现象具有不同的物理学粘度和表面张力系数对铝合金进行了研究，如钛或钛合金。在本文中，我们研究了冷的金属过渡工艺焊接6Al-4V钛合金的熔滴过渡行为。通过分析电流和电压波形，研究了液滴过渡过程中不同相的能源分布，熔滴过渡的动态过程是通过高速图像观察。此外，也对使用不同的参数的液滴过渡行为进行了研究。2实验基体金属和焊丝都是6Al-4V钛合金和具体的组成范围是在表1中详细说明。焊丝直径保持为1.2毫米，并所有实验基体金属被加工成150×100×8毫米。为捕获熔滴的高速图像液滴和捕获电信号开发了图.1中所示的简单的视觉传感系统。高速电荷耦合（CCD）照相机是HiSpec5.帧捕获速率设定为1150帧/秒、1280×1024的分辨率。电流和电压的瞬态采集组件是基于霍尔电流和电压传感器制成。示波器用来采集波形是AligentMSO6034A和采样宽度分别设定为5ms/grid或20ms/grid。在图.2中所示的液滴尺寸是通过焊丝与溶滴之间测量比例关系计算的。从采集电流和电压波形获得瞬时值。电弧瞬间功率值Pi是用公式计算。（1），从测量的瞬时电流和瞬时电压Vi的乘积而得。由约瑟夫等研究[23]。Koiotynskii等人[24]已经表明当研究脉冲焊接时，该方法比这是平均值的基础上将具有更高的精确度。一个CMT循环在过程值中由2个巨大差异的阶段组成;因此，通过使用这种方法来实现更高的精确度而不是采用平均值。因此，该在（T1，T2）时间间隔能量输出用公式.（2）进行了计算，它是在该时间段的积分。Pi=ViIi(1)E∆t=∫ViIidtt2t1(2)由CMT焊接系统进行所有的试验，CMT焊接系统是由福尼斯高级4000焊接电源和机器人KUKAKR6组成。焊丝的运动是通过CMT数字控制焊炬送丝机控制的。研究的试验详细参数在表2中。由于统一调整模式，施加的平均电流和电压值是通过设定送丝速度设定。各种焊接电流和电压的焊丝熔化速度如图.3所示，并且数据来自弗尼斯专家系统。3结果3.1在CMT工艺焊接TI-6AL-4V合金中的瞬态现象为了说明的CMT焊接T-6AL-4V合金工艺的稳定性，采集电流和电压的瞬态值串联连接在按时间顺序电流-电压坐标平面，如图.4所示。线集束浓缩，并且几乎不存在异常线。这表明CMT的焊接Ti-6Al-4V工艺是相当稳定。Ti-6Al-4V合金CMT的电流和电压波形示于图.5，送丝速度为5.2m/min,电感修正值保持在0。与用相同的平均的送丝速度送Ti-6Al-4V合金焊接308L不锈钢比较，获取典型的CMT循环。根据两个波形之间的比较，显而易见的，Ti一6A1-4V的电流波形是完全不同典型的波形。如图5b示于，在典型的CMT循环整个短路状态的电流值保持很低，几乎恒定。然而，图5a示出，当焊接Ti-6Al-4V合金时在短路阶段显示的脉冲电流。显然，当前脉冲导致在短路时输出能量分布的增加。在这项试验中，能量输入在短路时用公式.（2）计算，结果显示，在CMT焊接Ti-6Al-4V合金，它占一个CMT循环总能量约7％，而在典型的CMT工艺的比例只有5％。为了研究该脉冲电流的必要性，进行一个附加实验。通过焊接电源设置在焊接试验脉冲电流的峰值降低到一半水平。所获取的电流和电压波形如图.5C。根据图.5C工艺断弧现象显然不稳定。一个Ti-6Al-4V合金的CMT循环的熔滴过渡的高速摄影图片示于图.6。电弧的后一阶段如图.7a所示，阴极斑点从底板转移到形成焊缝。因此，液滴轴线向远离焊缝方向从焊丝轴分离。一个额外以焊接速度为600mm/分钟的实验已经进行了，如图7B所示，熄弧现象观察不明显。结果表明熄弧现象出现在一个比较低的焊接速度，当焊接速度高时消失。3.2不同的送丝速度的熔滴过渡行为送丝速度为3，5.2和7.4m/min的电流和电压波形如图.8，实验的电感校正值都维持在-2.5％。随着送丝率增加，熔滴过渡频率也增加，短路时间到达更早。而送丝速度低，为了提供足够的能量，平均短路电流值比平均电弧电流值甚至更高，但脉冲电流宽度变窄。如图.9直观显示，随送丝速度的增加在短路时电弧输出能量减小。表3显示了不同送丝速度的液滴尺寸。当增加的送丝速度，溶滴的直径（D）和长度（L）都增加，并且长度增加率比直径增加率略高。直径和长度之间的比例关系保持在约0.89。3.3不同电感修正值的熔滴过渡行为不同电感校正值电流和电压波形示于图10，送丝率保持为5.2米/分。如图.10D所示当电感校正设为0以上，焊接过程是不稳定的，由于焊接电源低反应速度。图11所示，在一个CMT循环电流和电压波形的曲线的比较，而在焊接过程是稳定的。随着电感修正值下降液滴频率增加由于越早到达短路阶段。液滴尺寸示于表4中，并随电感校正值增加时，液滴直径基本上持恒和液滴长度略有下降。4讨论4.1瞬态现象分析在CMT短路阶段，各种力量作用于液滴[25-27]如重力（G）、表面张力（Ft）、电磁力（Fe）和通过焊丝的运动产生拉力（FP）。由于CMT过程的低热输入和Ti-6Al-4V合金的物理性质，该液滴的表面张力系数相对较大。如图12，电磁力水平分量（Fej）对液体桥剪切作用促进溶滴断裂。当焊接Ti-6Al-4V合金，表面张力阻碍形成和断裂液态金属桥显然更大，液态金属桥断过程更加猛烈。在短路阶段脉冲电流出现可能施加较大的电磁强力推动形成和断裂液态金属桥梁。此外，更大的热输入到液滴和液体金属桥以减少液态金属桥表面张力，这样的效果阻碍在液桥表面张力有效的降低。因此，当焊接Ti-6AL-4V合金时，脉冲电流在短路阶段的CMT工艺稳定性是必要的。在相对低的焊接速度，熄弧现象容易观察到，如图.7A所示。在电弧的稍后阶段相，而从熔滴至焊缝的距离较短，在电压最低原则下，阴极斑点移动到焊缝找到最短路径[28]。因此，如图.13所示。液滴上的电磁力改变，并产生与焊丝轴线垂直的分力。在分力的作用下，液滴轴将不同轴焊丝轴。随速度增加，在滴进入熔池之前从形成液滴到焊缝距离被延长。因此，熄弧现象逐渐变成弱。4.2送丝速度对熔滴过渡行为的影响在CMT过程，当液滴已经达到熔池，信号返回到数字控制的送丝机，然后焊丝被拉回并且焊接循环到达短路阶段，CMT过程的控制电路如图.14。显然，熔化的焊丝的质量随送丝速度增加而增大。因此，液滴尺寸放大，示于表3。液滴在电弧阶段时形成，表面张力作用在液滴朝重力的相反方向，并有助于液滴在焊丝上保持。当热输入到液滴增加，液滴的表面张力系数减小。液滴在重力下被拉长。因此，长度增加率略比该直径的更高。4.3电感修正值对液滴过渡行为的影响电感修正值对焊接电源动态品质有很大的影响。焊接电源的动态品质含义包括两部分：瞬时电流的增长率didt和瞬时电压回复率dudt。如图.11，当电感校正值小，电流和电压瞬时值在电弧阶段迅速变化，并导致电弧阶段更短的时间。因此，频率增加。除此之外，如表.4，液滴的长度随着电感修正值减小而增加，因而液滴到达熔融池稍微更早。在不同阶段电感校正值的能量分配调整效果是小，并且它主要影响在焊接过程中的稳定性。5结论对CMT焊接Ti-6Al-4V合金的熔滴过渡行为进行了研究，通过分析采集电的波形和熔滴过渡过程的高速图像。基于结果与讨论，结论得出如下：1在CMT焊接Ti-6Al-4V合金短路阶段出现脉冲电流。调整电弧能量输出分布导致平滑熔滴过渡过程。当焊接速度是比较低，在电弧阶段后期出现熄弧现象。2随送丝率的增大熔滴过渡频率和液滴尺寸增加。3电感修正值通过影响焊接电源动态品质影响熔滴过渡频率。随电感的修正值降低熔滴过渡频率增加。