李 科，陳越峰，齊志龍，吳志生

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡分析

李 科，陳越峰，齊志龍，吳志生

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

利用高速攝影圖像與電信號(hào)波形觀察熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過(guò)渡，分析了影響熔滴過(guò)渡的主導(dǎo)因素。結(jié)果表明，CO2氣體保護(hù)焊時(shí)熔滴沿非軸向排斥過(guò)渡，氬氣保護(hù)焊時(shí)熔滴沿軸向過(guò)渡；焊接電流對(duì)熔滴過(guò)渡方式的轉(zhuǎn)變起主導(dǎo)作用，隨著焊接電流的增大，CO2氣體保護(hù)焊中依次出現(xiàn)短路過(guò)渡和大滴排斥過(guò)渡，熔滴尺寸依次增大，過(guò)渡頻率依次減小，氬氣保護(hù)焊中依次出現(xiàn)短路過(guò)渡、大滴過(guò)渡、射滴過(guò)渡、射流過(guò)渡和旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡，熔滴尺寸逐漸減小，過(guò)渡頻率逐漸增大；氬氣保護(hù)焊中，由滴狀過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚溥^(guò)渡的臨界電流約為170 A。

熔化極氣體保護(hù)焊；熔滴過(guò)渡；高速攝影；波形分析法

0 前言

在熔化極電弧焊接過(guò)程中，焊絲末端在電阻熱和電弧熱的共同作用下逐漸升溫熔化成為液態(tài)金屬，液態(tài)部分逐漸長(zhǎng)大形成熔滴，之后在重力、電磁力、等離子流力和表面張力的共同作用下脫離焊絲進(jìn)入熔池的過(guò)程稱(chēng)為熔滴過(guò)渡。按照熔滴所經(jīng)歷的空間路徑不同，熔滴過(guò)渡可分為自由過(guò)渡、橋接過(guò)渡和渣壁過(guò)渡[1]。熔滴過(guò)渡的方式、熔滴尺寸和過(guò)渡頻率直接影響焊接效率、焊縫組織和焊縫形貌，因此，研究熔滴過(guò)渡對(duì)于改善焊接質(zhì)量、提高焊接效率具有重要意義。

研究明弧焊接熔滴過(guò)渡，目前主要采用高速攝影法和電信號(hào)波形法[2-4]。高速攝影法采用背光技術(shù)，利用高速攝像機(jī)拍攝焊接過(guò)程焊絲端部的陰影像，通過(guò)影像分析熔滴過(guò)渡情況，是一種觀察熔滴過(guò)渡的直接方法。電信號(hào)波形法利用高頻傳感器采集焊接過(guò)程中電弧兩端的電壓和電流信號(hào)，通過(guò)觀察其波形特征分析熔滴過(guò)渡，是一種間接方法。研究熔滴過(guò)渡還有其他一些間接方法，如光強(qiáng)法、光譜分析法、聲信號(hào)法等[5-7]，也可以對(duì)熔滴過(guò)渡做出定性的評(píng)價(jià)，但周?chē)h(huán)境的干擾會(huì)大大影響信號(hào)的質(zhì)量。

本研究利用高速攝影法和波形分析法對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊的幾種典型熔滴過(guò)渡方式進(jìn)行了觀察與分析，分析了影響熔滴過(guò)渡方式、熔滴尺寸和過(guò)渡頻率的主要因素。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用直徑1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，分別采用CO2氣體和氬氣作為保護(hù)氣，氣體流量為15 L/min，試板為厚6 mm的低碳鋼板，直流反接，平板堆焊。焊絲伸出長(zhǎng)度14 mm，焊槍垂直于試板。高速攝像機(jī)為奧林巴斯i-SPEED TR，最大幀率10 000 fps，試驗(yàn)中設(shè)為5 000 fps，曝光時(shí)間設(shè)為4。背景光源為650 nm半導(dǎo)體激光器，激光出孔直徑為5 mm，出射光經(jīng)擴(kuò)束器后擴(kuò)束為直徑15 mm的平行光束，光束經(jīng)焊絲和熔滴遮擋后的剩余光線(xiàn)經(jīng)中心波長(zhǎng)為650±5 nm的濾光片后進(jìn)入高速攝像機(jī)鏡頭，電弧兩側(cè)放置防濺玻璃以保護(hù)光學(xué)鏡片。因此，拍攝焊絲和熔滴的陰影像。電信號(hào)采集設(shè)備為漢諾威弧焊分析儀AH-XXIV，其電壓傳感器并在焊接電源兩端，電流傳感器串入焊接回路中，傳感器信號(hào)經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集卡（采樣速率為200 000 pps）后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理輸出電壓和電流波形圖。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 研究熔滴過(guò)渡的試驗(yàn)裝置

2 CO2氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡分析

2.1 短路過(guò)渡

CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡圖像與波形如圖2所示。由于CO2氣體受熱分解時(shí)從電弧中吸熱導(dǎo)致電弧冷卻收縮，阻礙熔滴脫落的電弧力集中作用在熔滴下半部約1/3的面積上，且力的作用方向偏離焊絲軸向，使熔滴上撓并繞焊絲端部旋轉(zhuǎn)。在焊接電流較小時(shí)，促使熔滴從焊絲末端分離的電磁收縮力較弱，熔滴長(zhǎng)大時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致熔滴尺寸超過(guò)焊絲直徑，約是焊絲直徑的兩倍。電壓較小時(shí)，弧長(zhǎng)較短，熔滴與焊絲末端分離之前與熔池接觸形成短路，過(guò)渡末期縮頸部分爆斷。其電流波形為間斷式尖峰狀，每個(gè)尖峰對(duì)應(yīng)一次短路過(guò)渡。其電流抖動(dòng)幅度約為200 A，過(guò)渡頻率約為16 Hz。

圖2 CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡圖像與波形（21 V/120 A）

2.2 大滴排斥過(guò)渡

CO2氣體保護(hù)焊大滴排斥過(guò)渡的圖像與波形如圖3所示。由于CO2氣體對(duì)電弧的冷卻作用，熔滴仍呈現(xiàn)上撓。由于弧壓大導(dǎo)致弧長(zhǎng)拉長(zhǎng)，熔滴從焊絲端部脫落后落入熔池，電弧從熔滴底部跳轉(zhuǎn)到焊絲末端，整個(gè)過(guò)程電弧并未熄滅。由于電弧力的增強(qiáng)使熔滴長(zhǎng)大時(shí)間變長(zhǎng)，熔滴直徑是焊絲直徑的2.5～3倍。在熔滴與焊絲末端分離時(shí)，縮頸部分爆斷產(chǎn)生飛濺。其電流和電壓波形均呈鋸齒狀，每個(gè)鋸齒對(duì)應(yīng)一次熔滴過(guò)渡。電流抖動(dòng)幅度約為100 A，過(guò)渡頻率約為11 Hz。與短路過(guò)渡相比較，大滴排斥過(guò)渡頻率降低，飛濺增大。

3 氬氣保護(hù)焊熔滴過(guò)渡觀察與分析

3.1 短路過(guò)渡

氬氣保護(hù)焊的短路過(guò)渡圖像與波形如圖4所示。氬氣為惰性氣體，在電弧中并不分解，對(duì)電弧沒(méi)有冷卻作用。電弧呈鐘罩型，電弧作用在整個(gè)液態(tài)熔滴的表面，熔滴沿焊絲軸向長(zhǎng)大。由于焊接電流較小，促使熔滴分離的電磁收縮力較弱，故熔滴可以長(zhǎng)大到焊絲直徑的兩倍以上，在脫離焊絲末端之前與熔池接觸發(fā)生短路，過(guò)渡末期縮頸處爆斷。電流波形呈間斷式尖峰狀，每個(gè)尖峰對(duì)應(yīng)一次短路過(guò)渡。電流抖動(dòng)幅度約為150 A，過(guò)渡頻率約為2 Hz。相比CO2氣體保護(hù)焊的短路過(guò)渡，在相同的焊接電參數(shù)下，氬氣保護(hù)焊的短路過(guò)渡頻率低了很多，其原因是由于電弧與周?chē)目諝饨佑|面積增大導(dǎo)致電弧熱量散失，使得焊絲熔化速度降低。

圖3 CO2氣體保護(hù)焊大滴排斥過(guò)渡圖像與波形(30 V/280 A)

圖4 氬氣保護(hù)焊短路過(guò)渡圖像與波形（21 V/120 A）

3.2 大滴過(guò)渡

氬氣保護(hù)焊的大滴過(guò)渡圖像與波形如圖5所示。由于焊接電流仍然較小，促使熔滴分離的電磁收縮力依然較弱，故熔滴可以長(zhǎng)大到超過(guò)焊絲直徑時(shí)才脫落。電弧仍呈鐘罩型，熔滴沿焊絲軸向長(zhǎng)大、分離和滴落。由于電壓增大導(dǎo)致弧長(zhǎng)拉長(zhǎng)，熔滴與焊絲末端分離后經(jīng)電弧飛行一段距離落入熔池，其間沒(méi)有爆炸發(fā)生。電流波形呈波浪狀，每個(gè)波峰對(duì)應(yīng)一次熔滴過(guò)渡。電流抖動(dòng)幅度約為50 A，過(guò)渡頻率約為20 Hz，比短路過(guò)渡大幅提高。

圖5 氬氣保護(hù)焊大滴過(guò)渡圖像與波形(22 V/160 A)

3.3 射滴過(guò)渡

氬氣保護(hù)焊的射滴過(guò)渡圖像與波形如圖6所示。當(dāng)焊接電流超過(guò)某一臨界值（本試驗(yàn)為170 A）時(shí)，熔滴尺寸小于焊絲直徑，約為焊絲直徑的3/5～4/ 5。電弧仍呈現(xiàn)鐘罩型，焊絲末端開(kāi)始呈現(xiàn)鉛筆尖狀。當(dāng)電流增大時(shí)磁偏吹作用變得明顯，過(guò)渡熔滴開(kāi)始偏離焊絲軸向。電流波形呈現(xiàn)波浪狀，抖動(dòng)幅度約為20 A，過(guò)渡相當(dāng)穩(wěn)定，無(wú)爆炸和飛濺產(chǎn)生，過(guò)渡頻率約為38 Hz，比大滴過(guò)渡時(shí)提高。

圖6 氬氣保護(hù)焊射滴過(guò)渡圖像與波形(25 V/180 A)

3.4 射流過(guò)渡

氬氣保護(hù)焊的射流過(guò)渡圖像與波形如圖7所示。由于焊接電流進(jìn)一步增大，焊絲熔化速度也進(jìn)一步加快。熔滴尺寸進(jìn)一步變小，約為焊絲直徑的1/5，過(guò)渡頻率進(jìn)一步加快，過(guò)渡熔滴成為一個(gè)連續(xù)的液流，只在液流的末端由于反應(yīng)氣體的排出產(chǎn)生分離狀熔滴。此時(shí)的電弧呈現(xiàn)錐狀，焊絲末端呈鉛筆尖狀。由于磁偏吹的作用，電弧和液流均偏向一側(cè)。電流波形幾乎為一條直線(xiàn)，抖動(dòng)幅度在10 A以?xún)?nèi)。

圖7 氬氣保護(hù)焊射流過(guò)渡圖像與波形（28 V/290 A）

3.5 旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡

氬氣保護(hù)焊的旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡圖像與波形如圖8所示。由于焊接電流的增大，形成的導(dǎo)電液流在自身強(qiáng)磁場(chǎng)作用下發(fā)生螺旋形旋轉(zhuǎn)，從圖像上看到液流左右擺動(dòng)呈現(xiàn)S形，實(shí)際上是液流在空間中的螺旋形旋轉(zhuǎn)。其電流波形相比射流過(guò)渡出現(xiàn)一些波動(dòng)，抖動(dòng)幅度約在15 A。

圖8 氬氣保護(hù)焊旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡圖像與波形（30 V/320 A）

4 結(jié)論

（1）當(dāng)CO2氣體作為保護(hù)氣時(shí)，由于CO2分解對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用，使電弧力集中作用在熔滴底部很小的面積上，熔滴上撓呈排斥狀，過(guò)渡時(shí)會(huì)偏離焊絲軸向。當(dāng)氬氣作為保護(hù)氣時(shí)，電弧擴(kuò)展到整個(gè)液態(tài)熔滴表面，熔滴底部受力均勻，長(zhǎng)大和滴落時(shí)均沿焊絲軸向。

（2）在兩種保護(hù)氣焊接中，焊接電流對(duì)熔滴過(guò)渡方式的轉(zhuǎn)變起主導(dǎo)作用。隨著焊接電流的逐步增大，CO2氣體保護(hù)焊中依次出現(xiàn)短路過(guò)渡和大滴排斥過(guò)渡兩種熔滴過(guò)渡方式，熔滴尺寸依次增大，過(guò)渡頻率依次減小。在氬氣保護(hù)焊中，隨著焊接電流的增大，依次出現(xiàn)短路過(guò)渡、大滴過(guò)渡、射滴過(guò)渡、射流過(guò)渡和旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡五種方式，熔滴尺寸逐漸減小，過(guò)渡頻率逐漸增大。其中射滴過(guò)渡、射流過(guò)渡和旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡均屬于噴射過(guò)渡。

（3）在氬氣保護(hù)焊中，熔滴過(guò)渡從滴狀過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚溥^(guò)渡時(shí)存在臨界電流。在本試驗(yàn)中，1.2 mm碳鋼焊絲在氬氣保護(hù)時(shí)的臨界電流約為170 A。

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Observation and analysis of droplet transfer in gas metal arc welding

LI Ke，CHEN Yuefeng，QI Zhilong，WU Zhisheng
（TaiyuanUniversityofScienceandTechnology，CollegeofMaterialsScienceandEngineering，Taiyuan030024，China）

The droplet transfer processes in gas metal arc welding are observed by using high-speed photography images and electrical signal waveforms，the dominant factor influencing droplet transfer is analyzed.The results show that the droplets transfer along non-axial in CO2gas shielded arc welding while along axial in argon gas shielded arc welding.The welding current plays a dominant role in droplet transfer modes conversion，with the increasing of welding current，there occurs short circuiting transfer and globular repelled transfer in CO2gas shielded arc welding，the droplet size increases while the transfer frequency decreases in turn.In argon shielded arc welding，there occurs short circuiting transfer，globular transfer，projected transfer，streaming transfer and rotating streaming transfer，the droplet size decreases while the transfer frequency increases in turn.In argon shielded arc welding，the critical current from globular transfer to spray transfer is about 170 A.

gas metal arc welding;droplet transfer;high-speed photography;waveform analysis method

TG403

：A

：1001-2303（2015）10-0069-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.15

2015-04-23；

：2015-05-20

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51275332）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130322005-03）；太原科技大學(xué)UIT項(xiàng)目（xj2014029）；山西省高等學(xué)校UIT項(xiàng)目（2015266）

李 科(1980—)，男，山西長(zhǎng)治人，講師，碩士，主要從事焊接電弧物理測(cè)試及電弧傳感方面的研究。