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

齊志龍 李 科 孫佳男 吳志生

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CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡熔滴尺寸的研究

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

齊志龍 李 科 孫佳男 吳志生

利用高速攝影系統(tǒng)拍攝了CO2氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡過(guò)程，借助高速攝影圖像，通過(guò)橢球-球轉(zhuǎn)換法精確測(cè)量了短路時(shí)的熔滴尺寸，分析了焊接電流、電弧電壓、焊絲伸出長(zhǎng)度和焊接速度對(duì)熔滴尺寸的影響。結(jié)果表明，熔滴尺寸與焊接電流成反比，與電弧電壓成正比，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，熔滴尺寸先減小后增大，在可焊的范圍內(nèi)，焊接速度幾乎不影響熔滴尺寸。研究結(jié)果可為精確控制熔滴尺寸、提高焊接質(zhì)量提供參考。

CO2氣體保護(hù)焊 短路過(guò)渡 熔滴尺寸 高速攝影

0 序 言

CO2氣體保護(hù)焊的短路過(guò)渡具有低成本、低熱輸入、高效率的特點(diǎn)，在低碳鋼和低合金鋼結(jié)構(gòu)件的薄板和中厚板焊接中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但短路過(guò)渡時(shí)的飛濺率大，焊縫成形質(zhì)量較差，導(dǎo)致焊接材料及能量利用率降低。如何在較高的熔敷速度下解決短路過(guò)渡焊接時(shí)的飛濺問(wèn)題一直是困擾工業(yè)界的難題和焊接學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]，而分析短路過(guò)渡熔滴尺寸的影響因素及其變化規(guī)律對(duì)有效控制熔滴尺寸及改善焊接工藝性能具有重要意義。

早期對(duì)于熔滴尺寸的測(cè)量主要采用熔滴收集法，包括水冷收集法和干法收集[3]，由于收集到的熔滴并不是沿著電弧區(qū)域落入熔池，而是脫離電弧區(qū)和氣體保護(hù)區(qū)后滴落在水中或其它保溫材料中，冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生體積膨脹，與實(shí)際焊接時(shí)的熔滴尺寸有較大差異。近年來(lái)出現(xiàn)了借助高速攝影技術(shù)測(cè)量熔滴尺寸的研究[4]，在采集到的熔滴陰影圖像中，以焊絲直徑為參考源，測(cè)量熔滴橫向最大值作為熔滴尺寸[5]。這種測(cè)量方法對(duì)形狀接近球狀的熔滴比較準(zhǔn)確，但對(duì)形狀拉長(zhǎng)的熔滴，測(cè)量結(jié)果顯然會(huì)有較大偏差。

文中搭建了高速攝影系統(tǒng)，拍攝了不同工藝參數(shù)下CO2氣體保護(hù)焊的熔滴過(guò)渡過(guò)程，獲取了清晰的短路過(guò)渡熔滴圖像，經(jīng)橢球-球轉(zhuǎn)換后測(cè)算出了短路時(shí)的熔滴尺寸，經(jīng)分析得到了熔滴尺寸與焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用直徑為φ1.2 mm的氣體保護(hù)焊焊絲H08Mn2SiA，在厚度為6 mm的Q235鋼板上進(jìn)行堆焊，焊絲及試板的化學(xué)成分見表1。焊接電源為YD-350GR，直流反接，氣體采用100%CO2，氣體流量設(shè)為15 L/min?？紤]到焊接時(shí)焊接電流、電弧電壓、焊絲伸出長(zhǎng)度和焊接速度均有可能對(duì)短路過(guò)程產(chǎn)生影響，因此在試驗(yàn)中對(duì)4個(gè)參數(shù)分別控制以得到各參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律。具體焊接工藝參數(shù)見表2。

表1 試板與焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 圖像采集系統(tǒng)

高速攝影光路系統(tǒng)如圖1所示。采用波長(zhǎng)為650 nm的激光器作為背景光源，光束直徑為5 mm，光束經(jīng)兩片凸透鏡后擴(kuò)束為直徑15 mm的平行光束，經(jīng)焊絲和熔滴遮擋后的剩余光線再經(jīng)衰減片和濾光片后進(jìn)入高速攝影機(jī)鏡頭，電弧兩側(cè)放置防濺玻璃以保護(hù)光學(xué)鏡片。由此，焊絲和熔滴的陰影圖像被拍攝下來(lái)，高速攝影機(jī)的拍攝速率設(shè)為5 000 幀/秒。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 熔滴過(guò)渡高速攝影光路系統(tǒng)

1.3 熔滴尺寸的測(cè)量

1.3.1 熔滴的選取

圖2為一個(gè)完整的短路過(guò)渡周期圖像。隨著電阻熱和電弧熱的不斷輸入，焊絲端部金屬逐漸熔化成為液態(tài)，熔滴在表面張力和重力等力的共同作用下不斷長(zhǎng)大(圖2a～2d)，大到一定程度后就會(huì)與熔池接觸發(fā)生短路(圖2e)，此時(shí)電弧熄滅，液態(tài)熔滴隨著短路液橋逐漸過(guò)渡到熔池中(圖2f～2i)，過(guò)渡末期液橋爆斷，電弧重新燃燒(圖2j)。在整個(gè)過(guò)渡周期中，與熔池接觸發(fā)生短路時(shí)的熔滴尺寸和形狀無(wú)疑是最為重要的，它承上反映了燃弧階段焊絲熔化及形成熔滴的大小，啟下又是實(shí)現(xiàn)正常短路過(guò)渡至關(guān)重要的條件，因此，選定與熔池剛剛接觸時(shí)的熔滴作為待測(cè)熔滴(圖2e)。

1.3.2 熔滴直徑的測(cè)量

由于此時(shí)的熔滴在各種力的作用下形狀并不是標(biāo)準(zhǔn)的球體，而是近似橢球體，以焊絲直徑d=1.2 mm作為標(biāo)定，測(cè)量出橢球體熔滴的長(zhǎng)軸h和短軸w，再將其換算成體積相同的球體，用球體的直徑D作為此時(shí)熔滴的直徑，如圖3所示。

圖2 完整的短路過(guò)渡周期圖像

圖3 熔滴尺寸測(cè)量

將熔滴視為繞長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)得到的旋轉(zhuǎn)橢球體，其長(zhǎng)半軸為a，短半軸為b，則旋轉(zhuǎn)橢球體體積為：

(1)

半徑為R的球體體積為：

(2)

將橢球體轉(zhuǎn)換為相同體積的球體，球體半徑為：

(3)

球體直徑為：

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熔滴尺寸與焊接電流的關(guān)系

當(dāng)預(yù)設(shè)電弧電壓為21 V、焊接速度為60 cm/min、焊絲伸出長(zhǎng)度為14 mm時(shí)，改變焊接電流所對(duì)應(yīng)的熔滴尺寸如圖4所示。從圖4可以看出，熔滴尺寸隨焊接電流的增大而逐漸減小。首先，隨著焊接電流的增大，焊絲由導(dǎo)電嘴伸出部分的電阻熱隨之而增大，焊絲的熔化速度也相應(yīng)提高。其次，根據(jù)靜力平衡理論，熔滴所受的電磁力與電流成正比[6]，在熔滴與固體焊絲相連部分收縮時(shí)，電磁力表現(xiàn)為促使熔滴盡快脫離焊絲的分離力，所以，隨著焊接電流的增大，電磁收縮力增強(qiáng)。在弧長(zhǎng)一定的情況下，大電流會(huì)促使熔滴及早拉長(zhǎng)并與熔池接觸發(fā)生短路，故熔滴尺寸減小。

圖4 熔滴尺寸隨焊接電流的變化

2.2 熔滴尺寸與電弧電壓的關(guān)系

圖5為熔滴尺寸隨電弧電壓的變化曲線。此時(shí)，焊接電流預(yù)設(shè)為120 A，焊接速度為60 cm/min，焊絲伸出長(zhǎng)度為14 mm。曲線顯示，熔滴尺寸隨著電弧電壓的增大而增大。當(dāng)焊絲伸出長(zhǎng)度及焊接電流一定時(shí)，焊絲及工件上的壓降不變(由于線纜壓降所占比重較小，忽略不計(jì))，電弧電壓與弧長(zhǎng)成正比。首先，電弧電壓增大會(huì)導(dǎo)致弧長(zhǎng)拉長(zhǎng)，允許熔滴長(zhǎng)大的空間更大。其次，熔滴所受的電弧力中主要包括電子對(duì)陽(yáng)極斑點(diǎn)的沖擊力，隨著電弧電壓的增加，電弧中的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，電子被加速獲得的動(dòng)能增大，撞擊在陽(yáng)極斑點(diǎn)上的力越大;過(guò)大時(shí)還會(huì)導(dǎo)致熔滴上翹并繞焊絲端部旋轉(zhuǎn)，這種向上的電弧力阻礙熔滴盡快與熔池接觸，延長(zhǎng)了熔滴長(zhǎng)大時(shí)間。故電弧電壓越大，熔滴尺寸越大。

圖5 熔滴尺寸隨電弧電壓的變化

2.3 熔滴尺寸與焊絲伸出長(zhǎng)度的關(guān)系

預(yù)設(shè)焊接電流為120 A、電弧電壓為21 V、焊接速度為60 cm/min時(shí)，改變焊絲伸出長(zhǎng)度導(dǎo)致的熔滴尺寸變化如圖6所示。圖中顯示，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，熔滴尺寸先減小后增大。在焊接電流不變的情況下，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度增大，焊絲伸出部分的電阻熱增大，有利于提高焊絲熔化速度。同時(shí)，伸出焊絲上的壓降增大，電弧電壓減小，阻礙熔滴分離的電弧力減弱，熔滴尺寸變小。當(dāng)伸出長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，過(guò)多的電阻熱導(dǎo)致焊絲過(guò)熱，降低了焊絲的熔化速度，使得熔滴尺寸增大[7]。

圖6 熔滴尺寸隨焊絲伸出長(zhǎng)度的變化

2.4 熔滴尺寸與焊接速度的關(guān)系

圖7為焊接速度對(duì)熔滴尺寸的影響，預(yù)設(shè)焊接電流為120 A，電弧電壓為21 V，焊絲伸出長(zhǎng)度為14 mm。在其它參數(shù)及焊絲伸出長(zhǎng)度確定的情況下，焊接速度對(duì)于焊縫成形和焊縫質(zhì)量有很大的影響，但從圖7可以看到，熔滴尺寸基本不受焊接速度的影響。

圖7 熔滴尺寸隨焊接速度的變化

這是因?yàn)樵谠试S的焊接速度范圍內(nèi)，焊絲與工件在水平方向的相對(duì)移動(dòng)速度并不會(huì)影響作用在熔滴豎直方向上的作用力大小，故焊接速度對(duì)熔滴尺寸影響不大。當(dāng)然，如果焊接速度過(guò)快時(shí)，會(huì)影響熔滴與熔池的接觸時(shí)間，使得熔滴受到表面張力的拖拽，導(dǎo)致熔滴不能正常完成過(guò)渡，這就可能會(huì)對(duì)過(guò)渡熔滴的形狀及尺寸產(chǎn)生影響。

3 結(jié) 論

(1)搭建了高速攝影系統(tǒng)，拍攝了清晰的CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡圖像，提出橢球-球轉(zhuǎn)換法并用該方法精確測(cè)量了短路時(shí)的熔滴尺寸。

(2)在CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡中，熔滴尺寸與焊接電流成反比，與電弧電壓成正比，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，熔滴尺寸先減小后增大，在可焊的范圍內(nèi)，焊接速度基本不影響熔滴尺寸。

[1] 向遠(yuǎn)鵬，曹 彪. 熔滴短路過(guò)渡頻率對(duì)CO2焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響[J]. 焊接，2010(12):33-37.

[2] 胡連海，李 桓，郭 勝，等. CO2焊短路過(guò)渡過(guò)程的同步多信息分析及試驗(yàn)[J]. 焊接，2004(8):17-20.

[3] 王 寶. 焊接電弧物理與焊條工藝性設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 李 科，齊志龍，吳志生，等. MIG焊熔滴過(guò)渡與電弧形態(tài)的觀察與分析[J]. 焊接，2016(1):19-22.

[5] 朱志明，吳文楷，陳強(qiáng). 基于高速CCD攝像的短路過(guò)渡焊接熔滴檢測(cè)與分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27(3):29-33.

[6] Kim Y S，Eagar T W. Analysis of metal transfer in gas metal arc welding[J]. Welding Journal，1993，72(6)：269-278.

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2016-03-02

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(G2015266)

TG403

齊志龍，1993年出生，大學(xué)本科。主要研究方向?yàn)楹附蛹夹g(shù)與工程。