王定洲，陳 剛，張 宇，朱 杰，王加友*

(1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003) (2.江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，張家港 215625)

全位置自動焊具有效率高、質(zhì)量好，同時能夠減少焊接環(huán)境對焊工的影響，完成人工難以實現(xiàn)的焊接操作等優(yōu)點，在油氣管線等工程中獲得越來越廣泛應(yīng)用[1-3].焊接過程中，熔滴過渡對焊縫成形及焊接接頭質(zhì)量有著顯著影響，也間接反映了焊絲工藝性能及電弧穩(wěn)定性[4-5].目前，國內(nèi)外對全位置焊熔滴過渡研究還相對較少.文中主要從熔滴過渡頻率、熔滴尺寸及熔滴過渡偏角等方面，研究不同焊接位置對熔滴過渡的影響，揭示空間位置熔滴過渡規(guī)律，以指導(dǎo)焊接過程.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

焊接材料為直徑1.0 mm的SG8-P低碳鋼焊絲，試板選用尺寸為170 mm×50 mm×22 mm的X80管線鋼平板，保護氣體為Ar+20%CO2的富氬混合氣體.

1.2 試驗方法

為使試驗條件接近全位置焊接，試驗時將空間360°一分為二，并依次采用平焊、上45°下坡焊、立向下焊、下45°下坡焊和仰焊工藝，來模擬全位置自動焊接時A、B、C、D、E5個空間位置點的焊接情形，如圖1.在每一個位置的焊接試驗過程中，焊炬中心始終垂直于試件表面.

圖1 焊接試驗位置分布示意Fig.1 Schematic diagram of welding experimental positions

焊接和高速攝像系統(tǒng)由試件行走機構(gòu)、Fronius TPS5000弧焊電源、AcutEye高速信號采集系統(tǒng)(包括高速存儲計算機、高速攝像機、數(shù)據(jù)高速采集卡等)、氙燈背景光源等組成，其中平焊試驗系統(tǒng)如圖2.

圖2 焊接試驗系統(tǒng)示意(以平焊為例)Fig.2 Schematic diagram of experimental system

高速攝像系統(tǒng)是記錄整個熔滴過渡過程的關(guān)鍵[6].為了獲得清晰的熔滴過渡全過程圖像，攝像參數(shù)：拍攝幀速為8 000 fps、光圈值為F11、曝光時間為20 μs、分辨率為256×256；試驗過程中焊炬位置固定，通過移動試件給定焊接速度，并且攝像機和背景光源與焊接方向垂直.

1.3 焊接參數(shù)

根據(jù)空間位置焊接實際情況，確定采用脈沖電弧工藝(即試件接焊接電源負極)，脈沖峰值電流Ip=375 A，基值電流Ib=21 A，脈沖頻率fp=123 Hz.焊接參數(shù)如表1.

表1 焊接參數(shù)Table 1 Welding parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果及其處理方法

在上述試驗條件下，通過搭建的高速攝像系統(tǒng)分別采集了A、B、C、D、E5個空間位置點的熔滴過渡情況，如圖3.圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為平焊、上45°下坡焊、立向下焊、下45°下坡焊和仰焊一個周期內(nèi)熔滴過渡的情況.通過采集到的圖像可以看出：各個位置熔滴過渡形式均為滴狀過渡.

圖3 不同位置焊接時熔滴過渡過程Fig.3 Droplet transfer process at different welding positions

為了研究空間位置對熔滴過渡頻率及熔滴尺寸的影響，采用的試驗方法流程：① 通過高速攝像系統(tǒng)采集焊絲在空間位置焊接時穩(wěn)定的6 s區(qū)間內(nèi)電弧區(qū)域圖像；② 從采集的電弧區(qū)域圖像中提取第2 s和第3 s內(nèi)的電弧圖像，共16 000幅圖像；③ 求取16 000幅電弧圖像中熔熔滴過渡頻率f及熔滴平均截面積Sd.

2.2 焊接位置對熔滴過渡頻率的影響

焊絲端部融化金屬所受到的作用力一般認為有重力、表面張力及焊接電弧力，焊接電弧力主要包括電磁收縮力、等離子流力和斑點壓力[7-8].焊接電弧力與焊接電流和電弧電壓，焊絲直徑，電極的極性，氣體介質(zhì)等因素相關(guān).在相同焊接參數(shù)條件下，空間位置的熔滴過渡會受到熔滴重力的影響.

平位置焊接時，重力始終作為促進熔滴過渡的力作用在熔滴上，立焊和仰焊時，重力則為阻礙熔滴從焊絲末端脫離的作用力[9].圖4為2 s時間內(nèi)不同位置焊接時的熔滴過渡頻率，從中可以看出：隨著焊接位置由A到E的變化，重力對熔滴過渡逐漸由促進變?yōu)樽璧K作用，并且平焊和仰焊時，重力作用最為明顯，相應(yīng)地熔滴過渡頻率f從167 Hz逐漸減小到141.5 Hz.

圖4 不同位置焊接時熔滴過渡頻率Fig.4 Droplet transfer frequency at different welding positions

2.3 焊接位置對熔滴尺寸的影響

圖5為2 s時間內(nèi)不同位置焊接時熔滴的平均截面積.在相同送絲速度條件下，熔滴過渡頻率越高，熔滴尺寸相對越小，因此隨著焊接位置由A到E的變化，熔滴平均截面積Sd逐漸從0.985 mm2變大到1.232 mm2.

圖5 不同位置焊接時熔滴平均截面積Fig.5 Average droplet sectional area at different welding positions

2.4 焊接位置對熔滴過渡偏角的影響

熔滴脫離焊絲之后在電弧空間飛行時，主要受沿軸向的等離子流力Fd和重力G作用，如圖6.在熔滴過渡過程中，熔滴偏角θ為：

θ=tan-1(l/h)

(1)

式中：l為焊絲端部到工件的垂直距離；h為熔滴達到工件時，豎直方向的偏移量.

圖6 B、C和D位置熔滴過渡過程中受力示意Fig.6 Schematic diagram of droplet forces at B, C and D positions

在相同焊接參數(shù)條件下，不同位置熔滴沿軸向的等離子流力Fd相等，并且焊絲端部到工件的垂直距離相同.此外，熔滴在電弧空間飛行時，等離子流力的加速度遠大于重力加速度[10]，因此重力沿焊絲軸向的分力G2對等離子流力影響甚小.為了方便比較，假定上45°下坡焊、立向下焊、下45°下坡焊時，熔滴受到的沿焊絲軸向的作用力相等，從而熔滴的偏角θ僅與垂直于焊絲方向上的力相關(guān).因此理論上上45°下坡焊、下45°下坡焊位置處的偏角相等，立向下焊位置處的偏角最大.

但是，實際焊接過程中，由于焊接位置的變化，重力對熔池的作用程度不一樣，使得電弧正下方的熔池堆積厚度也不相同，相應(yīng)地距離l大小不一樣，因此在B、C和D位置時實際測得的熔滴過渡偏角變化規(guī)律性并不明顯，如圖7.不過，可以看出：空間位置焊接時，熔滴過渡以0 ～ 11.3°的偏角過渡到熔池.

圖7 不同位置焊接時熔滴過渡偏角Fig.7 Droplet transfer angle at different welding positions

3 結(jié)論

(1) 利用電弧高速攝像系統(tǒng)，分別采集了平焊、上45°下坡焊、立向下焊、下45°下坡焊和仰焊時的熔滴過渡圖像，分析了焊接位置變化對熔滴過渡頻率、熔滴尺寸及熔滴偏角的影響.

(2) 結(jié)果表明：通過空間焊接位置模擬，能清晰地獲取不同位置焊接時的熔滴過渡過程圖像；隨著焊接位置由平焊向仰焊的變化，重力對熔滴過渡逐漸由促進變?yōu)樽璧K作用，并且平焊和仰焊時重力作用最為明顯，相應(yīng)地熔滴過渡頻率從167 Hz逐漸減小到141.5 Hz，熔滴平均截面積逐漸從0.985 mm2變大到1.232 mm2；在上45°下坡焊、立向下焊和下45°下坡焊時，熔滴以1.5° ～ 11.3°的偏角過渡到熔池.

(3) 因此，全位置焊接過程中，考慮到重力對熔滴過渡行為的影響，在上45°下坡焊、立向下焊、下45°下坡焊和仰焊時，應(yīng)采用相對較小的焊接工藝參數(shù)，其中，仰焊位置處焊接工藝參數(shù)應(yīng)最小，并且采用軸向性較好的脈沖電弧工藝.