摘 要： 為探究焊槍傾角對纜式焊絲熔化極氣體保護焊（gas metal arc welding，GMAW）焊接過程和焊縫成形的影響，通過對比研究分析了不同焊槍傾角下焊接電弧形態(tài)、熔滴過渡特征和焊縫形貌特點及影響機理，研究結(jié)果表明：在相同焊接條件下，電弧寬度隨著焊槍傾角的增加減小，前傾相對后傾電弧具有更好的穩(wěn)定性; 相同焊槍傾角下，前傾電弧寬度相對后傾寬度減小11%. 熔滴過渡頻率隨焊槍傾角的增加而增加，并隨著角度增加逐漸呈現(xiàn)沿軸線過渡; 前傾時飛濺小于后傾狀態(tài)，熔滴過渡頻率相對后傾增加32%. 不同焊槍傾角下，前傾焊縫成形優(yōu)于后傾狀態(tài); 后傾時隨角度減小焊縫成形逐漸變差，且產(chǎn)生咬邊和大顆粒飛濺等缺陷. 焊槍傾角為60°和75°時，焊槍前傾比后傾熔寬平均增加約43%，熔深平均減小約18%，余高相近.

關(guān)鍵詞： 纜式焊絲; GMAW; 焊槍傾角; 熔滴過渡; 焊縫成形

中圖分類號：TG444+.72 ""文獻標志碼：A"""" 文章編號：1673-4807（2024）06-063-06

收稿日期： 2023-06-27"" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（51905231）；中國博士后科學(xué)基金項目（2020M670943）

作者簡介： 楊志東（1984—），男，副教授，研究方向為焊接質(zhì)量控制與裝備、高效焊接方法與工藝. E-mail： yangzhidong@just.edu.cn

*通信作者： 何鵬（1972—），男，教授，研究方向為先進焊接材料及工藝.E-mail： hithepeng@hit.edu.cn

引文格式： 楊志東，徐鍇，何鵬，等.焊槍傾角對纜式焊絲GMAW熔滴過渡行為和焊縫成形影響研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，38（6）：63-68.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.06.010.

Effect of welding torch inclination angle on droplet transfer behaviorand weld formation of CWW GMAW

YANG Zhidong^{1，2，3}，XU Kai²，HE Peng^3*，LI Tanyu¹，WANG Wenqing⁴，ZHOU Fanming1，F(xiàn)ANG Chenfu¹

（1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212100，China）

（2.Harbin Welding Institute Limited Company，Harbin 150028，China）

（3.College of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China）

（4.College of Advanced Manufacturing，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Abstract：To investigate the effect of welding torch inclination on the welding process and weld formation of cable-type welding wire （CWW） gas metal arc welding （GMAM），the influence laws and mechanisms of welding arc morphology，droplet transfer characteristics，and weld formation under different welding torch inclination angles were analyzed. The experimental research results show that the arc width decreases with the increase of the welding torch inclination angle，and the forward tilt arc has better stability compared to the backward tilt arc under the same welding conditions. The width of the forward tilt arc decreases by 11% compared to the backward tilt width at the same inclination angle. The frequency of droplet transfer increases with the increase of the inclination angle of the welding torch，and gradually shows a transition along the axis as the angle increases. When tilting forward，the splashing is less than that of backward tilting，and the droplet transfer frequency increases by 32% compared with the backward tilting case. The formation of the forward inclined weld seam is better than that of the backward inclined state under different inclination angles of the welding torch. As the angle decreases，the weld formation gradually deteriorates，and defects such as undercuts and large particle splashes occur. The forward inclination of the welding gun has an average increase of 43% in weld width and an average decrease of 43% in weld depth，and with similar weld reinforcement compared to the same conditions of backward tilting when the inclination angles of the welding gun are 60 ° and 75 °.

Key words：cable-type welding wire，GMAW，welding torch inclination，droplet transfer，weld forming

熔化極氣體保護焊（gas metal arc welding，GMAW）被廣泛應(yīng)用于船舶制造、機械制造和軌道車輛等生產(chǎn)中，與機器人和自動化設(shè)備相結(jié)合易于實現(xiàn)自動化焊接^［1-2］. 纜式焊絲氣保焊在現(xiàn)有氣保焊的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，采用的焊絲為多根焊絲進行絞合形成，具有焊接設(shè)備簡單、操作方便和焊接效率高等優(yōu)點^［3］.

熔化極氣保焊焊接過程中焊槍傾角的姿態(tài)對電弧形態(tài)、熔滴過渡行為、焊縫成形和焊接缺陷具有重要的影響^［4-6］.文獻［6］研究發(fā)現(xiàn)，在焊槍后傾偏離垂直位置0°～10°時，焊縫成形良好，氣孔率低.文獻［7］研究發(fā)現(xiàn)機器人氣保焊焊縫熔寬、熔深和余高均隨傾角增大而增大，前傾角的熔寬大于后傾角的熔寬，而余高小于后傾角的余高.文獻［8］研究了鋁合金MIG焊過程中不同焊槍傾角對焊接質(zhì)量的影響，基于研究獲得了焊槍傾角為前傾80°時，焊接熱影響區(qū)更窄，有著更好的力學(xué)性能.文獻［9］通過左右傾斜焊槍角度研究了熔滴沖擊方向?qū)缚p質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)焊槍傾斜時飛濺顯著增多.文獻［10］研究了焊接過程中焊槍角度對焊縫成形的影響，建立了焊縫幾何特征預(yù)測方程，并發(fā)現(xiàn)焊槍前傾熔寬更寬，焊槍后傾時可有效增加焊縫熔深.

纜式焊絲氣保焊研究方面，文獻［11-12］建立了纜式焊絲GMAW熔滴受力模型，分析發(fā)現(xiàn)隨著焊接電流增大，熔滴所受的電弧力和旋轉(zhuǎn)力增加，促進熔滴過渡，減小熔滴尺寸、提高過渡頻率.文獻［13］建立了纜式焊絲CO2氣體保護焊有限元模型，研究發(fā)現(xiàn)纜式焊絲熱流密度更為集中，殘余應(yīng)力場與埋弧焊相似，但熱循環(huán)峰值溫度和熱影響區(qū)寬度均小于埋弧焊.

目前纜式焊絲GMAW的研究主要為焊槍垂直于工件狀態(tài)，而焊槍在不同角度下的研究未見報道. 由于焊槍傾角變化后引起電弧行為、熔滴過渡和焊縫成形等方面變化，為更好推廣應(yīng)用纜式焊絲氣保焊工藝，文中研究了不同焊槍傾角對電弧形態(tài)、熔滴過渡行為和焊縫成形的影響規(guī)律，為形成穩(wěn)定、高質(zhì)量的纜式焊絲氣保焊工藝提供基礎(chǔ)和理論依據(jù).

1 實驗方法及設(shè)備

試驗采用的母材為AH36鋼板，尺寸為200 mm×100 mm×6.5 mm，焊絲為直徑2.4 mm的ER50-6纜式焊絲（7根絞合）. 母材和焊絲化學(xué)成分如表1. 試驗采用德國克魯斯QINEO PLUSE焊接電源，德國Optronis CP80-3-M-540高速相機，電弧與熔滴采集速度為4 000幀/秒，試驗參數(shù)如表2. 焊槍傾角是焊槍軸線與水平線之間的夾角，分為前傾角和后傾角，焊接試驗系統(tǒng)如圖1.

圖2為焊接過程溫度測量點分布示意圖. 采用熱電偶對A36鋼鋼板背面距離焊縫中心不同距離處進行測溫采樣，為準確反映焊接時測量點溫度，以焊縫背面中心線為基準線，沿30°方向距離中心線進行測溫.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 焊槍傾角對電弧形態(tài)的影響

圖3為不同焊槍傾角狀態(tài)下的電弧形態(tài)，由圖3（a）～（c）可知，焊槍前傾60°時，與熔池沿著傾斜方向形成電弧，電弧產(chǎn)生于熔滴底部，電弧形態(tài)穩(wěn)定; 當(dāng)焊槍為前傾75°，電弧寬度減小，電弧沿熔滴底部向上擴展，包裹住熔滴下半部分; 焊槍傾角為90°，電弧包裹熔滴呈現(xiàn)一定的束狀形態(tài)，電弧寬度最小.隨著焊槍前傾角度的增加，電弧寬度減小，電弧沿熔滴逐漸向上擴展包裹熔滴.

由圖3（d，e）可知，當(dāng)焊槍傾角由前傾狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹髢A75°時，焊接電弧指向側(cè)發(fā)生擴展，完全包裹熔滴，電弧寬度增加;當(dāng)焊槍傾角后傾60°時，電弧完全包裹熔滴，電弧底部擴展更為明顯，電弧體積達最大. 由焊槍前傾和后傾對比分析可知，相同條件下，隨著焊槍傾角角度增加，電弧與工件接觸部分的寬度（電弧寬度）逐漸減小. 焊槍傾角為60°和75°時，后傾相對前傾電弧寬度增加，前傾時電弧寬度比后傾電弧寬度平均減小11%.

為驗證不同焊槍傾角在焊接過程中對母材熱量的影響，進行了不同焊槍傾角時溫度熱循環(huán)對比. 圖4為不同焊槍傾角時測量點的熱循環(huán)曲線，前傾60°時，測量點熱循環(huán)峰值最小為437 ℃，隨著焊槍傾角狀態(tài)由前傾轉(zhuǎn)變?yōu)楹髢A，測量點的熱循環(huán)峰值溫度升高，后傾60°時測量點熱循環(huán)峰值溫度最高為493.2 ℃，由此可知，相同傾角下前傾時的焊縫附近的測量點熱循環(huán)峰值溫度更低.

圖5為前傾時電弧形態(tài)與金屬蒸氣示意圖，由圖5（a）可以看出電弧集中在熔滴底部，電弧中間部分呈現(xiàn)收縮狀，電弧形態(tài)穩(wěn)定. 由圖4可以看出，前傾時的測量點熱循環(huán)峰值溫度更低，由于焊槍前傾時電弧指向母材未熔化側(cè)，電弧熱量沿焊接方向擴展，使得母材熱量降低. 由5（b）可以看出，電弧作用在工件上產(chǎn)生少量金屬蒸氣，此時電弧溫度較低，對電弧形態(tài)影響較小，焊接過程電弧穩(wěn)定性較高.

由圖5（c）可以看出，當(dāng)焊槍為后傾狀態(tài)時，電弧向外部擴展，電弧體積增大，并在焊縫上部出現(xiàn)金屬蒸氣，焊接過程電弧形態(tài)發(fā)生較大幅度變化，電弧穩(wěn)定性降低. 由圖4可知，后傾時各測量點溫度更高，這是由于后傾時電弧指向熔池測，電弧作用熔池時間長. 電弧長時間作用熔池產(chǎn)生大量高溫的金屬蒸氣進入到電弧中導(dǎo)致電弧體積增大，如圖5（d）. 由前述分析可知，在焊縫附近相同溫度測量點位置，后傾時溫度高于前傾時的溫度，且由高速攝像對比圖可知電弧后傾大于前傾時電弧體積.

2.2 焊槍傾角對熔滴過渡的影響

圖6為不同焊槍傾角下熔滴過渡圖，由6（a，b）可知.焊槍前傾60°時，焊絲在電弧熱的作用下開始熔化長大，熔滴過渡方向偏離焊絲軸線;前傾75°時，熔滴偏離焊絲軸線的程度減小; 由6（c）可知，當(dāng)焊槍角度垂直90°時，熔滴沿著焊絲軸線過渡至熔池，焊接過程中熔滴規(guī)則且無飛濺; 由6（d，e）可知，后傾75°時熔滴過渡過程中偏離焊絲軸線現(xiàn)象，呈現(xiàn)非軸向過渡; 后傾60°時熔滴過渡偏離焊絲軸線，并伴隨大量飛濺. 因此，焊槍前傾時熔滴過渡過程相對后傾時形態(tài)規(guī)則穩(wěn)定，且飛濺少.

圖7為不同焊槍傾角下熔滴過渡頻率. 由圖可以看出，焊槍前傾和后傾狀態(tài)下的熔滴過渡頻率隨著角度的增大，熔滴過渡頻率增大. 焊槍角度為90°時熔滴過渡頻率最高. 相同角度下，焊槍前傾時熔滴過渡頻率大于后傾熔滴過渡頻率，前傾相對后傾時熔滴過渡頻率平均增加32%.

熔滴的過渡頻率與熔滴的受力關(guān)系緊密，焊槍前傾和后傾的受力示意如圖8，纜式焊絲GMAW熔滴受力主要為重力Fg、電磁力Fem、表面張力Fσ、等離子流力Fa、金屬蒸氣力Fε和電弧旋轉(zhuǎn)力Fr. 由圖8可知，焊接過程中，促進熔滴脫落焊絲端部主要受重力與電磁力影響，其大小與焊接電流有關(guān)，與焊槍傾角無關(guān)，且阻礙熔滴過渡的主要作用力不受焊槍傾角影響，而金屬蒸氣力是焊槍傾角改變時影響熔滴過渡狀態(tài)的主要作用力.

在焊接過程中，電弧作用母材表面，母材吸收電弧能量被加熱、熔化和氣化，產(chǎn)生的金屬蒸氣影響熔滴過渡. 假設(shè)金屬蒸氣為不可壓縮流體，根據(jù)氣體動力學(xué)理論，應(yīng)滿足質(zhì)量流動守恒條件：

ρmvm=ρgvg（1）

式中：ρm為液態(tài)金屬密度，vm為液態(tài)金屬蒸發(fā)速度，ρg為金屬蒸氣密度，vg為金屬蒸氣噴發(fā)速率. 根據(jù)Semark模型，液態(tài)金屬的蒸發(fā)速率由液態(tài)金屬表面的溫度決定，其公式表示為^［14］：

vm=V0exp（-U/Ts）（2）

式中：V0為常數(shù)；U為計算值，U=MaLv/（NakB），Ma為氣體分子量，Lv為液態(tài)金屬蒸發(fā)潛熱，Na為阿伏伽德羅常數(shù)，kB為玻爾茲曼常數(shù)，Ts為液態(tài)金屬表面溫度. 可以得出液態(tài)金屬的蒸發(fā)速度和液態(tài)金屬表面溫度成正比，由式（1）和（2）可得金屬蒸氣的噴發(fā)速率公式為：

vg=ρmV0exp-U/Tsρg（3）

在勻速的流體中，金屬蒸氣對熔滴的反作用力可以根據(jù)斯托克斯理論表示為^［17］：

Fε=EDAρgv²g2（4）

式中：ED為與金屬蒸氣Reynold數(shù)有關(guān)的繞流阻力系數(shù)，A為垂直于流動方向上的物體投影面積，vg為金屬蒸氣噴出速率，ρg為金屬蒸氣密度. 由式（3）和（4）可得熔滴所受金屬蒸氣對熔滴的反作用力：

Fε=EDAρgρmV0exp-U/Ts/ρg²2（5）

由式（5）可知，金屬蒸氣作用力和液態(tài)金屬表面溫度成正比. 根據(jù)圖4溫度熱循環(huán)曲線可知，焊槍后傾溫度峰值高于焊槍前傾，由式（5）可知，焊槍后傾狀態(tài)下的蒸氣作用力大于前傾狀態(tài)下的作用力.

圖9為不同焊槍傾角熔滴受力示意圖，對比可知，在焊槍前傾和后傾時熔滴所受合力Ft在垂直方向分力Fx減小，相對焊槍角度90°時熔滴向下的合力小，熔滴過渡頻率低. 在焊槍前傾與后傾時，熔滴受到向垂直熔池方向的分力Fx，使得熔滴落入熔池會產(chǎn)生偏移，與圖6中不同傾角下的熔滴過渡圖像一致.

由圖9中不同傾角熔滴受力分析可知，熔滴可以實現(xiàn)過渡的受力可表示為：

（Fem-Fσ）sin θ+Fg-Fεgt;0（6）

由式（6）可知，相同角度下，F(xiàn)em和Fσ基本一致，F(xiàn)ε越大，熔滴過渡頻率越小. 由式（5）分析結(jié)果可知，相同傾角下，焊槍后傾熔滴所受金屬蒸氣作用力Fε大于前傾，因而焊槍前傾熔滴過渡頻率大于后傾狀態(tài)，與圖7中熔滴過渡規(guī)律一致.

由上述分析可知，在相同傾角下，焊槍后傾時受金屬蒸氣作用力大于前傾，熔滴受合力在垂直方向分力減小，熔滴過渡頻率低. 隨著焊槍傾角θ增加，熔滴垂直方向的合力增加，熔滴易于脫離焊絲端部，熔滴過渡頻率增加.

2.3 焊槍傾角對焊縫成形的影響

為掌握焊槍傾角對焊縫成形的影響，對不同焊槍傾角下焊縫成形進行對比分析.圖10為不同焊槍傾角下的焊縫成形與宏觀橫截面圖，由圖10（a～c）可以看出，焊槍前傾60°時，焊縫表面成形較好，焊縫寬度均勻; 焊槍前傾75°時，焊縫表面不光滑，焊縫寬度較為均勻; 當(dāng)焊槍為90°時，焊縫表面成形質(zhì)量最好，焊縫成形均勻，飛濺數(shù)量最少.

由圖10（d，e）可以看出，焊槍后傾75°時，焊縫表面成形相對焊槍前傾和垂直時不平整，焊縫寬度和高度不均勻. 當(dāng)焊槍后傾60°時，焊縫表面成形差，焊縫出現(xiàn)咬邊并出現(xiàn)大量大顆粒飛濺，且弧坑明顯. 因此，纜式焊絲GMAW在相同傾角下，焊槍前傾焊縫表面成形優(yōu)于焊槍后傾; 焊槍后傾隨焊槍角度減小焊縫成形逐漸變差，且易產(chǎn)生咬邊和大顆粒飛濺等缺陷.

圖11為不同焊槍傾角下的焊縫熔寬、熔深和余高對比圖，相同傾角 （60°和75°） 時，焊槍前傾相比焊槍后傾熔寬平均增加43%，熔深相比后傾熔深平均減小18%，余高相差較小. 由于焊槍前傾時的電弧和熔滴過渡指向母材未熔化側(cè)，電弧熱量沿熔寬和焊接方向擴展，熔池在熔寬方向鋪展性增大形成較大熔寬，由于焊槍前傾，焊接過程中焊槍向未熔化側(cè)移動，液態(tài)熔池受電弧作用時間相對較短，熱量向熔池底部傳遞較少形成較小熔深. 焊槍后傾時電弧和熔滴過渡方向指向熔池側(cè)，使電弧和熔滴作用熔池時間長，進而將更多熱量向熔池底部傳遞而形成更大熔深，伴隨熔池能量過大，易形成大顆粒飛濺和咬邊現(xiàn)象.

3 結(jié)論

文中研究了不同焊槍傾角對纜式焊絲氣保焊電弧形態(tài)、熔滴過渡行為和焊縫成形的特點和影響規(guī)律，基于實驗結(jié)果分析得出結(jié)論如下：

（1） 隨著焊槍傾角增加，電弧寬度降低. 相同焊槍傾角時，后傾比前傾電弧寬度大，但電弧穩(wěn)定性較前傾低，后傾時電弧寬度比前傾增加11%.

（2） 焊槍前傾和后傾時熔滴過渡頻率時隨著焊槍角度增加而增加，前傾時熔滴過渡頻率大于后傾. 相同焊槍傾角下，前傾相對后傾熔滴過渡頻率平均增加32%，熔滴軸線過渡和飛濺優(yōu)于后傾狀態(tài).

（3） 焊槍傾角為60°和75°時，前傾焊縫成形比后傾狀態(tài)下成形好，且飛濺和缺陷少. 焊槍前傾下的熔寬大于后傾下的熔寬，熔深相反，余高相差較小，熔寬平均增加43%.

參考文獻（References）

［1］ SPROESSER G，CHANG Y J，PITTNER A，et al. En-ergy efficiency and environmental impacts of high power gas metal arc welding［J］. The International Jour-nal of Advanced Manufacturing Technology，2017，91（9-12）： 3503-3513.

［2］ CHLUDZINSKI M，DOS SANTOS R E，ORTEGA-IGUA M，et al. Low energy pulsed-laser welding as a root pass in a GMAW joint： An investigation on the microstructure and mechanical properties［J］. Materials，2022，15（21）： 7741-7753.

［3］ CHEN Y，F(xiàn)ANG C，YANG Z，et al. Cable-type weldi-ng wire arc welding［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，94： 835-844.

［4］ LI J，LI H，WEI H，et al. Effect of torch position and angle on welding quality and welding process stability in Pulse on Pulse MIG welding-brazing of aluminum alloy to stainless steel［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，84（1/2/3/4）： 705-716.

［5］ PAL K，PAL S K. Study of weld joint strength usingsensor signals for various torch angles in pulsed MIG welding［J］. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2010，3（1）： 55-65.

［6］ SU C，CHEN X. Effect of depositing torch angle on the first layer of wire arc additive manufacture using cold metal transfer （CMT）［J］. Industrial Robot： the International Journal of Robotics Research and Application，Emerald Publishing Limited，2019，46（2）： 259-266.

［7］ 姚屏，唐賀清，徐梓惠，等. 焊槍傾角對機器人弧焊工藝影響規(guī)律的研究［J］. 熱加工工藝，2021，50（11）：124-127.

［8］ GIRINATH B，SHANMUGAM N S，SATHIYANARAYANAN C. Studies on influence of torch orientation on microstructure，mechanical properties and formability of AA5052 CMT welded blanks［J］. Archives of Civil and Mechanical Engineering，2020，20（1）：1-22.

［9］ 張占輝，薛家祥. 熔滴沖擊方向?qū)缚p質(zhì)量的影響［J］. 華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2019，47（4）：138-144.

［10］ YAO P，TANG H，ZHOU K，et al. Influence of inclin-ation of welding torch on weld bead during pulsed GMAW process［J］. Materials，2020，13（11）： 2652-2669.

［11］ YANG Z，F(xiàn)ANG C，WU M，et al. The mechanisms of arc coupling and rotation in cable-type welding wire CO2 welding［J］. Journal of Materials Processing Technology，2018，255： 443-450.

［12］ YANG Z，F(xiàn)ANG C，CHEN Y，et al. Effect of forces on dynamic metal transfer behavior of cable-type weldi-ng wire gas metal arc welding［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，97（1/2/3/4）： 81-90.

［13］ 方臣富，陳志偉，胥國祥，等. 纜式焊絲CO2氣體保護焊工藝研究［J］. 金屬學(xué)報，2012，48（11）： 1299-1305.

［14］ SEMAK V，MATSUNAWA A. The role of recoil pres-sure in energy balance during laser materials processi-ng［J］. Journal of Physics D Applied Physics，1999，30（18）：2541-2552.

（責(zé)任編輯：顧琳）