熔化極氣體保護焊熔滴過渡分析

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）

熔化極氣體保護焊熔滴過渡分析

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

熔化極氣體保護焊；熔滴過渡；高速攝影；波形分析法

0 前言

在熔化極電弧焊接過程中，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入熔池的過程稱為熔滴過渡。按照熔滴所經(jīng)歷的空間路徑不同，熔滴過渡可分為自由過渡、橋接過渡和渣壁過渡[1]。熔滴過渡的方式、熔滴尺寸和過渡頻率直接影響焊接效率、焊縫組織和焊縫形貌，因此，研究熔滴過渡對于改善焊接質(zhì)量、提高焊接效率具有重要意義。

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

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

1 試驗條件

試驗選用直徑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。焊絲伸出長度14 mm，焊槍垂直于試板。高速攝像機為奧林巴斯i-SPEED TR，最大幀率10 000 fps，試驗中設(shè)為5 000 fps，曝光時間設(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)擴束器后擴束為直徑15 mm的平行光束，光束經(jīng)焊絲和熔滴遮擋后的剩余光線經(jīng)中心波長為650±5 nm的濾光片后進入高速攝像機鏡頭，電弧兩側(cè)放置防濺玻璃以保護光學(xué)鏡片。因此，拍攝焊絲和熔滴的陰影像。電信號采集設(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，傳感器信號經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集卡（采樣速率為200 000 pps）后進入計算機，經(jīng)計算機處理輸出電壓和電流波形圖。試驗裝置如圖1所示。

圖1 研究熔滴過渡的試驗裝置

2 CO2氣體保護焊熔滴過渡分析

2.1 短路過渡

CO2氣體保護焊短路過渡圖像與波形如圖2所示。由于CO2氣體受熱分解時從電弧中吸熱導(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，促使熔滴從焊絲末端分離的電磁收縮力較弱，熔滴長大時間較長導(dǎo)致熔滴尺寸超過焊絲直徑，約是焊絲直徑的兩倍。電壓較小時，弧長較短，熔滴與焊絲末端分離之前與熔池接觸形成短路，過渡末期縮頸部分爆斷。其電流波形為間斷式尖峰狀，每個尖峰對應(yīng)一次短路過渡。其電流抖動幅度約為200 A，過渡頻率約為16 Hz。

圖2 CO2氣體保護焊短路過渡圖像與波形（21 V/120 A）

2.2 大滴排斥過渡

CO2氣體保護焊大滴排斥過渡的圖像與波形如圖3所示。由于CO2氣體對電弧的冷卻作用，熔滴仍呈現(xiàn)上撓。由于弧壓大導(dǎo)致弧長拉長，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，整個過程電弧并未熄滅。由于電弧力的增強使熔滴長大時間變長，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，縮頸部分爆斷產(chǎn)生飛濺。其電流和電壓波形均呈鋸齒狀，每個鋸齒對應(yīng)一次熔滴過渡。電流抖動幅度約為100 A，過渡頻率約為11 Hz。與短路過渡相比較，大滴排斥過渡頻率降低，飛濺增大。

3 氬氣保護焊熔滴過渡觀察與分析

3.1 短路過渡

氬氣保護焊的短路過渡圖像與波形如圖4所示。氬氣為惰性氣體，在電弧中并不分解，對電弧沒有冷卻作用。電弧呈鐘罩型，電弧作用在整個液態(tài)熔滴的表面，熔滴沿焊絲軸向長大。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，過渡末期縮頸處爆斷。電流波形呈間斷式尖峰狀，每個尖峰對應(yīng)一次短路過渡。電流抖動幅度約為150 A，過渡頻率約為2 Hz。相比CO2氣體保護焊的短路過渡，在相同的焊接電參數(shù)下，氬氣保護焊的短路過渡頻率低了很多，其原因是由于電弧與周圍的空氣接觸面積增大導(dǎo)致電弧熱量散失，使得焊絲熔化速度降低。

圖3 CO2氣體保護焊大滴排斥過渡圖像與波形(30 V/280 A)

圖4 氬氣保護焊短路過渡圖像與波形（21 V/120 A）

3.2 大滴過渡

氬氣保護焊的大滴過渡圖像與波形如圖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，故熔滴可以長大到超過焊絲直徑時才脫落。電弧仍呈鐘罩型，熔滴沿焊絲軸向長大、分離和滴落。由于電壓增大導(dǎo)致弧長拉長，熔滴與焊絲末端分離后經(jīng)電弧飛行一段距離落入熔池，其間沒有爆炸發(fā)生。電流波形呈波浪狀，每個波峰對應(yīng)一次熔滴過渡。電流抖動幅度約為50 A，過渡頻率約為20 Hz，比短路過渡大幅提高。

圖5 氬氣保護焊大滴過渡圖像與波形(22 V/160 A)

3.3 射滴過渡

氬氣保護焊的射滴過渡圖像與波形如圖6所示。當焊接電流超過某一臨界值（本試驗為170 A）時，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，焊絲末端開始呈現(xiàn)鉛筆尖狀。當電流增大時磁偏吹作用變得明顯，過渡熔滴開始偏離焊絲軸向。電流波形呈現(xiàn)波浪狀，抖動幅度約為20 A，過渡相當穩(wěn)定，無爆炸和飛濺產(chǎn)生，過渡頻率約為38 Hz，比大滴過渡時提高。

圖6 氬氣保護焊射滴過渡圖像與波形(25 V/180 A)

3.4 射流過渡

氬氣保護焊的射流過渡圖像與波形如圖7所示。由于焊接電流進一步增大，焊絲熔化速度也進一步加快。熔滴尺寸進一步變小，約為焊絲直徑的1/5，過渡頻率進一步加快，過渡熔滴成為一個連續(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，抖動幅度在10 A以內(nèi)。

圖7 氬氣保護焊射流過渡圖像與波形（28 V/290 A）

3.5 旋轉(zhuǎn)射流過渡

氬氣保護焊的旋轉(zhuǎn)射流過渡圖像與波形如圖8所示。由于焊接電流的增大，形成的導(dǎo)電液流在自身強磁場作用下發(fā)生螺旋形旋轉(zhuǎn)，從圖像上看到液流左右擺動呈現(xiàn)S形，實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渡出現(xiàn)一些波動，抖動幅度約在15 A。

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

4 結(jié)論

（1）當CO2氣體作為保護氣時，由于CO2分解對電弧產(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，過渡時會偏離焊絲軸向。當氬氣作為保護氣時，電弧擴展到整個液態(tài)熔滴表面，熔滴底部受力均勻，長大和滴落時均沿焊絲軸向。

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

（3）在氬氣保護焊中，熔滴過渡從滴狀過渡轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚溥^渡時存在臨界電流。在本試驗中，1.2 mm碳鋼焊絲在氬氣保護時的臨界電流約為170 A。

[1] Liu S，Siewert T A.Metal transfer in gas metal arc welding：droplet rate[J].Welding Journal，1989，68（2）：52-58.

[2]李桓，李國華，李俊岳，等.熔化極電弧焊溶滴過渡過程的高速攝影[J].中國機械工程，2002，13（9）：796-798.

[3]王寶，楊林，王勇.藥芯焊絲CO2焊熔滴過渡現(xiàn)象的觀察與分析[J].焊接學(xué)報，2006，27（7）：77-80.

[4]蔣元寧，陳茂愛，武傳松.CO2焊電參數(shù)與熔滴過渡圖像同步采集分析系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報，2013，34（2）：63-66.

[5] Wang Q L，Li P J.Arc light sensing of droplet transfer and its analysis in pulsed GMAW process[J].Welding Journal，1997，76（11）：458-469.

[6]楊運強，張曉琪，李俊岳，等.焊接電弧熔滴過渡特征光譜窗口的選擇[J].焊接學(xué)報，2004，24（1）：14-18.

[7]Saini D，F(xiàn)loyd S.An investigation of gas metal arc welding sound signature for on-line quality control[J].Welding Journal，1998，77（4）：172-179.

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

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

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