三絲焊接參數(shù)對(duì)電弧形態(tài)特征的影響

馬曉麗， 徐 琛， 王偉成， 華學(xué)明

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

多絲焊接工藝主要包括縱列多絲焊、橫列多絲焊、預(yù)熱填絲焊接、串聯(lián)多絲焊等方法[1-3].其焊接原理是在維持焊接線能量不變的情況下，采用多根焊絲同時(shí)焊接.這種焊接方式可以使更多的熔覆金屬填滿弧坑，從而達(dá)到提高焊接速度的目的.但是，多絲焊接在提高焊接效率的同時(shí)也存在一定的問(wèn)題：相對(duì)于單絲焊接，由于多電弧之間存在電磁力作用，電弧之間相互干擾，電弧形態(tài)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，使得焊接過(guò)程穩(wěn)定性降低，甚至變得不可控[4-7]，所以改善多絲焊接的穩(wěn)定性對(duì)提高焊縫成形質(zhì)量有著不可忽視的作用[8-10].

多絲焊接的電弧形態(tài)特征可作為評(píng)定焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定性的重要依據(jù).本文通過(guò)自搭建的三絲焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了主要焊接參數(shù)對(duì)電弧形態(tài)特征的影響，其中工藝參數(shù)主要包括焊接電流和焊絲距離.

1 試驗(yàn)方法及條件

利用三絲焊接平臺(tái)進(jìn)行高速攝影采集，高速攝影系統(tǒng)主要包括高速動(dòng)態(tài)攝影儀、采集卡和微距鏡頭.在高速攝影采集過(guò)程中，微距鏡頭外接在高速攝影儀上，并通過(guò)采集卡將拍攝圖片傳輸?shù)诫娔X中.由于電弧亮度較強(qiáng)，為了避免使用微距鏡頭拍攝時(shí)，出現(xiàn)圖像亮度溢出的現(xiàn)象，在微距鏡頭外接一對(duì)偏振鏡，從而起到降低入射光強(qiáng)的作用.為了減小更為復(fù)雜的因素對(duì)電弧形態(tài)的影響，在焊接過(guò)程中采用定點(diǎn)焊接法，即高速攝影裝置固定不動(dòng)，焊接鋼板固定在焊接夾具上，以完成對(duì)電弧形態(tài)的實(shí)時(shí)拍攝.其中，高速攝影的拍攝速度為500幀/s.焊接時(shí)，在起弧之前開始采集信號(hào)，熄弧之后信號(hào)采集結(jié)束，然后保存采集信號(hào)數(shù)據(jù)，最后將高速攝影信息在顯示器上實(shí)時(shí)顯示.焊接母材采用低碳鋼鋼板，板厚12 mm；焊接氣體中Ar和CO2的體積分?jǐn)?shù)分別為80%和20%， 流量為20 L/min； 焊絲牌號(hào)為JM53，直徑Φ為1.2 mm；極性組合為DCEP/DCEP/DCEP，其中DCEP為母材接負(fù).三絲焊接時(shí)沿焊接方向依次為引導(dǎo)焊槍、中間焊槍和跟隨焊槍，實(shí)驗(yàn)中焊接參數(shù)方便可調(diào).

本文中設(shè)定的焊接參數(shù)主要包括焊接電流和焊絲距離，組合方式見(jiàn)表1.其中，焊接電流組合順序?yàn)橐龑?dǎo)焊絲電流、中間焊絲電流、跟隨焊絲電流，分別設(shè)置400，300 A共2個(gè)參數(shù)，共8種組合方式；焊絲距離組合順序?yàn)橐龑?dǎo)焊絲與中間焊絲距離、中間焊絲與跟隨焊絲距離，分別設(shè)置20，25，30 mm共3個(gè)參數(shù)，共9種組合方式.

表1 焊接參數(shù)組合方式Tab.1 Combination of welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

多電弧形態(tài)特征可作為評(píng)價(jià)電弧穩(wěn)定性的依據(jù).本文將電弧形態(tài)參數(shù)分為電弧高度(H)、電弧面積(S)和電弧偏移量(L).通過(guò)以往大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電弧形態(tài)參數(shù)波動(dòng)越小，電弧燃燒越穩(wěn)定.

2.1 三絲焊接參數(shù)對(duì)電弧高度的影響

圖1為焊接電流組合400 A/300 A/300 A，焊絲距離組合為20 mm/20 mm時(shí)不同時(shí)刻的電弧高速攝影拍攝實(shí)例.當(dāng)焊接參數(shù)固定時(shí)，引導(dǎo)電弧、中間電弧和跟隨電弧的高度不隨時(shí)間變化.為了量化電弧形態(tài)特征，基于LabVIEW的數(shù)字圖像處理技術(shù)，將電弧高度特征進(jìn)行提取，討論不同焊接工藝參數(shù)條件對(duì)焊接電弧高度的影響規(guī)律.

圖1 不同時(shí)刻的三絲焊接電弧高速攝影拍攝實(shí)例Fig.1 High-speed photography of arc using triple-wire welding at different times

圖2為不同焊接參數(shù)條件下的電弧高度，其中圖2(a)為焊接電流組合對(duì)電弧高度的影響，HL，HM，HT分別為引導(dǎo)電弧、中間電弧和跟隨電弧的電弧高度.發(fā)現(xiàn)焊接電流為400 A時(shí)的電弧高度小于300 A時(shí)的，這是由于當(dāng)采用大電流焊接時(shí)，熔滴過(guò)渡形式已轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鬟^(guò)渡[8]，熔滴過(guò)渡頻率加快，熔池熔覆的焊縫金屬增多，電弧力對(duì)熔池的挖掘作用使電弧產(chǎn)生了“潛弧現(xiàn)象”，所以電弧高度顯著減小.此外，圖2(b)定量計(jì)算了焊絲距離對(duì)電弧高度的影響，但影響規(guī)律并不明顯.由此可見(jiàn)，電弧高度與焊接電流的設(shè)定有著直接的關(guān)系，而受焊絲距離的影響不大.

圖2 不同焊接參數(shù)條件對(duì)電弧高度的影響Fig.2 Effect of different welding parameters on arc heights

2.2 三絲焊接參數(shù)對(duì)電弧面積的影響

圖3所示為不同焊接電流組合(圖3(a))和不同焊絲距離組合(圖3(b))條件下的瞬時(shí)高速攝影照片.不同焊接參數(shù)條件下，電弧均發(fā)生了不同程度的偏移，且電弧面積呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性.為了量化電弧面積的變化，在電弧穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下，基于LabVIEW軟件的圖像預(yù)處理、識(shí)別和理解功能，對(duì)選取的不同時(shí)刻的各10張高速攝影照片進(jìn)行圖像處理，采用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示電弧面積的波動(dòng)性.在預(yù)處理中，根據(jù)三絲焊接電弧的灰度特點(diǎn)，設(shè)定電弧面積計(jì)算閾值為100～255.利用LabVIEW圖像處理模塊對(duì)高速攝影照片進(jìn)行膨脹處理和腐蝕的編程處理，實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別功能.最后提取電弧主要信息，得到電弧面積的像素值.根據(jù)已知的焊絲距離與像素值的關(guān)系[8]，將電弧面積像素值進(jìn)行比例計(jì)算轉(zhuǎn)換得到實(shí)際的電弧面積值.

圖3 不同焊接參數(shù)條件下的三絲焊接電弧瞬時(shí)高速攝影實(shí)例Fig.3 Instantaneous high-speed photography of arc using triple-wire welding at different welding parameters

圖4為焊接電流組合對(duì)電弧面積的影響.其中，SL，SM，ST分別為引導(dǎo)電孤、中間電孤、跟隨電孤的面積.和焊接參數(shù)對(duì)電弧高度的影響規(guī)律相似，焊接電流為400 A時(shí)的電弧面積小于300 A時(shí)的，且跟隨電弧面積最小.圖5為焊絲距離組合對(duì)電弧面積的影響，引導(dǎo)焊絲與中間焊絲距離(DE1)分別為20， 25，30 mm時(shí)，由電弧的面積統(tǒng)計(jì)可知：當(dāng)固定引導(dǎo)焊絲與中間焊絲距離時(shí)，隨著中間焊絲與跟隨焊絲距離的增大，引導(dǎo)電弧面積的變化規(guī)律不明顯，跟隨電弧的面積變化不大，而中間電弧的面積逐漸減小.這是因?yàn)楫?dāng)焊絲距離為20 mm時(shí)，中間電弧受到引導(dǎo)電弧和跟隨電弧電磁力的共同作用，使得電弧發(fā)生膨脹，電弧面積增大；但隨著焊絲距離繼續(xù)增大至25 mm直至30 mm時(shí)，電弧受到的電磁力疊加作用逐漸減小，電弧干擾作用隨之減小，從而使中間電弧面積減小.

圖4 焊接電流組合對(duì)電弧面積的影響Fig.4 Effect of welding current combinations on arc areas

圖5 焊絲距離組合對(duì)電弧面積的影響Fig.5 Effect of wire-to-wire distance combinations on arc areas

2.3 三絲焊接參數(shù)對(duì)電弧偏移量的影響

任一電弧受到另外兩個(gè)電弧的電磁力作用可能會(huì)發(fā)生偏移現(xiàn)象，引導(dǎo)電弧、中間電弧和跟隨電弧偏移量的計(jì)算公式[2]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：IL，IM，IT分別為引導(dǎo)電弧、中間電弧和跟隨電弧的焊接電流；DE1，DE2，DE分別為引導(dǎo)焊絲和中間焊絲的距離、中間焊絲和跟隨焊絲的距離、引導(dǎo)焊絲和跟隨焊絲的距離.

圖6為焊接電流組合對(duì)電弧偏移量的影響.根據(jù)式(2)的電弧偏移量計(jì)算公式可知，當(dāng)焊絲距離相同時(shí)，中間電弧偏移量受引導(dǎo)電流與跟隨電流之差的影響，差值越大，偏移量也越大.所以當(dāng)焊接電流組合為400 A/400 A/400 A，300 A/400 A/300 A，300 A/300 A/300 A，400 A/300 A/400 A，即引導(dǎo)電流與跟隨電流的差值為0時(shí)，中間電弧的偏移量也為0，即LM=0.除此之外，無(wú)論是引導(dǎo)電弧、中間電弧還是跟隨電弧，焊接電流為400 A時(shí)的電弧偏移量均小于300 A時(shí)的電弧偏移量，這是因?yàn)樵O(shè)置的焊接電流大，則抵抗其他電弧干擾的能力增強(qiáng)，與實(shí)際高速攝影拍攝的結(jié)果一致.

圖6 焊接電流組合對(duì)電弧偏移量的影響Fig.6 Effect of welding current combinations on arc deflections

圖7為焊絲距離對(duì)電弧偏移量的影響，引導(dǎo)焊絲與中間焊絲的距離分別為20，25，30 mm時(shí)，根據(jù)引導(dǎo)電弧、中間電弧和跟隨電弧的偏移量可知，焊絲距離為20，25 mm時(shí)電弧的偏移量范圍為0.8 mm左右，而隨著焊絲距離增至30 mm時(shí)，電弧的偏移量范圍下降至0.6 mm左右.偏移量的降低說(shuō)明隨著焊絲距離的增大，多電弧之間的干擾作用降低，焊接過(guò)程越來(lái)越穩(wěn)定.

圖7 焊絲距離對(duì)電弧偏移量的影響Fig.7 Effect of wire-to-wire distance combinations on arc deflections

3 結(jié)論

(1) 電弧高度與焊接電流的設(shè)定有著直接關(guān)系，而受焊絲距離的影響不大，且無(wú)顯著波動(dòng).當(dāng)引導(dǎo)電流和跟隨電流相等時(shí)，中間電弧不發(fā)生偏移，且焊接電流為400 A時(shí)的電弧高度、電弧面積和電弧偏移量均小于300 A時(shí)的.這是因?yàn)椴捎么箅娏骱附訒r(shí)，由于熔池熔覆的焊縫金屬增多，電弧對(duì)熔池挖掘作用產(chǎn)生了“潛弧現(xiàn)象”.且當(dāng)焊接電流較大時(shí)，電弧抵抗干擾的作用強(qiáng)，電弧偏移量小.因此，在保證電弧穩(wěn)定燃燒的前提下，采用大電流焊接可以同時(shí)提高焊接熔覆率和電弧穩(wěn)定性.

(2) 當(dāng)固定引導(dǎo)焊絲和中間焊絲距離時(shí)，隨著中間焊絲與跟隨焊絲距離的增大，引導(dǎo)電弧面積的變化規(guī)律不明顯，中間電弧的面積逐漸減小，而跟隨電弧的面積變化不大.此外，在相同的焊接電流組合條件下，隨著焊絲距離增大，電弧干擾作用減小，其中電弧的偏移量減小最顯著.