脉动送丝MIG焊的熔滴过渡及焊缝成形分析

脉动送丝MIG焊的熔滴过渡及焊缝成形分析

朱宵阳1， 李 桓1， 黄超群1， 杨 珂1， 倪雁冰2， 王国栋2

(1. 天津大学 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072; 2. 天津大学 机械工程学院，天津 300072)

摘 要：文中在等速送丝MIG焊基础上，搭建了脉动送丝MIG焊系统，利用焊接电流电压信号采集系统以及高速摄像等设备对焊接过程进行检测，研究了脉动送丝对MIG焊熔滴过渡及焊缝成形的影响. 结果表明，试验发现，脉动送丝条件下熔滴所受轴向机械力是影响熔滴过渡形式的关键因素. 在相同的脉动送丝频率下，脉动送丝速度基值与峰值时熔滴过渡形式有所差异；随着脉动送丝频率的改变，熔滴过渡形式也会发生变化；相比于等速送丝，脉动送丝条件下形成的焊缝熔宽更宽，且随着脉动送丝频率的增加，熔宽逐渐增大.

关键词：脉动送丝MIG焊；脉动送丝频率；熔滴过渡；熔滴受力分析；焊缝成形

0 序 言

随着工业的迅猛发展，高效MIG焊接方法得到更加广泛的应用，其焊接系统中送丝部分发挥着重要作用. 近年来，焊接送丝技术日益进步，其中对脉动送丝的研究较为显著. 杨世彦等人[1]研究了脉动送丝在MAG焊中的应用明显降低了射流过渡的临界电流值，有效的提高了焊丝熔化效率；黄钧等人[2]提出脉动送丝作为一种新型送丝方法即将越来越得到广泛应用；杨帅等人[3]研究了基于可编程多轴运动控制器(programmable multi-Axis controller, PMAC)的交流伺服CO2脉动送丝系统，可以满足短路过渡CO2焊接要求，有效地减少了焊接过程中的飞溅；文献[4,5]中学者设计了一套采用脉动送丝和钨极摆动同步控制技术的脉动送丝系统，很好地解决了管道全位置焊接问题. 但目前国内外对脉动送丝的研究主要集中在送丝结构的设计和开发上，对脉动送丝条件下熔滴过渡和焊缝成形的研究较少. 试验在等速送丝MIG焊的基础上，对脉动送丝MIG焊接的熔滴过渡和焊缝成形进行了探究分析.

1 试验方法

试验用设备为Lincoln V300-I焊机，振康半自动送丝机，PHOTRON FASTCAM Super 10KC高速摄像机，自主研发的MK-03型脉冲控制器. 为了更好的研究分析脉动送丝对MIG焊接过程的影响，采用高速摄像与电信号同步采集系统对焊接过程进行检测，其中高速摄像的速度为1 000 幅/s，电信号采集频率为500 kHz. 试验系统装置图如图1所示.

图1 脉动送丝MIG焊焊接系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of pulsed wire feeding MIG welding system

试验所用材料为Q235，规格为235 mm×96 mm×11 mm，焊丝直径为1.2 mm的H08Mn2SiA焊丝，焊接速度为4 mm/s，保护气体为99.99%氩气，气流量为15 L/min. 试验中利用脉冲控制器控制送丝来实现脉动送丝，使送丝速度发生周期性变化[2]，脉动送丝速度v与时间t的关系如图2所示，脉动送丝速度基值vmin与峰值vmax按照一定的规律交替变化.

图2 脉动送丝速度变化过程

Fig.2 Change process of pulsed wire feeding speed

2 结果及讨论

2.1 脉动送丝MIG焊与等速送丝MIG焊电压电流信号的比较

图3所示分别为等速送丝与脉动送丝下的电压电流信号图.

图3 脉动送丝与等速送丝MIG焊接电信号对比

Fig.3 Comparison of electrical signal of pulse wire feeding and constant speed wire feeding MIG welding

相比于等速送丝条件下的电压电流信号，由于脉动送丝是周期性的送丝方式，故其电压电流信号也存在显著的周期波动性. 焊接参数如表1，表2所示.

表1 焊机相关参数

Table 1 Welding machine parameters

脉冲频率f/Hz脉冲占空比D(%)预设峰值电压Umax/V预设基值电压Umin/V60503821

表2 送丝系统相关参数

Table 2 Parameters of wire feed system

脉动送丝脉冲占空比(%)预设脉动送丝速度基值vmin/(m·min-1)预设脉动送丝速度峰值vmax/(m·min-1)等速送丝速度v/(m·min-1)503.04.63.3

2.2 脉动送丝频率f变化对MIG焊熔滴过渡的影响

图4为不同脉动送丝频率下送丝速度基值、峰值时的熔滴过渡图像. 可以看出，等速送丝条件下(可认为脉动送丝频率为0 Hz)的熔滴过渡形式为稳定的一脉一滴过渡；当脉动送丝频率分别为1 Hz和2 Hz时，在脉动送丝速度为基值时熔滴过渡形式为一脉一滴过渡，且脉动送丝为2 Hz下的熔滴尺寸比1 Hz时更小，在峰值送丝速度时熔滴过渡形式为射流过渡；当频率增大到3 Hz时，熔滴过渡形式发生明显的变化，送丝速度基值下熔滴过渡形式为射流过渡，峰值送丝速度下熔滴过渡形式为射流过渡和短路过渡的混合过渡形式；当频率为4 Hz时，基值送丝速度下仍是明显的射流过渡，而在峰值送丝速度下则为不稳定的短路过渡.

之所以会产生上述过渡形式变化现象，结合熔滴过渡的动力学理论[6,7]，对熔滴进行受力分析，如图5所示.

重力是熔滴过渡的促进力，其表达式为

(1)

式中:rd为熔滴半径；ρ为熔滴密度；g为重力加速度. 表面张力Fσ阻碍熔滴向熔池过渡，其表达式为

Fσ=2πRσ

(2)

式中:R为焊丝半径;σ为表面张力系数.

等离子流力会促进熔滴过渡，表达式为

(3)

式中:vf为等离子流体速度;ρf为等离子流体密度;Cd为阻力系数. 对于电磁力，其表达式为

图4 不同脉动送丝频率下送丝速度基值峰值下的熔滴过渡

Fig.4 Transfer of droplet under different pulsed wire feeding frequency

(4)

式中:μ0是真空磁导率;θ为弧根角度;rd为熔滴半径; I为焊接电流;rw为电极半径.

F为脉动送丝产生的轴向机械力，其大小与脉冲控制器的峰值、基值及脉冲频率等参数有关.

图5 脉动送丝MIG焊熔滴受力分析示意图

Fig.5 Forces analysis of droplet of pulsed wire feeding MIG welding

当满足以下不等式

∑F=F+G+Fem+Fa>Fσ

(5)

熔滴会下落到熔池.

严格地说，焊接过程中熔滴的脱离是作用于其上面的力和惯性动量联合作用的结果. 熔滴的长大和脱离是连续发生的，假定熔滴达到临界降落位移时的临界质量是mc，熔滴的脱离质量为Δm. 则熔滴脱离质量的动态表达式为

Δm=λmcvc

(6)

式中:λ为待定系数;vc为焊丝末端熔滴的临界振荡速度[8].

在脉动送丝MIG焊接过程中，表面张力的大小是一定的. 由于与等速送丝焊接方式相比，脉动送丝焊接过程中熔滴除正常的受力状态，还会受到促进其向熔池过渡的轴向机械力，结合以上对熔滴的受力分析及惯性动量表示可得出：脉动送丝MIG焊可实现熔滴在尺寸相对较小的状态下完成向熔池过渡，从而达到细化熔滴的效果，这是由于当脉动送丝频率较低时，单位时间内给熔滴的机械能相对较少，这时需要熔滴在较大自身重力作用下过渡到熔池，从而熔滴体积相对较大；随着脉动送丝频率的增加，单位时间内的机械能也相对增加，这时熔滴来不及长大就会从焊丝端部脱落进入熔池.

由于熔滴会受到向下振荡速度的惯性动量，从而起到降低射流过渡临界电流的作用. 随着脉动送丝频率的增加，轴向力相对增大，使得射流过渡的临界电流值进一步减小，故在当脉动送丝频率为3和4 Hz时，送丝速度基值下就出现射流过渡.

脉动送丝频率为4 Hz且送丝速度处于峰值时，结合电压电流信号图得知此时焊接功率较小，故产生热量较少，熔滴不能快速长大，且随着熔滴的增大，电弧向焊丝传递的热量减少，使焊丝的熔化速度降低，而焊丝此时以较快的速度送进，使得焊丝端部熔滴与熔池接触，故在脉动送丝峰值下的过渡形式为不稳定的短路过渡[9].

2.3 脉动送丝与等速送丝MIG焊焊缝成形的比较

图6分别为等速送丝及脉动送丝频率为1，2，3，4 Hz条件下焊道成形图片. 其焊接参数表1，表2所示.

图6 等速送丝与不同脉动送丝频率条件下的焊缝成形

Fig.6 Weld bead formation under different pulsed wire feeding frequency

与等速送丝条件下比较，焊缝熔宽增大；且在相同的脉动送丝速度峰值基值下随着脉动送丝频率的增加焊缝熔宽逐渐增大.

对不同脉动送丝频率下平均焊接电压进行分析，得出两者关系如图7所示：当脉动送丝频率不超过4 Hz时，平均焊接电压随脉动送丝频率的增加而增大，当频率达到4 Hz并增加时，电压基本不变.

焊接电压是影响熔宽的主要因素. 其它条件一定时，随着脉动送丝频率的增加，平均焊接电压也增大，即电弧长度相对增加，使电弧斑点移动范围扩大，从而导致熔宽增加[9].

图7 平均焊接电压与脉动送丝频率的关系

Fig.7 Relationship between average welding voltage and pulsed wire feeding frequency

3 结 论

(1) 脉动送丝频率对脉动送丝速度峰值基值下MIG焊熔滴过渡形式有明显的影响. 脉动频率2 Hz时，基值送丝速度下熔滴过渡形式为稳定的一脉一滴过渡，熔滴尺寸较小；频率高于2 Hz时，熔滴过渡逐渐变得不稳定，峰值送丝速度下出现了部分短路过渡. 熔滴所受轴向机械力是影响熔滴过渡形式的关键因素.

(2) 与等速送丝相比，脉动送丝条件下焊缝熔宽更宽，且随着脉动送丝频率的增加，焊缝熔宽逐渐增加，铺展性更加良好.

参考文献：

[1] 杨世彦， 张海波， 刘景全. 新型脉动送丝MAG焊的研究[J]. 电焊机, 1997, 27(3): 16-18.

Yang Shiyan, Zhang Haibo, Liu Jingquan. Study on MAG welding with new type pulsating feeder[J]. Electric Welding Machine, 1997, 27(3): 16-18.

[2] 黄 钧， 王国荣， 钟继光， 等. 气体保护焊中的几种新型送丝方法[J]. 电焊机, 2005, 35(4): 10-13.

Huang Jun, Wang Guorong, Zhong Jiguang, et al. Several new methods for wire feeding in gas-shielded welding[J]. Electric Welding Machine, 2005, 35(4): 10-13.

[3] 杨 帅， 刘 嘉， 闫思博， 等. 基于PMAC的交流伺服CO2脉动送丝系统的研究[J]. 电焊机, 2009, 39(2): 62-66.

Yang Shuai, Liu Jia, Yan Sibo, et al. Study on AC servo CO2 pulsed feeding system based on PMAC[J]. Electric Welding Machine, 2009, 39(2): 62-66.

[4] 刘立军， 逯云龙， 韩永馗. 厚壁管窄间隙全位置焊接脉动送丝系统设计[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2000, 15(5): 47-49.

Liu Lijun, Lu Yunlong, Han Yongkui. Design on a pulsed wire feeding control system of all-position narrow gap and thick-walled pipe welding[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2000, 15(5): 47-49.

[5] Vikulik. Orbital arc welding pipeline[J]. Welding International, 1993, 7(11): 901-903.

[6] Li K H, Wu C S． Mechanism of metal transfer in DE-GMAW[J]. Journal of Material Science and Technology, 2009, 25(3): 415-418．

[7] Ali R D T, Seyed K H S, Naser Pariz. Frequency control of the drop detachment in the automatic GMAW process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 216: 248-259.

[8] 武传松， 陈茂爱， 李士凯. GMAW焊接熔滴长大和脱离动态过程的数学分析[J]. 机械工程学报, 2006, 42(2): 76-81.

Wu Chuansong, Chen Maoai, Li Shikai. Dynamic analysis of droplet growth and detachment in GMAW[J]. Chinese Journal of Mec-hanical Engineering, 2006, 42(2): 76-81.

[9] 李 桓， 杨立军. 连接工艺[M]. 北京： 高等教育出版社, 2010.

收稿日期：2016-12-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475325)；国家科技支撑计划课题资助项目(2014BAF12B00)；天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(14JCYBJC19100)

作者简介：朱宵阳，男，1992年出生，硕士. 主要从事脉动送丝MIG焊接工艺的研究. Email： [email protected]

通讯作者：倪雁冰，男，博士，副教授. Email： [email protected]

中图分类号：TG 444+.2

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)10-0059-05