CMT能量輸入特點(diǎn)與熔滴過(guò)渡行為

張洪濤，馮吉才，胡樂(lè)亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東威海264209，Email:hitzht@yahoo.com.cn)

CMT能量輸入特點(diǎn)與熔滴過(guò)渡行為

張洪濤，馮吉才，胡樂(lè)亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東威海264209，Email:hitzht@yahoo.com.cn)

為分析CMT焊接方法的工藝特點(diǎn)，采用高速CCD攝像機(jī)建立了電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡視覺(jué)傳感系統(tǒng)并且通過(guò)電流、電壓傳感器建立了波形采集系統(tǒng)，以此分析其能量輸入特點(diǎn)和熔滴過(guò)渡行為.結(jié)果顯示，CMT焊接波形控制呈現(xiàn)典型的直流脈沖特征，焊接時(shí)熱輸入較低;在CMT短路過(guò)渡過(guò)程中，熔滴尺寸隨焊接電流的增加幅度不大，將熔滴尺寸控制在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短路過(guò)渡.CMT短路過(guò)渡通過(guò)焊絲回抽，避免了大的電磁力，有效地消除了飛濺.當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，其過(guò)渡形式將轉(zhuǎn)變?yōu)樯涞芜^(guò)渡和短路過(guò)渡的混合過(guò)渡.

CMT;熔滴過(guò)渡;能量輸入;電弧形態(tài)

雖然MIG焊是一種應(yīng)用廣泛、效率較高的焊接工藝，但由于傳統(tǒng)MIG焊熱輸入量高、變形大、飛濺無(wú)法避免等缺點(diǎn)，因而限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在1 mm以下的薄板和異種金屬連接方面具有明顯的劣勢(shì)［1－3］.CMT(Cold metal transfer)冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)作為一種無(wú)焊渣飛濺的新型焊接工藝技術(shù)，這種技術(shù)主要采用外加回抽力促進(jìn)熔滴發(fā)生短路過(guò)渡，同時(shí)在電壓電流的波形控制方面進(jìn)行了改進(jìn)，極大地限制了焊接熱輸入.許多學(xué)者對(duì)CMT方法連接薄板及超薄板進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)此方法可以明顯減小焊接熱輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄板和超薄板的良好連接［4，5］.同時(shí)這種低熱輸入的特性也決定了CMT同樣適于連接異種金屬接頭［6－9］.但是截止目前關(guān)于CMT的研究主要集中在工藝適用性方面，而對(duì)于其熔滴過(guò)渡行為及能量輸入特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道.對(duì)于弧焊的熔滴過(guò)渡及電弧加熱行為進(jìn)行研究一般采用CCD高速攝像技術(shù)作為主要手段［10－12］，因此本文采用高速CCD攝像機(jī)建立CMT焊接時(shí)的電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡視覺(jué)傳感系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器建立電流電壓波形采集系統(tǒng)，以此來(lái)分析CMT焊接時(shí)的能量輸入特點(diǎn)和熔滴過(guò)渡行為.

1 試驗(yàn)方法

如圖1是電弧形態(tài)視覺(jué)傳感系統(tǒng)示意圖，主要包括高速攝像機(jī)、濾光片、圖像采集卡等組成.

電流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由HY－1232數(shù)據(jù)采集卡、電壓傳感器、電流傳感器LT300和計(jì)算機(jī)組成.數(shù)據(jù)采集程序用C++編寫(xiě)，采集時(shí)，由數(shù)據(jù)采集卡輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)高速攝像并同時(shí)自身啟動(dòng)信號(hào)采集.同時(shí)，也通過(guò)高速CCD攝像機(jī)建立熔滴過(guò)渡圖像采集系統(tǒng).試驗(yàn)中采用背光陰影法拍攝焊接時(shí)的熔滴過(guò)渡過(guò)程.CMT熔滴過(guò)渡視覺(jué)傳感系統(tǒng)主要有3000W背光氙燈、濾光片、減光片、高速CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成.如圖2給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 電弧圖像和電流電壓波形同步采集系統(tǒng)示意圖

圖2 熔滴過(guò)渡圖像采集系統(tǒng)

在熔滴過(guò)渡圖像采集系統(tǒng)中，背光光源采用的是3000W的氙燈，通過(guò)反光凹面鏡的作用，可以發(fā)出近似平行光，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由它作為背光光源來(lái)獲得熔滴的陰影圖像.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的濾光片分別是665nm和1024nm的干涉濾光片，由二者聯(lián)合作用可以濾去大部分電弧光，再通過(guò)減光片和攝像機(jī)光圈的作用就可得到一個(gè)亮度合適的熔滴圖像.為了獲得一個(gè)大小、亮度合適，清晰的熔滴圖像，需要調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)的焦距及前后移動(dòng)高速攝像機(jī)來(lái)獲得清晰的焊絲圖像，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背景光源的電流為60A時(shí)可以獲得最佳圖像.高速攝像機(jī)的攝像頻率為955幀/秒，拍攝時(shí)由數(shù)據(jù)采集卡輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)高速攝像與數(shù)據(jù)采集同時(shí)進(jìn)行.焊接設(shè)備采用Fronius公司生產(chǎn)的CMT焊機(jī)，焊接移動(dòng)裝置為Motoman焊接機(jī)器人.焊接中采用氬氣作為保護(hù)氣體，氣體流量15L/min.采用Al－Si合金焊絲作為填充金屬，焊絲直徑1.2mm.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CMT波形控制與能量輸入

2.1.1 CMT波形控制與電弧形態(tài)

CMT通過(guò)特殊的焊絲運(yùn)動(dòng)促進(jìn)熔滴過(guò)渡，焊絲的回抽消除了短路過(guò)渡時(shí)對(duì)電磁能量的要求，因此在短路的時(shí)候，電流無(wú)需升高到很高的電流值，熔滴依靠焊絲的回抽過(guò)渡到熔池中.如圖3所示為電流40A時(shí)采集到的一個(gè)周期內(nèi)的CMT電流電壓波形圖.從波形圖上可以看到，波形直流脈沖特征明顯，電流脈沖峰值時(shí)間短，脈沖基值時(shí)間長(zhǎng).

圖3 電流電壓波形控制/電流40A

通過(guò)圖3可以看到CMT焊接的波形控制具有如下特點(diǎn)，整個(gè)周期可以分為2段，a－c段為燃弧階段，c－d段為短路階段.而其中a－b段為燃弧初期，在這個(gè)階段，電流迅速增加到一個(gè)較大的值，主要是為了保證電弧的順利引燃，并且加熱焊絲來(lái)形成熔滴，該電流記作脈沖峰值電流Ih，在經(jīng)過(guò)脈沖時(shí)間到達(dá)燃弧后期，電流急劇降低，此時(shí)將焊接電流記為基值Ij直到短路發(fā)生，在短路的時(shí)候，電流只是略有增加，這和傳統(tǒng)MIG短路過(guò)渡的波形有較大的差別，這個(gè)電流可以促進(jìn)短路過(guò)渡液相橋順利的破斷，同時(shí)保證后續(xù)的焊絲回抽拉斷液橋瞬間電弧的順利再引燃.而在傳統(tǒng)短路MIG焊接中，當(dāng)液相橋和熔池發(fā)生短路以后，為了促進(jìn)液相橋的失穩(wěn)破斷，不得不依靠電流的迅速攀升提高施加在液相橋上的電磁力，通過(guò)電磁力使熔滴過(guò)渡到熔池中.

傳統(tǒng)MIG短路過(guò)渡的電流和電壓波形如圖4所示，短路電流幾乎是燃弧電流的4－5倍，傳統(tǒng)MIG短路過(guò)渡正是通過(guò)高的短路電流給予液相橋很大的電磁力，從而使得液相橋破斷，金屬過(guò)渡到熔池中.

2.1.2 CMT電弧加熱與能量輸入特點(diǎn)

熔化焊接時(shí)的焊接熱輸入與焊接電弧互為因果，考察CMT焊接的電弧特征，可以直觀地揭示其焊接熱輸入特點(diǎn).

平均電流40A時(shí)的電弧形態(tài)如圖5所示.可以看到，CMT焊接時(shí)電弧的形態(tài)在整個(gè)周期以內(nèi)均為圓錐形，脈沖峰值時(shí)間較短.在電流基值時(shí)間，電弧的亮度比一般電弧焊接時(shí)的亮度低很多.可以看到，CMT首先對(duì)焊接過(guò)程中的電弧加熱行為進(jìn)行了矯正，通過(guò)極短的脈沖峰值區(qū)間和較長(zhǎng)的脈沖基值區(qū)間來(lái)減小電弧對(duì)工件的熱量輸入.與此同時(shí)，CMT焊接的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是在短路時(shí)焊絲發(fā)生回抽，使得熔滴可在低電流狀態(tài)下過(guò)渡，因此減少了短路時(shí)的電阻熱.對(duì)于非脈沖波形或者對(duì)焊接熱輸入不敏感的條件下，可以采用平均電流和平均電壓的乘積來(lái)表示焊接電源輸出的能量，而對(duì)于脈沖波形，電流往往以方波的形式在峰值和基值之間波動(dòng).因此，為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)CMT焊接的熱輸入特點(diǎn)，傳遞到電弧的能量應(yīng)該采用瞬時(shí)能量的算術(shù)平均值來(lái)表示.同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中，焊接電流和電壓的采集是每隔0.25ms采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這也方便了進(jìn)行上面所述的算術(shù)平均處理.

圖4 傳統(tǒng)MIG短路過(guò)渡電流電壓波形/電流110A

整個(gè)周期的算術(shù)平均能量可以采用下面的原則計(jì)算:

式中，Vi和Ii為瞬時(shí)電壓和電流值，n是一個(gè)周期內(nèi)采集點(diǎn)個(gè)數(shù).

即通過(guò)瞬時(shí)能量求和，然后平均的方法求出整個(gè)周期內(nèi)的能量值.同時(shí)采用這種數(shù)據(jù)處理方法對(duì)短路時(shí)的能量Psc進(jìn)行計(jì)算，短路能量除以整個(gè)周期能量的比值，就是短路能量所占比率，通過(guò)這個(gè)比值對(duì)CMT和傳統(tǒng)MIG焊接進(jìn)行對(duì)比分析.如圖6所示為采用上述算法計(jì)算得到的短路能量占有率示意圖.CMT焊接方法通過(guò)外加回抽極大地減小了焊接過(guò)程中的短路功率，使得焊接短路功率只占總功率的5%左右;而普通的MIG焊接由于只依靠短路時(shí)的電磁能量來(lái)促進(jìn)熔滴過(guò)渡，其短路能量的占有率可以達(dá)到40%左右，因此短路時(shí)通過(guò)電阻熱傳輸?shù)焦ぜ臒崃枯斎胍h(yuǎn)遠(yuǎn)大于同樣參數(shù)下CMT的熱輸入.與傳統(tǒng)的MIG焊接相比，CMT方法通過(guò)對(duì)電流電壓波形的矯正以及焊絲回抽運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接熱量輸入的精確控制，適用于薄板之間和異種金屬之間的焊接.

圖5 電流40A一個(gè)周期內(nèi)的電弧形態(tài)變化(3ms/幅)

圖6 短路能量占有率對(duì)比圖

2.2 CMT熔滴過(guò)渡行為分析

2.2.1 CMT短路過(guò)渡的穩(wěn)定性分析

如圖7所示為焊接電流40A時(shí)，一個(gè)脈沖周期內(nèi)的熔滴過(guò)渡動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以看出在燃弧階段形成的熔滴尺寸比較小，只是略微大于熔滴的直徑，熔滴在燃弧期穩(wěn)定地形成，當(dāng)與熔池接觸以后，液相橋開(kāi)始形成，當(dāng)液相橋形狀達(dá)到穩(wěn)定后，對(duì)焊絲施加回抽力，液相橋平穩(wěn)的破斷，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有任何飛濺.

圖7 一個(gè)周期內(nèi)的熔滴過(guò)渡動(dòng)態(tài)過(guò)程(電流40A，2ms/幅)

在電流－電壓坐標(biāo)平面上，將焊接電流40A時(shí)采集到的瞬時(shí)電流和電壓值按時(shí)間順序依次連接起來(lái)，得到瞬時(shí)I－U圖，如圖8所示.可以看到CMT焊接相圖線簇分布非常集中，其中AB段代表短路階段，可以看到在這個(gè)線簇周圍偏離的線條極少，這也從側(cè)面說(shuō)明CMT短路過(guò)渡過(guò)程非常的穩(wěn)定.

圖8 瞬時(shí)I－U圖

2.2.2 焊接電流對(duì)熔滴尺寸和形狀的影響

如圖10為熔滴直徑隨焊接電流的變化關(guān)系(熔滴的形狀系數(shù)Q=D/H其中D為熔滴直徑，H為熔滴長(zhǎng)度，如圖9所示)，可以看到，隨著焊接電流的增加，熔化的焊絲金屬增加，因此熔滴的直徑略有增加，但是整體上熔滴直徑隨焊接電流的變化并不大，一般尺寸控制在2mm以內(nèi).圖11為熔滴形狀系數(shù)隨焊接電流的變化關(guān)系，焊接電流越大，熔化的金屬量越多，在重力的作用下熔滴的長(zhǎng)度增加明顯，熔滴形狀變得窄而長(zhǎng)，因此形狀系數(shù)減小.但同時(shí)脈沖周期減小，熔滴的過(guò)渡頻率增加，因此總體上熔滴的形狀系數(shù)都集中在0.9～1.3.CMT正是通過(guò)特殊的波形控制，將熔滴尺寸控制在一定范圍以內(nèi)，這樣可以避免大滴過(guò)渡形式的出現(xiàn)，保證熔滴短路過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性.

圖9 熔滴尺寸定義示意圖

圖10 熔滴直徑與焊接電流的關(guān)系

圖11 形狀系數(shù)隨焊接電流的變化關(guān)系

2.2.3 CMT熔滴短路過(guò)渡與傳統(tǒng)MIG短路過(guò)渡的比較

如圖12為普通MIG焊接時(shí)短路過(guò)渡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以看到在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，熔滴與熔池接觸以后，液相橋發(fā)生縮頸，在液相橋失穩(wěn)破斷瞬間，形成較為明顯的飛濺.根據(jù)圖像中的飛濺發(fā)生過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)主要有兩種形式的飛濺:在短路過(guò)渡過(guò)程中，由于電磁爆破和氣動(dòng)沖擊的作用，縮頸破斷時(shí)可能產(chǎn)生一種顆粒細(xì)小的飛濺;液相橋破斷力太高，過(guò)渡后絲端殘留液態(tài)金屬被排斥形成飛濺.

圖12 普通MIG焊接時(shí)短路過(guò)渡過(guò)程(1ms/幅)

而CMT焊接在短路時(shí)，減小了短路電流，避免了電爆炸產(chǎn)生的可能性，同時(shí)，方向穩(wěn)定和合適的焊絲回抽力平穩(wěn)地促使液相橋失穩(wěn)破斷，可以避免飛濺的產(chǎn)生.

2.2.4 大電流混合過(guò)渡現(xiàn)象

當(dāng)電流增大到121A以后，CMT熔滴過(guò)渡行為發(fā)生很大的變化，此時(shí)，熔滴過(guò)渡不再是單一的短路過(guò)渡，而是由類似鋁合金典型的射滴過(guò)渡和短路過(guò)渡組成的混合過(guò)渡，如圖13所示為一個(gè)脈沖周期內(nèi)的熔滴過(guò)渡過(guò)程，在一個(gè)周期內(nèi)，先發(fā)生一次類射滴過(guò)渡，然后焊絲再經(jīng)熔化形成的熔滴發(fā)生一次短路過(guò)渡.

圖13 焊接電流121A時(shí)熔滴過(guò)渡動(dòng)態(tài)過(guò)程(4ms/幅)

過(guò)渡形式的改變，必然也引起焊接電流電壓波形的畸變，如圖14所示為焊接電流121A時(shí)的焊接電流電壓波形.

可以從圖中看出，此時(shí)脈沖峰值電流很大，熔滴形成過(guò)程迅速，基值區(qū)間電流消失，施加在熔滴上的電磁力較大，短路過(guò)渡沒(méi)有發(fā)生，取而代之的是射滴過(guò)渡過(guò)程，射滴過(guò)渡完成以后，短路過(guò)渡才發(fā)生.這種短路形式的改變主要是由于脈沖峰值電流過(guò)大，焊絲熔化量增加，熔滴尺寸過(guò)大，同時(shí)在重力和電磁力的作用下，熔滴在與熔池接觸以前進(jìn)入熔池，發(fā)生一次射滴過(guò)渡，射滴過(guò)渡完成以后，焊絲再熔化形成的熔滴以短路過(guò)渡的形式進(jìn)入熔池.

圖14 焊接電流121A時(shí)的電流電壓波形

3 結(jié)論

(1)建立了基于高速CCD攝像的電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡視覺(jué)傳感系統(tǒng)以及電流電壓信號(hào)同步采集系統(tǒng)，為分析CMT焊接能量輸入特點(diǎn)和短路過(guò)渡動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了直觀而有力的測(cè)試手段.

(2)CMT焊接波形控制呈現(xiàn)典型的直流脈沖特征，并且脈沖峰值時(shí)間較短，脈沖基值和短路電流較低，這些因素都使得焊接時(shí)的熱輸入可以有效減小，因此適合連接對(duì)熱輸入敏感的異種金屬.

(3)在CMT短路過(guò)渡過(guò)程中，熔滴尺寸隨焊接電流的增加幅度并不大，將熔滴尺寸控制在一定范圍之內(nèi)可防止滴狀過(guò)渡的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短路過(guò)渡.

(4)與傳統(tǒng)MIG熔滴短路過(guò)渡相比，CMT短路過(guò)渡通過(guò)穩(wěn)定的焊絲回抽消除了短路過(guò)程對(duì)短路電流的要求，避免了大的電磁力和電爆炸，從而有效地消除了飛濺.

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Energy input and metal transfer behavior of CMT welding process

ZHANG Hong-tao，F(xiàn)ENG Ji-cai，HU Le-liang
(Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China，Email:hitzht@yahoo.com.cn)

To analyze process characteristic of CMT welding method，experimental systems to photograph arc shape and molten droplet images by using high-speed charge coupled device camera and to record welding current and arc voltage in synchronism were established.The energy input characteristic and metal transfer behavior were analyzed by above-mentioned experimental systems.The results show that CMT welding process is typical direct current impulse process and has lower heat input during welding.The droplet size does not increase obviously with raising welding current.The stable droplet size is beneficial for short circuiting transfer.The spatter can be eliminated with the aid of adscititious force.A hybrid metal transfer made up of projected transfer and short circuiting transfer also can be found when welding current reaching a rather large value.

CMT;droplet transfer;energy input;arc shape

TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2012)02－0128－05

2011－01－10.

國(guó)家自然科學(xué)基金(50905045)，現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題研究基金.

張洪濤(1980－)，男，博士，副教授.

(編輯 張積賓)