熊晨曦，袁海濤，馬國紅

(1.南昌大學先進制造學院，江西 南昌 330031；2.江西省輕質(zhì)高強結構材料重點實驗室，江西 南昌 330031)

鍍鋅鋼因具有良好的耐腐蝕性、相容性和力學性能，適于加工等優(yōu)點，在航天航空、汽車車身、船舶制造等領域得到了廣泛的應用[1-2]。熔化極惰性氣體保護焊(MIG)在進行鍍鋅鋼焊接時，由于鋅元素比較活潑，表面鍍鋅層在焊接過程中極易發(fā)生汽化和電離，導致鍍鋅鋼在MIG焊接時對焊接參數(shù)難以精確控制[3]。而MIG焊在不同的焊接參數(shù)區(qū)間具有不同的熔滴過渡形式，主要分為短路過渡、大滴過渡和射流過渡。因此近年來學者們提出多種復合焊接方法來控制熔滴過渡行為，實現(xiàn)以更小的體積、更高的頻率穩(wěn)定向熔池過渡熔滴，如TIG-MIG復合焊接[4]、激光-MIG復合焊接[5]、等離子-MIG復合焊接[6]和超聲-MIG復合焊接[7]等，復合焊接在現(xiàn)代制造業(yè)中得到廣泛應用。

超聲-MIG復合焊接作為一種新型的復合焊接方法，近年來已成為焊接領域的研究熱點，主要是利用超聲變幅桿對焊絲或母材施加振動，實現(xiàn)對電弧、熔滴與熔池的調(diào)控，改變?nèi)鄣蔚倪^渡方式，從而間接改變?nèi)鄢氐哪虪顟B(tài)，達到細化焊接接頭晶粒組織，改善焊縫的力學性能[8-9]。與其他復合焊接方法相比，國內(nèi)外現(xiàn)階段鮮有關于鍍鋅鋼超聲-MIG焊接研究的文獻報道，對超聲-MIG焊的熔滴過渡方式的研究更不夠成熟，因此探究鍍鋅鋼在超聲振動下MIG焊接熔滴形態(tài)、過渡頻率和熔滴過渡模式等特點，分析超聲振動對MIG焊接熔滴過渡的影響規(guī)律和機理，提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和工業(yè)生產(chǎn)效率，對現(xiàn)代制造業(yè)中進一步發(fā)展復合焊接方法，實現(xiàn)智能化焊接尤為重要。

本文所研究的方法是對焊絲引入超聲振動，通過對焊接參數(shù)的控制進而實現(xiàn)不同的熔滴過渡形式，并使用高速攝像裝置對熔滴過渡行為進行觀察分析，研究在不同的焊接參數(shù)下鍍鋅鋼超聲-MIG熔滴過渡區(qū)間的變化，揭示鍍鋅鋼超聲-MIG復合焊接的熔滴過渡特點，對提升薄板焊接技術具有重要的理論意義和實用價值。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗裝置

實驗采用焊接母材為Q235鍍鋅鋼板，尺寸為50 mm×250 mm×1 mm，焊絲材料為直徑1.2 mm的Q235低碳鋼，其化學成分如表1所示，焊接方式為平板堆焊，保護氣體為純度99.99%的氬氣。焊機型號為華遠NB-350IGBT逆變式MIG氣體保護焊機，超聲波電源型號為ZJS-500N，高速攝像機是VPI的Phantom系列高速攝像機，拍攝幀率為1 000～100 000 fps·s-1，用于采集熔滴和電弧形態(tài)數(shù)據(jù)。圖1為超聲-MIG焊接系統(tǒng)示意圖。

圖1 超聲-MIG焊接系統(tǒng)平臺

表1 鍍鋅鋼板和低碳鋼化學成分表

2.2 實驗方法流程

熔滴圖像處理算法流程如圖2所示：對初始圖像進行灰度變換，然后通過圖像預處理，提高計算速度，減少噪聲干擾，用邊緣提取的方法提取熔滴外形輪廓，然后用形態(tài)學處理的方法去除小面積等干擾因素，最后得到焊接熔滴的幾何尺寸參數(shù)，提取出熔滴的特征進行熔滴過渡行為分析。

圖2 焊接熔滴的圖像處理算法流程圖

2 實驗結果與討論

本文的主要研究工作是對鍍鋅鋼板在MIG焊接過程中施加超聲振動，分析超聲輔助下的MIG焊接熔滴過渡機制。實驗條件是在超聲振動頻率參數(shù)為770 Hz，振幅為30 μm，焊接速度為5.6 mm·s-1進行的，利用高速攝像機采集焊接電流為(60,90,120,150,180,210 A)MIG與超聲輔助MIG焊接的熔滴過渡過程。表2為不同的焊接參數(shù)下的對照實驗。圖3為電流150 A，電壓21.4 V時焊接實驗結果。

(a) MIG

表2 焊接對照實驗參數(shù)

為了更好地研究熔滴與焊接參數(shù)和超聲振動的影響機制，采用圖像處理的方法對U-MIG焊接過程中的熔滴形狀參數(shù)進行提取，首先進行ROI(Region of interest)處理,提高計算效率，中值濾波處理減少噪聲干擾，對圖像進行取反操作，使用Canny算子提取焊絲和熔滴的邊緣，然后選擇封閉區(qū)域，去掉小面積元素，最終提取的熔滴輪廓如圖4所示。

(a) ROI提取 (b) 圖像取反 (c) Canny邊緣提取 (d) 熔滴輪廓提取 (e) 熔滴圖像標記

2.1 熔滴大小與電流電壓的關系

鍍鋅鋼板在電弧焊時，在焊絲底部形成向熔池過渡的液態(tài)金屬稱為熔滴，熔滴通過電弧向熔池的轉(zhuǎn)移為熔滴過渡，熔滴的過渡形式一般分為3種：短路過渡、大滴過渡、射流過渡。熔滴過渡的穩(wěn)定性在一定程度上決定了焊縫質(zhì)量。如圖5(a)所示，熔滴的平均面積S隨著焊接功率變大，逐漸變小。并且U-MIG焊接的熔滴尺寸比MIG小，主要是因為超聲的引入使焊接電弧的長度縮短，從而減少了熔滴的生長空間，使熔滴以較小的尺寸，較快的頻率加速過渡到熔池。如圖5(b)所示，焊接電流I在60～90 A之間，熔滴的過渡方式主要為短路過渡，由于超聲輔助作用下，熔滴向下運動受到表面張力和超聲輻射力的阻礙作用，熔滴距離熔池的平均高度大于普通MIG的下落高度[10]。但是當焊接電流為120～150 A和180～210 A之間，熔滴主要以滴狀過渡和射流過渡為主，普通MIG的過渡周期和距離熔池的下落高度h均高于U-MIG，說明熔滴的合外力在超聲輻射力作用下，電弧長度發(fā)生收縮，熔滴合外力增加，促進了熔滴的過渡，過渡周期大幅減少。

I/A

2.2 熔滴頻率與焊接參數(shù)的關系

通過實驗采集其中100幀U-MIG焊接過程中的熔滴圖像，分析熔滴頻率和過渡方式與焊接參數(shù)的關系，如圖6(a)所示，焊接電流為60 A時，熔滴過渡方式主要為短路過渡，焊絲熔化末端與熔池之間出現(xiàn)橋接現(xiàn)象，并且在固定幀數(shù)內(nèi)熔滴完整過渡次數(shù)較少。如圖6(b)所示，當電流為150 A時，熔滴過渡方式為大滴過渡，熔滴脫離焊絲末端形成球狀顆粒向熔池穩(wěn)定過渡。如圖6(c)所示，當焊接電流為210 A時，熔滴過渡方式為射流過渡，熔滴呈液柱狀或滴狀快速向熔池過渡，通過圖6(c)所示典型幀數(shù)可以看出熔滴過渡頻率增加得非常大。

圖6 U-MIG焊接熔滴過渡方式

為了準確采集U-MIG焊接過程中熔滴的過渡頻率，本實驗通過計算不同焊接參數(shù)下的1 000幀焊接過程圖像，統(tǒng)計熔滴向熔池過渡的數(shù)量N，該算法的流程圖如圖7所示，首先定義初始采集圖片為背景幀，然后通過背景減除法和圖像處理獲取焊接熔滴圖像，計算當前幀熔滴圖像各項特征，例如熔滴圖像的圓心坐標，面積大小，保證真實熔滴前后5幀差值為熔滴下落圖像，而非熔滴過渡周期，根據(jù)這些熔滴特征信息，得到融合閾值T，可以排除各種圓形氣泡干擾熔滴提取。熔滴特征提取后，判斷熔滴過渡類型和頻率，進行下一幀熔滴圖像算法提取判斷。

圖7 U-MIG焊接熔滴計數(shù)算法程序流程圖

如圖8所示，在小功率下焊接時，由于超聲輻射力的阻礙作用下，MIG焊接在1 000幀時間內(nèi)的熔滴過渡數(shù)目要大于U-MIG焊接結果。當熔滴過渡方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟮芜^渡時，焊絲末端不會接觸焊接熔池，熔滴過渡頻率明顯提高，并且在超聲的輔助作用下，U-MIG熔滴向熔池平穩(wěn)過渡的數(shù)目N略高于普通MIG焊接方法。當焊接進行大功率參數(shù)焊接時，熔滴過渡方式為射流過渡，熔滴的統(tǒng)計算法變得較為復雜，因為熔滴在向熔池過渡時，有時會呈現(xiàn)柱體狀，并伴有分裂的趨勢形成兩個較小的熔滴，下落到熔池的速度也加快，導致射流過渡期間熔滴數(shù)目統(tǒng)計出現(xiàn)誤差，熔滴數(shù)目的真實結果遠大于目前計算結果，因此需要提高U-MIG焊接熔滴計數(shù)算法的魯棒性，保證焊接過程中熔滴過渡方式的準確性，促進智能化焊接的發(fā)展。

I/A

3 結論

本文主要研究鍍鋅鋼超聲-MIG復合焊接的熔滴過渡特點，通過對不同焊接電參數(shù)的控制進而實現(xiàn)不同的熔滴過渡形式，并使用高速攝像裝置對熔滴過渡行為進行觀察分析，對提升薄板焊接技術具有重要的理論意義和實用價值。獲得的主要結論如下：

(1) 通過圖像處理方法提取超聲-MIG熔滴圖像的形狀特征，計算得到熔滴的幾何參數(shù)和下落高度，而且焊接功率越大，熔滴的平均面積以及距離熔池的下落高度逐漸減少。

(2) 分析焊接熔滴圖像幀數(shù)，得到熔滴過渡方式與焊接參數(shù)的關系，隨著焊接功率的增加，過渡方式由短路過渡向大滴過渡和射滴過渡轉(zhuǎn)變。

(3) 提出一種熔滴計數(shù)算法，有效地統(tǒng)計了鍍鋅鋼板在不同焊接方法下熔滴數(shù)目，得到熔滴過渡頻率與焊接功率大小呈正相關。

實際上，超聲-MIG復合焊接過程非常復雜，本文只考慮固定超聲參數(shù)下，不同焊接電參數(shù)下的熔滴過渡形式，未來可以進一步研究不同超聲的頻率和振幅下，焊接過程中的電弧、熔滴和熔池對焊接接頭質(zhì)量的影響機制。