高速二氧化碳焊接中的熔池稳定性及焊缝成形
摘 要：应用具有自由表面的流体稳定性理论，解释了高速焊接时驼峰焊道的产生机理，并通过对熔池形成过程的实时图像采集对该理论进行了验证。理论分析和试验结果均表明，采用自由过渡的熔滴过渡形式进行焊接，工件始终处于焊接电弧的加热下，在高速焊接时，熔池不能及时冷却，熔池明显拉长，由扰动引起的振动波长大，当熔池的拉长达到一定程度时，会发生液体金属的失稳和颈缩的现象，造成驼峰焊道。在此基础上提出，可以采用短路过渡代替高电压下的自由过渡，利用短路过渡时电弧周期性的熄灭可以减小对熔池的加热量，防止熔池过长而失稳。试验结果表明，采用短路过渡焊接可以有效地防止驼峰焊道的产生，提高焊接速度。
关键词：高速焊接 熔池 稳定性 焊缝成形
序 言
焊接作为工业生产的重要环节，其加工速度对总的生产率有着举足轻重的影响。为提高生产效率，增强市场竞争能力，生产企业对提高焊接速度提出了越来越迫切的要求。但是，焊接速度的提高会带来一些与常规速度焊接时不同的问题。其中最主要的是焊缝成形差，出现焊道咬边的现象，速度进一步提高时出现“驼峰”焊道(humping)［1，2］。作者在过去的工作中曾对高速CO2焊接时焊道咬边的产生机理进行了研究［3］。在本文中，仍将以高速CO2焊接为对象，对“驼峰”焊道的产生机理进行理论分析与试验研究，并在此基础上对防止出现这一缺陷的方法进行尝试。
1 驼峰缺陷的形貌特点
所谓“驼峰”焊道，是指焊缝金属沿焊接方向上的分布严重不均的焊缝成形缺陷。图1为典型的驼峰焊道的外观，图2为该焊道的横截面照片，其中图2a为驼峰的“峰顶”截面，图2b为“谷底”截面。可以看出，虽然焊缝熔深和熔宽变化不大，但焊缝金属截面发生了极大的变化。另外，值得注意的是，驼峰缺陷沿焊缝的分布比较规律，因此可以说这一现象并不是因为焊接条件和参数的偶然变化引起的，而是由高速焊接时熔池的特殊受力情况决定的。
图1 驼峰焊道外观
图2 驼峰焊道的横截面
2 焊缝成形与熔池稳定性的关系
2.1 焊接熔池的稳定条件
焊接熔池形状及最终焊缝成形是熔池所受各种外力联合作用的结果，如电弧力、重力、表面张力等。高速焊接时熔池的特点主要是形状细长，熔池自由表面大，此时表面张力对焊缝成形的影响显得尤为突出。应用具有自由表面的流体稳定性理论，可以较好地理解驼峰焊道的产生机理。作为定性的分析，可以将焊接熔池简化为只由表面张力维持的一段液柱，如图3所示。
图3液柱的失稳原理
设液柱表面有一微小扰动，并设压强正方向为指向液体内部，则在截面A和B上的液体内部压强可写为如下形式［4］：
(1)
(2)
式中 PA，PB——液体内部压强； σ——表面张力系数； rA，rB——自由表面在焊缝横截面上的主曲率半径； RA，RB——自由表面在焊缝纵截面上的主曲率半径。
在图3中，设扰动波长为λ，液柱平衡时半径为a，若λ/a很小，则RA，RB都远小于a，即有RA＜＜rA，RB＜＜rB，此时在截面A和B处液体的压强可以近似为：
(3)
(4)
即在A截面造成负压PA，在B截面造成正压PB，液体将从B流向A，从而减小扰动造成的液体表面变形，使液面恢复到平衡状态；但若λ/a很大，则RA，RB都远大于a，因此在式(1)、(2)中σ/RA,σ/RB项可忽略，即式(1)和式(2)近似为：
(5)
(6)
又由于rAPB，这样就在液体内部造成一个压强差，液体将由A向B流动，使rA继续减小，rB继续增大，因而压强差进一步增大，液体流动加速，造成液柱在截面A处发生颈缩直至破断。
2.2 高速焊接时熔池失稳的原因
在通常焊接速度下，熔池宽而短，体积较小，其固有频率较高，在同样的扰动条件下，振动波长小，因此λ/a很小，一般不会发生上述失稳现象；而在高速焊接时，熔池明显拉长，且宽度减小，同时，由于液态金属体积较大，固有频率较低，由扰动引起的振动波长大。因此λ/a显著增大，当熔池的拉长达到一定程度时，会发生液体金属的失稳和颈缩破断的现象，造成驼峰焊道。
3 熔池失稳与驼峰产生过程的试验验证
为验证上述的驼峰产生机理，建立了一套实时熔池图像采集系统以观察CO2焊中驼峰焊道的形成过程。通过合理选择滤光片，避开CO2电弧光谱的峰值谱线，可以得到较好的熔池图像。图4为采用该系统采集的一组高速焊接时的熔池图像。从图中可以清楚地看到一个驼峰的形成过程。一个新的熔池出现并逐渐拉长(a～b)。在图片b中，可以看到熔池出现了轻微的曲率变化，这一变化不断扩大(c)，熔池出现颈缩(d～f)，直至最后熔池金属最少的部分首先凝固，一个新的熔池再次形成，重复以上过程(g～h)。此时熔池后部已经聚集了大量的液体金属，造成驼峰，这一过程与上节的理论分析是一致的。
图4 驼峰的形成过程
(I=300A,U=31V,v=2.2m/min)
4 提高高速焊接时熔池稳定性的措施
从理论分析与试验结果可以看出，高速焊接中产生驼峰焊道的一个重要原因是熔池的过度拉长使熔池失稳。而造成熔池过长的原因，是由于焊接速度的提高需要采用较大的焊接电流。按照传统工艺，在大电流焊接时所匹配的焊接电压也高，因此是采用自由过渡的熔滴过渡形式进行焊接。在这种情况下工件始终处于焊接电弧的加热下，热输入量大，在很高的焊接速度下，熔池不能及时冷却。所以熔化态金属的长度比常规速度焊接时长得多，产生熔池失稳的可能性也大大提高。基于这种原因，可以采用短路过渡代替高电压下的自由过渡，因为在短路过渡时电弧周期性的熄灭 可以减小对熔池的加热量，防止熔池过长而失稳。
当然，要实现在较大电流下的稳定短路过渡需要对焊接设备的输出进行精确控制。作者利用自行研制的单片机波形控制逆变CO2焊机对采用短路过渡实现高速焊接的可行性进行了试验，取得了明显的效果。图5为采用短路过渡进行高速焊接时的熔池图像，与图4对比可以看出，在短路过渡形式下，熔池长度明显减小，因此未出现液体的失稳现象。该试验的焊接效果如图6所示，得到了截面均匀，成形较好的焊接接头。
图5 采用短路过渡时的熔池形态
(I=300A,U=24V,v=2.2m/min)
图6 采用短路过渡进行高速焊接的效果
5 结 论
(1) 采用具有自由表面的流体稳定性理论，能够较好地解释高速焊接时驼峰焊道的产生机理。
(2) 高速焊接时熔池的过度拉长是造成熔池失稳并形成驼峰焊道的主要原因。
(3) 采用短路过渡形式，可以有效地减小高速焊接时熔池长度，防止产生驼峰缺陷。
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