窄坡口MAG焊擺動寬度對電弧行為特性的影響

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（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

0 前言

隨著油氣管道焊接尺寸和管壁厚度的增加，傳統(tǒng)的焊接方法已不能滿足當前管道鋪設效率和質(zhì)量的要求。窄間隙MAG焊接技術因其坡口尺寸小、焊接熱輸入小、自動化程度高等優(yōu)點受到世界各國焊接學者的重視，并廣泛應用在陸上管道鋪設中[1-2]。但是MAG焊電弧的張角較小，電弧集中作用在坡口底部，對管道坡口側(cè)壁和每層焊道的根部加熱較弱，容易產(chǎn)生坡口側(cè)壁和根部未熔合，這也是窄間隙管道MAG焊技術面臨的最關鍵問題[3]。解決這一問題的根本措施是讓電弧靠近間隙側(cè)壁燃燒，增強對側(cè)壁的熱輸入[3]。因此，先后提出焊炬擺動電弧[4-5]、磁控擺動電弧[6-7]，旋轉(zhuǎn)電弧[8-10]等一些增大電弧作用范圍、改善坡口側(cè)壁融合的焊接方法。

在MAG焊中，電弧形態(tài)和熔滴過渡決定焊接的熔覆率和焊接過程的穩(wěn)定性。但是在窄坡口焊接中，陡峭的坡口側(cè)壁，電弧的旋轉(zhuǎn)和擺動使電弧形態(tài)和熔滴特征變化更加復雜。Fan H G，Kovacevic R教授[11]對GMAW平板焊接過程中的熔滴形成、分離時的熔滴體積和能量傳遞現(xiàn)象進行了動態(tài)研究，并構(gòu)建了熔滴過渡數(shù)學模型。哈爾濱理工大學的蘭虎博士[12]觀測了窄坡口MAG焊接中電弧擺動的不同位置處的電弧形態(tài)，并研究電弧擺動對焊縫熔深和熔寬的影響。哈爾濱工業(yè)大學徐望輝觀察高速攝像系統(tǒng)對窄間隙GMAW立焊時旋轉(zhuǎn)電弧下的熔滴過渡，發(fā)現(xiàn)當電弧擺動到側(cè)壁時的熔滴過渡速率快于在坡口中心時。離心力引起熔滴尺寸和頻率的改變[13]。這些大都是對平板焊接或旋轉(zhuǎn)電弧和磁控擺動電弧的電弧形態(tài)和熔滴過渡進行的研究。旋轉(zhuǎn)電弧機械磨損嚴重，磁控電弧需要外加磁場，且設備復雜，目前均不能大范圍應用在現(xiàn)場管道焊接中，現(xiàn)實中需要研究窄間隙焊炬擺動對電弧形態(tài)和熔滴過渡的影響。

擺動電弧窄間隙MAG焊中，擺動電弧的寬度通過影響熔滴過渡的形式來改變焊縫質(zhì)量。在此采用專門為管道焊縫跟蹤開發(fā)的新型高速擺動焊槍，深入研究電弧擺動寬度對窄間隙坡口的電弧形態(tài)和熔滴特性的影響，并通過仿真結(jié)果分析其理論，為窄坡口寬度的跟蹤控制提供試驗依據(jù)。

1 新型高速擺動焊槍

傳統(tǒng)的焊槍擺動大都通過滾珠絲桿、齒輪齒條、曲柄搖桿等機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成焊槍的周期性擺動。滾珠絲杠螺距較大，不能對高頻焊炬進行小幅度調(diào)整，曲柄搖桿通過鉸鏈連接且齒輪齒條機構(gòu)中齒輪齒條之間存在間隙也不能進行高頻、高精度的擺動。

針對管道窄坡口焊接的特點，開發(fā)出一種新型高速焊槍，如圖1所示。該焊槍采用音圈電機驅(qū)動焊槍擺動，設備簡單，不需要換向裝置，直接實現(xiàn)焊槍的高速往復直線運動。理論上可以實現(xiàn)30 Hz的擺動頻率，因附屬設備的機械精度原因，該焊槍在實際焊接試驗中可實現(xiàn)15 Hz的穩(wěn)定擺動。新型高速擺動焊槍的實物如圖1a所示。

圖1 高速擺動焊槍Fig.1 High speed swing torch map

高頻擺動焊炬的結(jié)構(gòu)示意如圖1b所示。導電嘴以向心關節(jié)軸承為支點，音圈電機推動導電桿做往復運動，高頻擺動焊炬的擺動幅度表達式為

式中 Δa為音圈電機的移動幅度；c為向心關節(jié)軸承到焊絲端部的距離；b為直線軸承中心到向心關節(jié)軸承中心的距離。當焊槍以關節(jié)軸承為擺心，導電嘴到關節(jié)軸承的距離為半徑c做鐘擺運動時，導電嘴高度在焊槍擺動過程中會隨著擺動角度發(fā)生變化。最大高度偏差為

當導電嘴到關節(jié)軸承距離c=52 mm、擺動半徑為w=3 mm時，Δh=0.021 6 mm，因為在焊槍擺動時，導電嘴高度方向上變化很小，近似為平擺運動。

焊槍在窄坡口內(nèi)的擺動如圖2所示，在類似管道V型坡口的底部中心建立笛卡爾坐標系，坡口兩側(cè)與垂直方向的夾角為12°。導電嘴端部的運動軌跡為（x，h），其中 h=15 mm

式中 f為擺動焊槍的擺動頻率；w為擺動幅度；m為焊槍距坡口中心的偏移量。

圖2 焊槍在窄坡口內(nèi)的擺動Fig.2 Welding torch swing figure in the narrow groove

2 MAG系統(tǒng)的弧長變化數(shù)學模型

在窄坡口MAG焊中電弧傳感的數(shù)值仿真可用來對電弧長度變化進行理論預測。根據(jù)最小電壓理論，電弧中的電流將沿著最短的路徑流入熔池。即電弧起弧時，電弧電流在兩電極之間（焊絲端部和母材）有最短路徑或最小電弧電阻。在MAG焊中，隨著焊炬在坡口內(nèi)的擺動，電弧形態(tài)和長度會發(fā)生劇烈變化。

焊絲干伸長Ls包括兩部分，一部分為固體干伸長Les，另一部分為熔滴等效干伸長Led，射流過渡時Led=0[14]。

式中 Rw為焊絲直徑；MR為單位時間焊絲的熔化體積；vf為送絲速度；C1、C2為熔化系數(shù)；ρw為焊絲電阻率。

熔滴體積為

熔滴等效干伸長為

焊炬在坡口內(nèi)擺動過程中，焊絲端部在圖2所示的笛卡爾坐標系的坐標是（x，15-Ls），當電弧不偏轉(zhuǎn)時，電弧長為15-Ls，當電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，電弧長為點（x，15-Ls）到側(cè)壁的距離。

坡口表面直線方程為

式中 d為坡口底部的寬度。根據(jù)點到直線的距離公式，可得焊絲端部到坡口兩側(cè)壁表面的距離為

求得電弧長為

3 不同擺動寬度的焊接試驗

試驗采用福尼斯TPS4000全數(shù)字化智能焊機，該焊機為一元化焊接電源，當選定送絲速度，焊機會自動匹配合適的焊接電壓、焊接電流，并且在焊接試驗中可以根據(jù)實際需要修正電壓。選用直徑1.0 mm的林肯JM-56焊絲，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，流量為 20 L/min。坡口由 X65管線鋼加工而成（見圖2），坡口深度10 mm，側(cè)壁斜面和垂直方向的夾角為12°，射流過渡試驗使用的焊件坡口底部寬度7 mm，短路過渡試驗使用的坡口寬度5 mm。

在窄坡口中，焊炬擺動帶動電弧擺動。擺動幅度是指焊槍導電嘴擺動到最大角度時焊絲伸出部分端部到坡口中心平面的最大垂直距離。在坡口底部和側(cè)壁交點處做一垂線，焊炬擺動到最大位置處，焊絲外側(cè)到這一垂線的距離為側(cè)邊距（見圖2）。射流過渡和短路過渡下的焊接試驗參數(shù)分別如表1、表2所示。

4 試驗結(jié)果和討論

采用71LX500型高壓氙燈光源作為背光光源，通過i-Speed3高速攝像機拍攝A0～A3，B0～B3兩組試驗的電弧、熔滴圖像，攝像機幀速度1 000幀/s，快門時間X20。每個試驗取左極限（T=51 ms），左中（T=76 ms），坡口中心（T=101 ms），右中（T=126 ms），右極限（T=151 ms）5幅擺動位置處的圖像。

表1 射流過渡下的焊接參數(shù)Table 1 Welding parameters for jet transition

表2 短路過渡下的焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters for short circuit transfer

4.1 射流過渡試驗

射流過渡試驗中窄坡口內(nèi)電弧擺動時的電弧熔滴圖像如圖3所示。電弧不擺動時，坡口內(nèi)的熔滴過渡形式以射流過渡為主，熔滴以極快的速度沿著焊絲軸向脫落。由于熔池受坡口側(cè)壁的約束和電弧力、熔滴的沖擊，熔池表面起伏較大，使焊接過程伴有少量短路過渡。此時，熔滴直徑約為1.4 mm。當短路過渡發(fā)生時，電弧發(fā)出耀眼的弧光，隨后變暗，并伴有大量飛濺產(chǎn)生，不利于焊接的穩(wěn)定性。

窄坡口內(nèi)電弧擺動時的熔滴過渡過程如圖3b～圖3d所示。由于受到坡口側(cè)壁的限制，電弧在擺動時弧長和電流發(fā)生周期性變化，進而影響熔滴過渡。隨著焊絲在坡口內(nèi)做周期性擺動，熔滴過渡形式和電弧形態(tài)也呈現(xiàn)周期性變化。當焊絲在坡口中間時，熔滴以射滴過渡和射流過渡為主，電弧呈現(xiàn)圓錐狀；當擺動到兩側(cè)時，完全轉(zhuǎn)換成射流過渡，焊絲端部被熔化成細長“鉛筆尖”狀，而且隨著擺動寬度的增加，熔滴的過渡頻率加快，熔滴更小，有時以細小的液柱形式快速過渡到熔池中。當擺寬為5 mm時，出現(xiàn)“焊絲回燒”現(xiàn)象，整個擺動過程以射流過渡為主；當擺動寬度增加時，受“焊絲回燒”現(xiàn)象的影響，坡口側(cè)壁處電弧長度變短，電流增加，坡口中間出現(xiàn)射滴過渡；當擺寬增加到7 mm時，坡口側(cè)壁出現(xiàn)大滴過渡和短路過渡，熔滴尺寸增大，直徑可達1.8 mm，飛濺增加，焊接勉強保持穩(wěn)定。

圖3 射流過渡試驗中窄坡口內(nèi)電弧擺動時的電弧熔滴圖像Fig.3 Arc droplet image of narrow groove jet transition test when arc swing

因此，在射流過渡模式下比較擺動和不擺動焊接過程中的熔滴過渡，相同焊接參數(shù)下，擺寬為5～7 mm（側(cè)間距為-0.5～0.5 mm）時焊接穩(wěn)定，但是當擺動寬度超過7 mm時，因電弧回燒現(xiàn)象，電弧更容易發(fā)生短路，熔滴尺寸增大，過渡頻率隨之降低。在管道坡口焊縫跟蹤中，考慮到電流和電壓信號噪聲的影響，擺寬最好為5～6 mm，即最優(yōu)側(cè)間距為0～0.5 mm。

4.2 短路過渡試驗

在短路過渡模式下，焊絲擺動過程中以短路過渡為主，電弧熔滴圖像如圖4所示。當擺寬為3 mm時，電弧在側(cè)壁出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)跡象。隨著擺寬的增加，短路過渡頻率加快；當擺寬為4 mm時，側(cè)壁處出現(xiàn)少量射流過渡和射滴過渡；當擺寬增加到5 mm時，飛濺嚴重，焊接不穩(wěn)定。因此在短路過渡模式下，擺寬為3～4 mm（側(cè)間距為0～0.5 mm）時可以得到穩(wěn)定的焊接過程。

4.3 短路過渡下的仿真

根據(jù)建立的弧長變化數(shù)學模型，利用Matlab/simulink建立窄間隙MAG焊擺動電弧長度的仿真模型。對坡口底部寬度5mm的管線坡口進行仿真，擺寬為3 mm，焊接參數(shù)和試驗中的短路過渡下的參數(shù)一致，得到仿真信號如圖5所示。

圖4 短路過渡試驗中窄坡口內(nèi)電弧擺動時的電弧熔滴圖像Fig.4 Arc droplet image of narrow groove short circuit test when arc swing

圖5 仿真焊接信號Fig.5 Simulation welding signal

由圖5可知，電弧長度、電壓、電流值隨著焊絲在坡口兩側(cè)之間的來回擺動呈周期性變化。當焊絲擺動到側(cè)壁附近時，電弧長度呈減小—增加—減小的變化，隨后恢復在坡口中心時的長度，這反映在圖4b所示的電弧熔滴圖像中。當焊絲向側(cè)壁擺動時，因電弧的最小電壓原理，電弧在焊絲和坡口側(cè)壁之間燃燒，呈現(xiàn)出電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，弧長變短，在電弧自我調(diào)節(jié)機制下，焊絲熔化速度增加，電弧表現(xiàn)出向上爬的現(xiàn)象——“焊絲回燒”，因為焊絲和側(cè)壁之間存在夾角，隨著干伸長的減小，電弧長度隨著焊絲距側(cè)壁距離的增加而增加，而電弧長度的增加使焊絲熔化速度減小。當焊絲向坡口方向擺動時，因為焊絲熔化速度減小，電弧長度反而變短。隨著焊絲繼續(xù)向坡口中心擺動，電弧長度恢復到原來長度。

電弧長度在側(cè)壁時長于在坡口中心時，在側(cè)壁的熔滴過渡速率快于坡口中心處，電流峰值出現(xiàn)在坡口側(cè)壁。這從理論上解釋了圖3、圖4中的熔滴電弧現(xiàn)象。

5 結(jié)論

電弧隨著焊絲在坡口兩側(cè)壁之間做周期性來回擺動，使電流發(fā)生周期性變化。電流的變化直接表現(xiàn)在熔滴的周期性變化。通過高速攝像和電流電壓的同步采集系統(tǒng)分析窄間隙的電弧擺動對電弧形態(tài)和熔滴特性的影響，得到穩(wěn)定熔滴過渡的合適擺寬參數(shù)，為坡口寬度的自適應跟蹤打下基礎。

（1）焊接過程中，射流過渡和短路過渡模式下都受坡口側(cè)壁的影響，當擺寬增加到一定值時，都會出現(xiàn)“焊絲回燒”現(xiàn)象，所以電弧的擺動寬度應受到限制。射流過渡側(cè)間距-0.5～0.5 mm、短路過渡側(cè)間距0～0.5 mm時，可獲得穩(wěn)定的焊接。

（2）當焊絲擺動到側(cè)壁時，電弧長度呈現(xiàn)出減小—增加—減小變化，隨后恢復在坡口中心時的長度，在此過程中電流達到峰值，在側(cè)壁時的熔滴過渡速率快于在坡口中心時的速率。擺動寬度越大，該現(xiàn)象越明顯。

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