三絲焊接參數對電弧形態特征的影響

馬曉麗， 徐 琛， 王偉成， 華學明

(上海交通大學 材料科學與工程學院， 上海 200240)

多絲焊接工藝主要包括縱列多絲焊、橫列多絲焊、預熱填絲焊接、串聯多絲焊等方法[1-3].其焊接原理是在維持焊接線能量不變的情況下，采用多根焊絲同時焊接.這種焊接方式可以使更多的熔覆金屬填滿弧坑，從而達到提高焊接速度的目的.但是，多絲焊接在提高焊接效率的同時也存在一定的問題：相對于單絲焊接，由于多電弧之間存在電磁力作用，電弧之間相互干擾，電弧形態會發生嚴重變形，使得焊接過程穩定性降低，甚至變得不可控[4-7]，所以改善多絲焊接的穩定性對提高焊縫成形質量有著不可忽視的作用[8-10].

多絲焊接的電弧形態特征可作為評定焊接過程中電弧穩定性的重要依據.本文通過自搭建的三絲焊接實驗平臺，研究了主要焊接參數對電弧形態特征的影響，其中工藝參數主要包括焊接電流和焊絲距離.

1 試驗方法及條件

利用三絲焊接平臺進行高速攝影采集，高速攝影系統主要包括高速動態攝影儀、采集卡和微距鏡頭.在高速攝影采集過程中，微距鏡頭外接在高速攝影儀上，并通過采集卡將拍攝圖片傳輸到電腦中.由于電弧亮度較強，為了避免使用微距鏡頭拍攝時，出現圖像亮度溢出的現象，在微距鏡頭外接一對偏振鏡，從而起到降低入射光強的作用.為了減小更為復雜的因素對電弧形態的影響，在焊接過程中采用定點焊接法，即高速攝影裝置固定不動，焊接鋼板固定在焊接夾具上，以完成對電弧形態的實時拍攝.其中，高速攝影的拍攝速度為500幀/s.焊接時，在起弧之前開始采集信號，熄弧之后信號采集結束，然后保存采集信號數據，最后將高速攝影信息在顯示器上實時顯示.焊接母材采用低碳鋼鋼板，板厚12 mm；焊接氣體中Ar和CO2的體積分數分別為80%和20%， 流量為20 L/min； 焊絲牌號為JM53，直徑Φ為1.2 mm；極性組合為DCEP/DCEP/DCEP，其中DCEP為母材接負.三絲焊接時沿焊接方向依次為引導焊槍、中間焊槍和跟隨焊槍，實驗中焊接參數方便可調.

本文中設定的焊接參數主要包括焊接電流和焊絲距離，組合方式見表1.其中，焊接電流組合順序為引導焊絲電流、中間焊絲電流、跟隨焊絲電流，分別設置400，300 A共2個參數，共8種組合方式；焊絲距離組合順序為引導焊絲與中間焊絲距離、中間焊絲與跟隨焊絲距離，分別設置20，25，30 mm共3個參數，共9種組合方式.

表1 焊接參數組合方式Tab.1 Combination of welding parameters

2 試驗結果及分析

多電弧形態特征可作為評價電弧穩定性的依據.本文將電弧形態參數分為電弧高度(H)、電弧面積(S)和電弧偏移量(L).通過以往大量實驗發現，電弧形態參數波動越小，電弧燃燒越穩定.

2.1 三絲焊接參數對電弧高度的影響

圖1為焊接電流組合400 A/300 A/300 A，焊絲距離組合為20 mm/20 mm時不同時刻的電弧高速攝影拍攝實例.當焊接參數固定時，引導電弧、中間電弧和跟隨電弧的高度不隨時間變化.為了量化電弧形態特征，基于LabVIEW的數字圖像處理技術，將電弧高度特征進行提取，討論不同焊接工藝參數條件對焊接電弧高度的影響規律.

圖1 不同時刻的三絲焊接電弧高速攝影拍攝實例Fig.1 High-speed photography of arc using triple-wire welding at different times

圖2為不同焊接參數條件下的電弧高度，其中圖2(a)為焊接電流組合對電弧高度的影響，HL，HM，HT分別為引導電弧、中間電弧和跟隨電弧的電弧高度.發現焊接電流為400 A時的電弧高度小于300 A時的，這是由于當采用大電流焊接時，熔滴過渡形式已轉變為射流過渡[8]，熔滴過渡頻率加快，熔池熔覆的焊縫金屬增多，電弧力對熔池的挖掘作用使電弧產生了“潛弧現象”，所以電弧高度顯著減小.此外，圖2(b)定量計算了焊絲距離對電弧高度的影響，但影響規律并不明顯.由此可見，電弧高度與焊接電流的設定有著直接的關系，而受焊絲距離的影響不大.

圖2 不同焊接參數條件對電弧高度的影響Fig.2 Effect of different welding parameters on arc heights

2.2 三絲焊接參數對電弧面積的影響

圖3所示為不同焊接電流組合(圖3(a))和不同焊絲距離組合(圖3(b))條件下的瞬時高速攝影照片.不同焊接參數條件下，電弧均發生了不同程度的偏移，且電弧面積呈現一定的波動性.為了量化電弧面積的變化，在電弧穩定燃燒狀態下，基于LabVIEW軟件的圖像預處理、識別和理解功能，對選取的不同時刻的各10張高速攝影照片進行圖像處理，采用平均值和標準差來表示電弧面積的波動性.在預處理中，根據三絲焊接電弧的灰度特點，設定電弧面積計算閾值為100～255.利用LabVIEW圖像處理模塊對高速攝影照片進行膨脹處理和腐蝕的編程處理，實現圖像識別功能.最后提取電弧主要信息，得到電弧面積的像素值.根據已知的焊絲距離與像素值的關系[8]，將電弧面積像素值進行比例計算轉換得到實際的電弧面積值.

圖3 不同焊接參數條件下的三絲焊接電弧瞬時高速攝影實例Fig.3 Instantaneous high-speed photography of arc using triple-wire welding at different welding parameters

圖4為焊接電流組合對電弧面積的影響.其中，SL，SM，ST分別為引導電孤、中間電孤、跟隨電孤的面積.和焊接參數對電弧高度的影響規律相似，焊接電流為400 A時的電弧面積小于300 A時的，且跟隨電弧面積最小.圖5為焊絲距離組合對電弧面積的影響，引導焊絲與中間焊絲距離(DE1)分別為20， 25，30 mm時，由電弧的面積統計可知：當固定引導焊絲與中間焊絲距離時，隨著中間焊絲與跟隨焊絲距離的增大，引導電弧面積的變化規律不明顯，跟隨電弧的面積變化不大，而中間電弧的面積逐漸減小.這是因為當焊絲距離為20 mm時，中間電弧受到引導電弧和跟隨電弧電磁力的共同作用，使得電弧發生膨脹，電弧面積增大；但隨著焊絲距離繼續增大至25 mm直至30 mm時，電弧受到的電磁力疊加作用逐漸減小，電弧干擾作用隨之減小，從而使中間電弧面積減小.

圖4 焊接電流組合對電弧面積的影響Fig.4 Effect of welding current combinations on arc areas

圖5 焊絲距離組合對電弧面積的影響Fig.5 Effect of wire-to-wire distance combinations on arc areas

2.3 三絲焊接參數對電弧偏移量的影響

任一電弧受到另外兩個電弧的電磁力作用可能會發生偏移現象，引導電弧、中間電弧和跟隨電弧偏移量的計算公式[2]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：IL，IM，IT分別為引導電弧、中間電弧和跟隨電弧的焊接電流；DE1，DE2，DE分別為引導焊絲和中間焊絲的距離、中間焊絲和跟隨焊絲的距離、引導焊絲和跟隨焊絲的距離.

圖6為焊接電流組合對電弧偏移量的影響.根據式(2)的電弧偏移量計算公式可知，當焊絲距離相同時，中間電弧偏移量受引導電流與跟隨電流之差的影響，差值越大，偏移量也越大.所以當焊接電流組合為400 A/400 A/400 A，300 A/400 A/300 A，300 A/300 A/300 A，400 A/300 A/400 A，即引導電流與跟隨電流的差值為0時，中間電弧的偏移量也為0，即LM=0.除此之外，無論是引導電弧、中間電弧還是跟隨電弧，焊接電流為400 A時的電弧偏移量均小于300 A時的電弧偏移量，這是因為設置的焊接電流大，則抵抗其他電弧干擾的能力增強，與實際高速攝影拍攝的結果一致.

圖6 焊接電流組合對電弧偏移量的影響Fig.6 Effect of welding current combinations on arc deflections

圖7為焊絲距離對電弧偏移量的影響，引導焊絲與中間焊絲的距離分別為20，25，30 mm時，根據引導電弧、中間電弧和跟隨電弧的偏移量可知，焊絲距離為20，25 mm時電弧的偏移量范圍為0.8 mm左右，而隨著焊絲距離增至30 mm時，電弧的偏移量范圍下降至0.6 mm左右.偏移量的降低說明隨著焊絲距離的增大，多電弧之間的干擾作用降低，焊接過程越來越穩定.

圖7 焊絲距離對電弧偏移量的影響Fig.7 Effect of wire-to-wire distance combinations on arc deflections

3 結論

(1) 電弧高度與焊接電流的設定有著直接關系，而受焊絲距離的影響不大，且無顯著波動.當引導電流和跟隨電流相等時，中間電弧不發生偏移，且焊接電流為400 A時的電弧高度、電弧面積和電弧偏移量均小于300 A時的.這是因為采用大電流焊接時，由于熔池熔覆的焊縫金屬增多，電弧對熔池挖掘作用產生了“潛弧現象”.且當焊接電流較大時，電弧抵抗干擾的作用強，電弧偏移量小.因此，在保證電弧穩定燃燒的前提下，采用大電流焊接可以同時提高焊接熔覆率和電弧穩定性.

(2) 當固定引導焊絲和中間焊絲距離時，隨著中間焊絲與跟隨焊絲距離的增大，引導電弧面積的變化規律不明顯，中間電弧的面積逐漸減小，而跟隨電弧的面積變化不大.此外，在相同的焊接電流組合條件下，隨著焊絲距離增大，電弧干擾作用減小，其中電弧的偏移量減小最顯著.