立向高速GMAW駝峰焊縫形成機理及抑制措施

郭震，張理，周偉，畢貴軍，韓冰

(廣東省智能制造研究所，廣東省現代控制技術重點實驗室，廣州 510070)

0 前言

熔化極氣體保護焊(GMAW)被廣泛應用于金屬結構制造業。隨著現代制造業對焊接生產效率要求的提高，GMAW向著高效的方向發展，一個重要途徑就是提高焊接速度[1-4]。但是，焊接速度的提高會帶來一些與常規速度焊接時不同的問題，當焊接速度高于某一臨界值時，GMAW會出現“駝峰焊縫”等焊縫成形缺陷[5-7]。駝峰焊縫的產生嚴重制約了焊接生產效率的進一步提高，因此，在不犧牲焊縫質量的前提下，如何提高GMAW焊接速度成為近年來的研究熱點。

采取有效措施來抑制駝峰焊縫的產生，從而消除其對GMAW焊接速度提高的有害影響，首先要認清高速焊接時駝峰焊縫的產生機理。對此，科研工作者做了大量的研究工作。Nguyen等人[8]發現，熔池中動量很大的后向液體流和不均勻的溫度梯度是高速GMAW形成駝峰焊縫的主要原因。Cho等人[9]通過對高速GMAW熔池中溫度場和流體流動進行數值模擬發現，狹窄的熔池壁面流通道和液態金屬在通道內過早凝固導致駝峰焊縫的形成。Chen等人[10]、Xu等人[11]和Wu等人[12]同樣通過仿真計算和試驗研究的方法證實，熔池中由電弧壓力、熔滴沖擊力等引起的動量很大的后向流體流是影響高速GMAW產生駝峰焊縫的主導因素。因此，為了避免駝峰焊縫的產生，必須采取一些技術措施來減緩熔池中后向液體流動量或抑制熔池尾部熔融金屬的堆積。

Wu等人[13]將DE-GMAW工藝應用于高速GMAW焊，并在1.6 m/min焊速下獲得了良好的焊縫。Meng等人[14]采用TIG-MAG復合焊接工藝，分別在2.5 mm厚與2 mm厚的低碳鋼板上實現了3.5 m/min與4.5 m/min的對接焊焊接速度。Wang等人[15-16]和Yang等人[17]通過外加橫向磁場，利用熔池中豎直向下的電流分量與外加橫向磁場相互作用，產生指向熔池前方的洛倫磁力，對熔池中后向液體流起到抑制作用，從而抑制駝峰焊縫的產生。

盡管科研工作者在高速GMAW駝峰焊縫的產生機理和抑制技術上作了大量工作，但主要研究的是平向焊接過程，而對立向高速GMAW焊接過程的研究卻鮮有報道。因此，文中運用自主研發的爬壁機器人研究立向高速GMAW焊接過程，分析駝峰焊縫的形成機理，最后提出抑制駝峰焊縫產生的措施，并通過試驗驗證其可行性，以期為實際生產中立向高速GMAW提供技術參考。

1 試驗平臺和試驗方法

1.1 試驗平臺

爬壁機器人焊接試驗平臺由該團隊自主開發，由控制柜、爬壁機器人、GMAW焊機、焊縫追蹤系統和焊接平臺組成，如圖1所示。該平臺能夠獲得不同的焊接速度(0～12 m/min)，可實現立向平面上水平、垂直及曲線焊接。

圖1 爬壁機器人焊接試驗平臺

1.2 試驗方法

試驗材料包括母材和焊材，母材為Q235B，焊材為ER50-6，其主要化學成分見表1。爬壁機器人焊接工藝參數見表2。

表1 試驗材料主要化學成分(質量分數, %)

表2 爬壁機器人焊接工藝參數

試驗分兩階段：第一階段進行立向上焊，第二階段進行立向下焊，如圖2所示。圖中:v為焊接速度；H為焊槍頭到鋼板的距離，取值范圍為10～15 mm；θ為焊絲與鋼板法向的夾角，取值范圍5°～15°。在焊接試驗過程中，利用加裝濾光片的CCD攝像機對立向高速GMAW焊接過程進行視覺檢測，以實時獲得不同時刻的熔池圖像。攝像機擺放在焊接平面右前方45°位置，攝像幀數設置為50 frames/s，曝光設置為30 000 t/μs。

圖2 爬壁機器人焊接示意圖

2 立向GMAW駝峰焊縫的形成

圖3給出了立向上焊，焊接電流為100 A時，不同焊接速度下立向GMAW焊縫的成形圖。可以看出，在焊接速度為0.12 ～ 0.36 m/min時，焊縫成形良好；在焊接速度為0.48 m/min時，焊縫成形連續，但開始出現形成駝峰焊縫的趨勢；當焊接速度升高到0.60 m/min時，形成駝峰焊縫。因此，當焊接電流不變，焊接速度增加到某一臨界值時，立向GMAW會形成駝峰焊縫。

圖3 不同焊接速度下的立向GMAW焊縫

3 立向GMAW駝峰焊縫的形成機理

圖4給出了立向上焊，焊接電流為200 A，焊接速度為1.2 m/min時立向GMAW駝峰焊縫正視圖和側視圖。可以看出，立向GMAW駝峰焊縫沿焊接方向呈現規則的、周期性的局部凸起和凹陷分布。正視圖從側面看過去，立向GMAW駝峰焊縫的駝峰有向焊接反方向下墜的趨勢。

圖4 立向高速GMAW駝峰焊縫

相關研究表明[8-12]，電弧壓力和熔滴沖擊力作用下產生的動量很大的后向液體流是平向高速GMAW形成駝峰焊縫的主要原因，如圖5a所示。在高速GMAW時，大焊接電流導致的大電弧壓力和熔滴沖擊力會使電弧下方的熔池表面產生凹陷，高速下落的熔滴撞擊傾斜的熔池前壁反彈后會流向熔池后方，并帶動熔池內液態金屬流經較窄的熔池壁面流通道到達熔池尾部。由于該壁面流動量很大，能夠克服尾部堆積的液態金屬的靜壓力和表面張力，在尾部熔池表面不斷堆積，形成一個凸起。隨著電弧向前移動，熔池壁面流區域被拉長，且該區域的液態金屬層很薄，脫離電弧熱作用后率先凝固形成波谷，并阻礙熔池尾部堆積的液態金屬回流，隨后堆積的液態金屬凝固形成駝峰。周而復始，駝峰焊縫呈周期性分布。然而，在進行立向上高速GMAW時，一方面，與平向高速GMAW過程相似，在大焊接電流導致的大電弧壓力和熔滴沖擊力作用下產生動量很大的后向液體流；另一方面，由于后向液體流流向與重力方向一致，后向液體流的動量在重力作用下進一步增大，如圖5b所示。因此，立向高速GMAW焊更容易產生駝峰焊縫，同時，駝峰會出現向焊接反方向下墜現象。

圖5 高速GMAW駝峰焊縫形成示意圖

通過高速攝像機實時觀測上行立向高速GMAW駝峰焊縫的形成過程，圖6為開始焊接后2.8 s，3.0 s，3.2 s，3.4 s實時高速攝影圖像。從圖中可以看出，電弧壓力和熔滴沖擊力促使過渡到熔池的熔滴和熔化的母材形成動量很大的“后向液體流”，朝熔池尾部流動，并在熔池后部堆積，出現“隆起”，如圖6b所示。由于“后向液體流”的動量很大，使液態金屬無法向前回流。同時，電弧向前運動，液體流通道被拉長率先凝固，形成駝峰焊縫的“谷底”，如圖6c所示。凝固的“谷底”阻止了液態金屬繼續向后流動，“隆起”部分開始凝固，形成駝峰焊縫的“波峰”。剛凝固的“谷底”緊靠新的熔池尾部，液態金屬又在該處堆積，因此，呈周期性的駝峰焊縫形成，如圖6d所示。同時，在重力作用下，加劇了立向高速GMAW駝峰形成趨勢，并出現下墜現象，如圖6a所示。

圖6 立向高速GMAW駝峰焊縫形成高速攝影圖像(立向上焊)

綜上所述，在進行立向高速GMAW時，熔池中由電弧壓力、熔滴沖擊力和重力作用下產生的動量很大的后向液體流是形成駝峰焊縫的主要原因。

4 立向GMAW駝峰焊縫的抑制措施

熔池中由電弧壓力、熔滴沖擊力和重力作用下產生的動量很大的后向液體流是立向高速GMAW形成駝峰焊縫的主要原因。此時，重力方向與液體流流向是一致的，使液體流的動量進一步增大，從而加劇了駝峰焊縫的形成。若采用立向下焊，通過改變焊接方向和焊槍傾斜位置，使電弧壓力和熔滴沖擊力作用下產生的后向液體流流向與自身重力方向相反，阻止液體流向熔池尾部流去，從而抑制駝峰焊縫的形成，如圖7所示。

圖7 立向高速GMAW駝峰焊縫抑制措施示意圖

圖8a給出了立向下焊，焊接電流為200 A，不同焊接速度下立向高速GMAW駝峰焊縫。可以看出，焊接速度為1.2 m/min時焊縫成形良好，駝峰焊縫消失。當焊接速度進一步增加到2.4 m/min時，駝峰焊縫仍未產生，且焊縫成形良好。由此可見，改變焊接方向和焊槍傾斜位置可有效抑制焊駝峰焊縫的產生，從而大大提高了立向GMAW無駝峰焊縫形成條件下的焊接速度。

圖8 立向高速GMAW焊駝峰焊縫

5 結論

(1)采用立向上焊，當焊接電流不變，焊接速度增加到某一臨界值時，立向GMAW會形成駝峰焊縫。熔池中由電弧壓力、熔滴沖擊力和重力作用下產生的動量很大的后向液體流是駝峰焊縫形成的主要原因。

(2)采用立向下焊，改變了焊接方向和焊槍傾斜位置，使電弧壓力和熔滴沖擊力作用下產生的后向液體流流向與自身重力方向相反，阻止液體流向熔池尾部流去，可有效抑制焊駝峰焊縫的產生，顯著提高了立向GMAW焊接效率。