【正文】 對(duì)熔滴過(guò)渡的影響 電弧電壓對(duì)熔滴過(guò)渡也有一定的影響，圖 8是不同電弧電壓的熔滴過(guò)渡。熔滴過(guò)渡發(fā)生上述變化的主要是由于隨著焊絲送進(jìn)速度的增大，電流增大，從而引起電磁收縮力及等離子流力的增大，并且弧根的分布也發(fā)生變化，弧根面積籠罩整個(gè)熔滴，熔滴尖端被削成鉛筆尖狀，這樣電磁力就促進(jìn)熔滴過(guò)渡。隨著焊絲送進(jìn)速度增大時(shí)，熔滴尺寸減小，熔滴在焊絲端部的左右移動(dòng)頻率增加，過(guò)渡頻率也逐步增加，過(guò)渡周期縮短，過(guò)渡形式也發(fā)生改變。隨著焊絲送進(jìn)速度的增大，熔滴的過(guò)渡類(lèi)型發(fā)生改變。 MAG 焊熔滴過(guò)渡的影響因素 焊絲送進(jìn)速度對(duì)熔滴過(guò)渡的影響 焊絲送進(jìn)速度對(duì)熔滴過(guò)渡的影響較大，圖 7為電弧電壓 25V，不同焊絲送進(jìn)速度下的熔滴過(guò)渡。此時(shí)，焊接電流非常大，金屬熔化非?？?，幾乎是 1ms 就過(guò)渡一次，由高速攝像的照片已經(jīng)不能很清楚的看到小熔滴的形成長(zhǎng)大及過(guò)渡，而是液態(tài)金屬成流狀在焊絲端部流動(dòng)匯聚到一點(diǎn)，形成液柱，而液柱端部會(huì)被等離子氣流削成形成很細(xì)的尖狀，細(xì)小的 熔滴從中射出，一滴一滴過(guò)渡到熔池，即射流過(guò)渡。由電流電壓波形圖可以看出在熔滴過(guò)渡前后電弧電壓變化在 2V 范圍內(nèi)，波動(dòng)不大，說(shuō)明這是種穩(wěn)定的過(guò)渡形式，并且過(guò)渡頻率還高，更增加了其穩(wěn)定性，飛濺非常少，焊縫成型質(zhì)量很好。由熔滴過(guò)渡過(guò)程可以看出，因?yàn)榇藭r(shí)電流增大，所以金屬熔化快，并且熔化量增加，小熔滴可很快形成，所受的電磁力增加，所以可以很快的匯聚到一點(diǎn)形成一個(gè)熔滴，但此時(shí)熔滴直徑較大滴過(guò)渡時(shí)小很多，電弧 13 爍亮區(qū)籠罩了熔滴的整個(gè)下半球面或更大面積，使斑點(diǎn)壓力和電磁收縮力都有利于熔滴過(guò)渡，只有表面張力對(duì)熔滴過(guò)渡起阻礙作用。但是短路過(guò)度的焊接參數(shù)范圍窄，應(yīng)用較少。過(guò)程為熔滴開(kāi)始與熔池短路，隨后出現(xiàn)頸縮，在表面張力與電磁收縮力的作用下，液柱變細(xì)，電流密度升高，液柱斷開(kāi)，熔滴向母材過(guò)渡，形成短路過(guò) 渡，當(dāng)液柱斷開(kāi)時(shí)會(huì)形成飛濺。 短路過(guò)渡形式 當(dāng)電流和電弧電壓較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短路過(guò)渡形式。但因?yàn)殡娀‰妷狠^高，所以弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，熔滴形成后不易與熔池短路過(guò)渡。 大顆粒過(guò)渡形式 當(dāng)電流較小和電弧電壓較高時(shí)，出現(xiàn)大顆粒過(guò)渡形式。 MAG 焊熔滴過(guò)渡形式 調(diào)節(jié)不同的電弧電壓、焊絲送進(jìn)速度等焊接工藝參數(shù)，用氙燈背光高速攝像系統(tǒng)拍攝了大量的熔滴過(guò)渡圖片。 以上分析了幾種對(duì)熔滴過(guò)渡起到重要作用的力，此外熔滴過(guò)渡還受到摩擦力、斑點(diǎn)壓力等力的作 用，在這些力的綜合作用下，當(dāng)促進(jìn)熔滴過(guò)渡的力大于阻礙熔滴過(guò)渡的力時(shí)，熔滴便實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡。通常在小電流焊接時(shí)，熱輸入量小，金屬蒸發(fā)反作用力不會(huì)被過(guò)多的考慮。 （ 5）金屬蒸發(fā)反作用力 Fvp 金屬蒸發(fā)反作用力是熔化極焊接過(guò)程中，焊絲末端和熔池在電弧斑點(diǎn)范圍內(nèi)可以被加熱到沸點(diǎn)溫度，使液態(tài)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)，以一定的速度從斑點(diǎn)發(fā)射出去，有時(shí)還析出氣體。等離子流力與焊絲直徑和焊接電流有密切關(guān)系，采用的焊絲直徑越細(xì)，電流越大，產(chǎn)生的等離子流力和流速越大，因而對(duì)熔滴推力也就越大。如弧根面積籠罩整個(gè)熔滴，此處的電磁力促進(jìn)熔滴過(guò)渡；若弧根面積小于熔滴直徑，此處的電磁力形成斑點(diǎn)力的一部分會(huì)阻礙熔滴過(guò)渡。若 ScSd時(shí)，形成的合力向下會(huì)促進(jìn)熔滴過(guò)渡。電流在熔滴中的流動(dòng)路線可以看做圓弧形如圖 8，若斑點(diǎn)面積小于熔滴直徑，此時(shí)形成的電磁力為： 2 log cct dSFI S? （ 3） 式中： Sc—— 弧根面積 (mm2)。 這時(shí)的電磁力是由 小截面指向大截面，它是促進(jìn)熔滴過(guò)渡的。 圖 6 電磁力示意圖 11 電磁力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響，可以按不同的位置加以分析。 而電磁力軸向分力是因?yàn)閷?dǎo)體的截面變化而產(chǎn)生的，其方向總是從小截面指向 大截面。根據(jù)電磁理論，兩根相互平行的導(dǎo)體流過(guò)相同方向電流時(shí)在彼此產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下會(huì)相互吸引，這種引力作用于液體導(dǎo)體使液體變形或者發(fā)生運(yùn)動(dòng)。而電流通過(guò)熔滴時(shí)，這時(shí)產(chǎn)生的電磁力可以分解為徑向和軸向的兩個(gè)分力。將所有的電流束線所產(chǎn)生的吸引力積分起來(lái)，就可以得到一個(gè)使導(dǎo)體從四周向中心壓縮的力。 （ 3）電磁收縮力 Fc 由電磁學(xué)理論可知：任何一根載流導(dǎo)體都會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，如在兩根相距不遠(yuǎn)的平行導(dǎo)線中，通以同向 電流則相互吸引，如電流方向相反則相互排斥。特別是當(dāng)液柱的半徑越來(lái)越小即熔滴越來(lái)越小時(shí)，其表面張力就會(huì)越來(lái)越小。 MAG 焊的表面張力大小會(huì)影響熔滴的過(guò)渡特性。 在 MAG 焊中，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，在熔滴過(guò)渡過(guò)程中，重力起到了較大的作用，特別是在焊接電流不夠大電磁力較小時(shí)，重力往往是促進(jìn)熔滴過(guò)渡的主要力。 （ 1）重力 G 在平焊位置的情況下，重力始終作為促進(jìn)熔滴過(guò)渡 的力作用在熔滴上。從本質(zhì)上講， MAG 焊的熔滴過(guò)渡過(guò)程是在受到重力、表面張力、電磁收縮力、等離子流力等力的共同作用下完成的，這些力的綜合作用的結(jié)果決定了 MAG焊熔滴的過(guò)渡形式。 MAG 焊的熔滴渡過(guò)程十分復(fù)雜，其熔滴過(guò)渡的機(jī)理有待研究。研究了不同焊接工藝參數(shù)下的熔滴過(guò)渡及其影響因素，分析了 MAG 焊的熔滴過(guò)渡特征。熔滴過(guò)渡直接影響到電弧穩(wěn)定性和成型質(zhì)量，熔滴過(guò)渡形式對(duì)焊縫成型效果的影響最大，對(duì)熔滴過(guò)渡加以控制可得到較好的焊縫成型 [14]。而自由過(guò)渡又分為大滴過(guò)渡、噴射過(guò)渡及爆炸過(guò)渡，大滴過(guò)渡包括大滴滴落過(guò)渡和大滴排斥過(guò)渡，噴射過(guò)渡包括射滴過(guò)渡、射流過(guò)渡和旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡。 9 第 4 章 MAG 焊的熔滴過(guò)渡研究 熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)程中的熔滴過(guò)渡是非常重要的焊接冶金過(guò)程，它不僅 影響電弧的穩(wěn)定性，而且對(duì)焊接化學(xué)冶金反應(yīng)、焊縫成型甚至接頭的力學(xué)性能都有影響。電壓波動(dòng)較小，電流波動(dòng)較大。研究了影響電弧特性的各種因素。 由以上試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，隨著焊絲送進(jìn)速度的增大，使焊接電流增加 的同時(shí)，其焊接電流波動(dòng)卻越來(lái)越小，電弧燃燒越來(lái)越穩(wěn)定，也就是說(shuō)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性增加。當(dāng)焊絲送進(jìn)速度較小為 3m/min 時(shí)，平均電流為 200A 左右，但電流波動(dòng)范圍較大，由直方圖可以看出電流值在 170A240A之間分布較多，分 布范圍很大，并且分布最多數(shù)據(jù)的 210A220A 之間也只占數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分之十幾，可見(jiàn)電流分布很不穩(wěn)定也就是說(shuō)明在較低的焊絲送進(jìn)速度下，電流電壓波動(dòng)大，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。圖 5(b)、 (d)、 (f)分別為焊接電流直方分布圖，共同的電弧電壓為 25V。 焊絲送進(jìn)速度的影響 圖 5 是對(duì)比了相同的 焊絲在相同焊接電壓下不同焊絲送進(jìn)速度的電壓電流波形。 由以上實(shí)驗(yàn)可以知道電弧電壓可以在較小范圍內(nèi)影響焊接電流，并且隨著電弧電壓的增加焊接電流的分布更加集中，波動(dòng)性減小，電弧燃燒穩(wěn)定。 6 a) 25V波形圖 b) 25V直方圖 c) 26V波形圖 d) 26V直方圖 e) 27V波形圖 f) 27V直方圖 圖 4 不同電弧電壓下的電壓電流波形圖及焊接電流直方圖 由圖可以看出，當(dāng)電弧電壓較小為 25V 時(shí)，如圖 (a)、 (b)所示，此時(shí)的電流較小，處在 270A 左右，由直方圖可知電流分散較廣，分布最多的 270A 也只占總 數(shù)據(jù)量的 20%。圖 4(b)、 (d)、 (f)分別為焊接電流直方分布圖。 電弧電壓的影響 當(dāng)選定一定的焊絲送進(jìn)速度后，設(shè)定不同的電壓，其焊接電流和電弧電壓的波動(dòng)及電流分布如圖 4 所示。試驗(yàn)主要研究電極電弧燃燒時(shí) ，焊接電流隨時(shí)間的波動(dòng)規(guī)律。在 MAG 焊中，研究其電特性，可以為工藝參數(shù)的正確選擇提供依據(jù)，并可為進(jìn)一步研究電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡行為奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)于了解和分析電弧燃燒的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。電弧電特性不同，熔滴受到的焊接電弧力不同，熔滴呈不同的過(guò)渡形式。 本章對(duì)電弧的電特性進(jìn)行了研究，用電流電壓采集系統(tǒng)記錄了電壓、電流波形，研究了電弧電特性及其影響因素。對(duì)焊接電弧物理性能的研究一直都是現(xiàn)代電弧領(lǐng)域中的一大研究課題 [8]。 5 第 3 章 MAG 焊的電弧特性研究 電弧是一種強(qiáng)烈的氣體放電現(xiàn)象。電流、電壓傳感器標(biāo)定電路圖如圖 3。 試驗(yàn) 所使用的電壓、電流傳感器，其核心部件為霍爾效應(yīng)元器件，考慮到傳感器的使用性能，測(cè)量精度 和安全性能，在試驗(yàn)之前需對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定，以降低試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的誤差，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。 本文通過(guò)此高速攝像系統(tǒng)得到的圖片對(duì)電弧和熔滴行為進(jìn)行觀察、測(cè)試和分析，具體地說(shuō)有如下方面： （ 1）研究 MAG 焊的電弧特性，分析 MAG 焊電弧特性與焊縫成型的影響關(guān)系； （ 2）研究熔滴過(guò)渡形式與熔滴受力，分析熔滴過(guò)渡行為與焊縫成型的影響關(guān)系。 拍攝的圖片傳送到計(jì)算機(jī)，儲(chǔ)存在硬盤(pán)中，用通用的看圖軟件對(duì)圖片進(jìn)行觀察和分析。用 MIG 焊機(jī)串聯(lián)上一個(gè)電容作為氙燈的電源，通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)氙燈的光強(qiáng)。 圖 2 氙燈背光及高速攝像系統(tǒng)示意圖 在焊接過(guò)程中，弧柱區(qū)與熔池及周?chē)鷧^(qū)域的亮度差異大大超過(guò)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，采用常規(guī)的拍攝方法不易獲得清晰的熔滴圖像。 當(dāng)以熔滴過(guò)渡為主要研究對(duì)象時(shí)，增加氙燈背光系統(tǒng)以消除弧光的干擾。實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行 CCD 焦距調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)調(diào)節(jié) CCD 光圈，使得圖像達(dá)到最好的效果。高速攝影法是以高速攝像機(jī)替代高速攝影機(jī)，與高速攝影法相比，省掉了沖洗膠片的工作，其工作原理和記錄手段都有了很大的進(jìn)步，記錄結(jié)果可以直接在監(jiān)視器上顯示 [46]。 圖 1 焊接系統(tǒng)示意圖 3 電弧及熔滴過(guò)渡信息采采集方法與設(shè)備 （一）氙燈背光 高速攝像系統(tǒng) 高速攝像技術(shù)是在高速攝影技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種先進(jìn)測(cè)試手段。其中焊槍、送絲機(jī)構(gòu)是整個(gè)焊接系統(tǒng)的核心部分。 焊接工藝試驗(yàn)系統(tǒng) 圖 1 為試驗(yàn)中進(jìn)行平板堆焊時(shí)的焊接試驗(yàn)系統(tǒng)框圖。首先利用高速攝像系統(tǒng)配合適當(dāng)?shù)臏p光片采集電弧形態(tài)，分析電弧的電特性及其與焊縫成型的關(guān)系；然后采用氙燈背光高速攝像系統(tǒng)及電流電壓采集系統(tǒng)對(duì) MAG 焊的熔滴 過(guò)渡行為與電信號(hào)進(jìn)行拍攝及采集，分析熔滴過(guò)渡行為與焊縫成型的關(guān)系，最后利用電弧特性及熔滴過(guò)度行為分析 MAG焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成型的影響。 研究?jī)?nèi)容 本文研究了一種 MAG 焊試驗(yàn)方法 ， 利用高速攝像系統(tǒng)配合適當(dāng)?shù)臏p光片采集電弧形態(tài)，分析電弧的電特性；采用氙燈背光高速攝像系統(tǒng)及電流電壓采集系統(tǒng)研究 MAG 焊的熔滴過(guò)渡行為；利用電弧特性及熔滴過(guò)渡行為分析不同工藝參數(shù)對(duì)焊縫成型的影響。 2021 年，哈爾濱的鄭 森木、高洪明、劉鑫以SUS304 不銹鋼帶為電極材料，采用自主設(shè)計(jì)的帶狀電極 MAG 焊槍在低碳鋼板上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，用高速攝像系統(tǒng)觀察電弧形態(tài)及其變化，并用電流電壓傳感器記錄焊接電流和電弧電壓波形，分析了不同焊接參數(shù)下的電弧行為及其影響因素，討論了引起電弧行為變化的原因 [3]。 研究現(xiàn)狀 2021 年，太原科技大學(xué)的權(quán)旺 林、王寶通過(guò)漢諾威焊接質(zhì)量分析儀檢測(cè)焊絲電弧信號(hào)，檢測(cè)在一個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)，把熔滴還沒(méi)有發(fā)生短路瞬間的電弧信號(hào)變化量作為評(píng)定金屬過(guò)渡的指數(shù)，從而通過(guò)調(diào)節(jié)電流和電壓的匹配，確定熔滴過(guò)渡處在何種模式下 [1]。 MAG 焊時(shí)，改變工藝參數(shù)將影響電弧行為，而電弧行為直接影響熔滴過(guò)渡，從而影響到焊縫成型。 隨著焊絲送進(jìn)速度的增加即焊接電流的增加，電弧弧長(zhǎng)變短，焊絲熔化速度增加，促使熔滴過(guò)渡的力增加，熔滴過(guò)渡頻率增加，焊縫成型明顯變好；隨著電弧電壓的增加，弧長(zhǎng)增加，電弧擴(kuò)展，電弧壓力減小，熔滴過(guò)渡受到影響，導(dǎo)致熔寬增加。隨著焊絲送進(jìn)速度增加，熔滴的過(guò)渡類(lèi)型發(fā)生改變。 根據(jù)電弧穩(wěn)定性、焊縫成型等試驗(yàn)結(jié)果，可以知道射流過(guò)渡是主要的熔滴過(guò)渡形式， MAG 焊在較大范圍內(nèi)都呈現(xiàn)射流過(guò)渡。利用高速攝像系統(tǒng)配合適當(dāng)?shù)臏p光片采集電弧形態(tài)，分析電弧的電特性；采用氙燈背光高速攝像系統(tǒng)及電流電壓采集系統(tǒng)對(duì) MAG 焊的熔滴過(guò)渡行為與電信號(hào)進(jìn)行拍攝及采集。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ) 答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 答辯委員會(huì)意見(jiàn) 答辯委員會(huì)主任： 年 月 日 目錄 摘要 .................................................................... Ⅰ Abstract ................................................................ Ⅱ 第 1 章 緒論 .............................