，，，，，

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)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(dāng)前管道鋪設(shè)效率和質(zhì)量的要求。窄間隙MAG焊接技術(shù)因其坡口尺寸小、焊接熱輸入小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國焊接學(xué)者的重視，并廣泛應(yīng)用在陸上管道鋪設(shè)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(duì)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(shù)面臨的最關(guān)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(qiáng)對(duì)側(cè)壁的熱輸入[3]。因此，先后提出焊炬擺動(dòng)電弧[4-5]、磁控?cái)[動(dòng)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(dòng)使電弧形態(tài)和熔滴特征變化更加復(fù)雜。Fan H G，Kovacevic R教授[11]對(duì)GMAW平板焊接過程中的熔滴形成、分離時(shí)的熔滴體積和能量傳遞現(xiàn)象進(jìn)行了動(dòng)態(tài)研究，并構(gòu)建了熔滴過渡數(shù)學(xué)模型。哈爾濱理工大學(xué)的蘭虎博士[12]觀測(cè)了窄坡口MAG焊接中電弧擺動(dòng)的不同位置處的電弧形態(tài)，并研究電弧擺動(dòng)對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐望輝觀察高速攝像系統(tǒng)對(duì)窄間隙GMAW立焊時(shí)旋轉(zhuǎn)電弧下的熔滴過渡，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電弧擺動(dòng)到側(cè)壁時(shí)的熔滴過渡速率快于在坡口中心時(shí)。離心力引起熔滴尺寸和頻率的改變[13]。這些大都是對(duì)平板焊接或旋轉(zhuǎn)電弧和磁控?cái)[動(dòng)電弧的電弧形態(tài)和熔滴過渡進(jìn)行的研究。旋轉(zhuǎn)電弧機(jī)械磨損嚴(yán)重，磁控電弧需要外加磁場(chǎng)，且設(shè)備復(fù)雜，目前均不能大范圍應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)管道焊接中，現(xiàn)實(shí)中需要研究窄間隙焊炬擺動(dòng)對(duì)電弧形態(tài)和熔滴過渡的影響。

擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊中，擺動(dòng)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(dòng)焊槍，深入研究電弧擺動(dòng)寬度對(duì)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(yàn)依據(jù)。

1 新型高速擺動(dòng)焊槍

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

針對(duì)管道窄坡口焊接的特點(diǎn)，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(jī)驅(qū)動(dòng)焊槍擺動(dòng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要換向裝置，直接實(shí)現(xiàn)焊槍的高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。理論上可以實(shí)現(xiàn)30 Hz的擺動(dòng)頻率，因附屬設(shè)備的機(jī)械精度原因，該焊槍在實(shí)際焊接試驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)15 Hz的穩(wěn)定擺動(dòng)。新型高速擺動(dòng)焊槍的實(shí)物如圖1a所示。

圖1 高速擺動(dòng)焊槍Fig.1 High speed swing torch map

高頻擺動(dòng)焊炬的結(jié)構(gòu)示意如圖1b所示。導(dǎo)電嘴以向心關(guān)節(jié)軸承為支點(diǎn)，音圈電機(jī)推動(dòng)導(dǎo)電桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，高頻擺動(dòng)焊炬的擺動(dòng)幅度表達(dá)式為

式中 Δa為音圈電機(jī)的移動(dòng)幅度；c為向心關(guān)節(jié)軸承到焊絲端部的距離；b為直線軸承中心到向心關(guān)節(jié)軸承中心的距離。當(dāng)焊槍以關(guān)節(jié)軸承為擺心，導(dǎo)電嘴到關(guān)節(jié)軸承的距離為半徑c做鐘擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電嘴高度在焊槍擺動(dòng)過程中會(huì)隨著擺動(dòng)角度發(fā)生變化。最大高度偏差為

當(dāng)導(dǎo)電嘴到關(guān)節(jié)軸承距離c=52 mm、擺動(dòng)半徑為w=3 mm時(shí)，Δh=0.021 6 mm，因?yàn)樵诤笜寯[動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電嘴高度方向上變化很小，近似為平擺運(yùn)動(dòng)。

焊槍在窄坡口內(nèi)的擺動(dòng)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(biāo)系，坡口兩側(cè)與垂直方向的夾角為12°。導(dǎo)電嘴端部的運(yùn)動(dòng)軌跡為（x，h），其中 h=15 mm

式中 f為擺動(dòng)焊槍的擺動(dòng)頻率；w為擺動(dòng)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(dòng)Fig.2 Welding torch swing figure in the narrow groove

2 MAG系統(tǒng)的弧長變化數(shù)學(xué)模型

在窄坡口MAG焊中電弧傳感的數(shù)值仿真可用來對(duì)電弧長度變化進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。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(shí)，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(dòng)，電弧形態(tài)和長度會(huì)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(shí)Led=0[14]。

式中 Rw為焊絲直徑；MR為單位時(shí)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(dòng)過程中，焊絲端部在圖2所示的笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)是（x，15-Ls），當(dāng)電弧不偏轉(zhuǎn)時(shí)，電弧長為15-Ls，當(dāng)電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，電弧長為點(diǎn)（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(diǎn)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(dòng)寬度的焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)采用福尼斯TPS4000全數(shù)字化智能焊機(jī)，該焊機(jī)為一元化焊接電源，當(dāng)選定送絲速度，焊機(jī)會(huì)自動(dòng)匹配合適的焊接電壓、焊接電流，并且在焊接試驗(yàn)中可以根據(jù)實(shí)際需要修正電壓。選用直徑1.0 mm的林肯JM-56焊絲，保護(hù)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(yàn)使用的焊件坡口底部寬度7 mm，短路過渡試驗(yàn)使用的坡口寬度5 mm。

在窄坡口中，焊炬擺動(dòng)帶動(dòng)電弧擺動(dòng)。擺動(dòng)幅度是指焊槍導(dǎo)電嘴擺動(dòng)到最大角度時(shí)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(diǎn)處做一垂線，焊炬擺動(dòng)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(yàn)參數(shù)分別如表1、表2所示。

4 試驗(yàn)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(jī)拍攝A0～A3，B0～B3兩組試驗(yàn)的電弧、熔滴圖像，攝像機(jī)幀速度1 000幀/s，快門時(shí)間X20。每個(gè)試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)

射流過渡試驗(yàn)中窄坡口內(nèi)電弧擺動(dòng)時(shí)的電弧熔滴圖像如圖3所示。電弧不擺動(dòng)時(shí)，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(shí)，熔滴直徑約為1.4 mm。當(dāng)短路過渡發(fā)生時(shí)，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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)弧長和電流發(fā)生周期性變化，進(jìn)而影響熔滴過渡。隨著焊絲在坡口內(nèi)做周期性擺動(dòng)，熔滴過渡形式和電弧形態(tài)也呈現(xiàn)周期性變化。當(dāng)焊絲在坡口中間時(shí)，熔滴以射滴過渡和射流過渡為主，電弧呈現(xiàn)圓錐狀；當(dāng)擺動(dòng)到兩側(cè)時(shí)，完全轉(zhuǎn)換成射流過渡，焊絲端部被熔化成細(xì)長“鉛筆尖”狀，而且隨著擺動(dòng)寬度的增加，熔滴的過渡頻率加快，熔滴更小，有時(shí)以細(xì)小的液柱形式快速過渡到熔池中。當(dāng)擺寬為5 mm時(shí)，出現(xiàn)“焊絲回?zé)爆F(xiàn)象，整個(gè)擺動(dòng)過程以射流過渡為主；當(dāng)擺動(dòng)寬度增加時(shí)，受“焊絲回?zé)爆F(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(dāng)擺寬增加到7 mm時(shí)，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(dá)1.8 mm，飛濺增加，焊接勉強(qiáng)保持穩(wěn)定。

圖3 射流過渡試驗(yàn)中窄坡口內(nèi)電弧擺動(dòng)時(shí)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(dòng)和不擺動(dòng)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(shí)焊接穩(wěn)定，但是當(dāng)擺動(dòng)寬度超過7 mm時(shí)，因電弧回?zé)F(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(hào)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(yàn)

在短路過渡模式下，焊絲擺動(dòng)過程中以短路過渡為主，電弧熔滴圖像如圖4所示。當(dāng)擺寬為3 mm時(shí)，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(dāng)擺寬為4 mm時(shí)，側(cè)壁處出現(xiàn)少量射流過渡和射滴過渡；當(dāng)擺寬增加到5 mm時(shí)，飛濺嚴(yán)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(shí)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(xué)模型，利用Matlab/simulink建立窄間隙MAG焊擺動(dòng)電弧長度的仿真模型。對(duì)坡口底部寬度5mm的管線坡口進(jìn)行仿真，擺寬為3 mm，焊接參數(shù)和試驗(yàn)中的短路過渡下的參數(shù)一致，得到仿真信號(hào)如圖5所示。

圖4 短路過渡試驗(yàn)中窄坡口內(nèi)電弧擺動(dòng)時(shí)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(hào)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?cái)[動(dòng)呈周期性變化。當(dāng)焊絲擺動(dòng)到側(cè)壁附近時(shí)，電弧長度呈減小—增加—減小的變化，隨后恢復(fù)在坡口中心時(shí)的長度，這反映在圖4b所示的電弧熔滴圖像中。當(dāng)焊絲向側(cè)壁擺動(dòng)時(shí)，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(jī)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?zé)?，因?yàn)楹附z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(dāng)焊絲向坡口方向擺動(dòng)時(shí)，因?yàn)楹附z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(dòng)，電弧長度恢復(fù)到原來長度。

電弧長度在側(cè)壁時(shí)長于在坡口中心時(shí)，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?cái)[動(dòng)，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(dòng)對(duì)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(yīng)跟蹤打下基礎(chǔ)。

（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(dāng)擺寬增加到一定值時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)“焊絲回?zé)爆F(xiàn)象，所以電弧的擺動(dòng)寬度應(yīng)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(shí)，可獲得穩(wěn)定的焊接。

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

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