呂小青 ，王壯壯

（1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

冷金屬過渡(cold metal transfer，CMT)技術(shù)是Fronius公司在熔化極氣體保護(hù)焊短路過渡的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型焊接技術(shù)[1].為了避免由于“液橋”爆斷而產(chǎn)生飛濺，當(dāng)熔滴與熔池接觸發(fā)生短路時，焊接電流下降，同時焊機(jī)控制焊絲回抽以促進(jìn)熔滴向熔池過渡.因此，CMT技術(shù)具有較小的飛濺以及較低的熱輸入，被廣泛用于薄板焊接.變極性冷金屬過渡(variable polarity cold metal transfer，VP CMT)技術(shù)將變極性技術(shù)與 CMT技術(shù)結(jié)合在一起，相較于傳統(tǒng)的CMT，VP CMT不僅具有更高的熔敷效率和更好的間隙搭橋能力，而且具有更低的熱輸入和更小的飛濺，因此特別適合于鋁薄板、異種金屬的焊接[2-4].

VP CMT作為一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，許多專家學(xué)者對其進(jìn)行了研究.在工藝方面，為了適應(yīng)更多金屬的焊接，學(xué)者們結(jié)合不同的材料，對 VP CMT的焊接工藝窗口進(jìn)行了大量的探索[5-7].在焊接機(jī)理方面，汪殿龍等[8]定性研究了 VP CMT焊接過程中的電弧形態(tài)和熔滴過渡過程，發(fā)現(xiàn)在EP階段，電弧于焊絲端部集中，于工件部發(fā)散，形成了“鐘罩”形電??；而在 EN階段，電弧會沿焊絲上爬，同時該階段的熔滴過渡周期明顯小于 EP階段.Zhang等[9]以6061鋁合金為例，從熱輸入的角度研究了VP CMT正負(fù)極性之比對焊縫性能的影響.綜上所述，目前對于VP CMT機(jī)理的研究多為定性分析，而鮮有定量分析的報(bào)道.

因此，本文對 VP CMT熔滴過渡過程進(jìn)行高速攝影，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，首先提出了識別焊絲和熔滴之間“固-液”分界面以及計(jì)算燃弧階段瞬時熔滴體積的方法.之后對焊絲極性接正(EP)和接負(fù)(EN)燃弧階段熔滴體積增長量進(jìn)行了對比分析.該研究為后續(xù)精確控制溶滴大小，進(jìn)而控制焊縫成形提供了鋪墊.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用尺寸為 150mm×50mm×2mm的6061鋁合金板作為母材.選用的鋁焊絲型號為ER5356，其直徑為 1.2mm.保護(hù)氣體選用高純氬氣(99.999%).

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

整個試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，其主要包括焊接系統(tǒng)、高速攝像采集系統(tǒng)以及焊接電信號采集系統(tǒng).焊接系統(tǒng)包括Fronius公司的CMT Advanced 4000R型焊接電源、FANUC M-10iA型機(jī)器人以及伺服移動平臺；高速攝像采集系統(tǒng)主要包括 FASTCAMSuper10KC型高速攝像機(jī)、Nikon AF-S鏡頭、Kenko微距鏡頭以及波長為(808±10)nm的激光背光光源，采樣頻率設(shè)置為 4kHz，圖像分辨率為 896×896；焊接電信號采集系統(tǒng)主要包括霍爾電流(電壓)傳感器、NI數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)，采樣頻率同樣設(shè)置為4kHz.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

VP CMT的典型焊接電流波形如圖2所示.試驗(yàn)過程中將EP與EN之比設(shè)置為10∶10，即先進(jìn)行10個EP階段之后再進(jìn)行10個EN階段，并按此循環(huán)，在母材上進(jìn)行平鋪.其所對應(yīng)的實(shí)際電流波形如圖3所示.為了定量對比EP和EN階段的熔滴體積增長變化情況，設(shè)置了相關(guān)焊接參數(shù)，使 EP和 EN各階段具有相同的焊接電流及峰值電流持續(xù)時間.但由于EP和EN階段的熔滴過渡物理行為并不一致，故EP和EN階段的基值電流持續(xù)時間并不完全相同.

圖2 典型的VP CMT焊接波形Fig.2 Typical welding waveforms of VP CMT

圖3 EP與EN之比為10∶10的電流波形Fig.3 Current waveform with EP/EN ratio of 10∶10

試驗(yàn)中采用的具體焊接工藝參數(shù)如表1所示.焊接過程中焊槍以及高速攝像采集系統(tǒng)保持固定不動，母材在行走機(jī)構(gòu)的帶動下勻速運(yùn)動.在 CMT焊接中，送絲速度與焊接電流相關(guān)聯(lián).CMT焊機(jī)內(nèi)部的專家系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)際焊接電流匹配適當(dāng)?shù)乃徒z速度，該值無法通過人為修改.因此在不同的焊接參數(shù)下，其送絲速度并不相同.

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding parameters

2 熔滴體積的計(jì)算

2.1 熔滴輪廓提取

在 VP CMT焊接過程中，強(qiáng)烈的弧光及產(chǎn)生的煙塵會使原始圖片的質(zhì)量變差，干擾對圖像邊界的判斷[10].因此為了能夠準(zhǔn)確地計(jì)算熔滴體積，本文利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對由高速攝像機(jī)拍攝得到的原始熔滴過渡圖像進(jìn)行處理.整個圖像處理過程如圖4所示.

圖4 圖像處理過程Fig.4 Image processing process

2.2 “固-液”界面的判定

經(jīng)過圖像處理后的二值圖像由灰度等級為 0或255的像素點(diǎn)組成.通過焊絲直徑所對應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)推測出一個像素點(diǎn)所對應(yīng)的實(shí)際大小為 0.02mm.以二值圖片的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)建立像素坐標(biāo)系，x軸方向水平向右，y軸垂直于 x軸并且豎直向下.在圖像處理過程中對原始圖片進(jìn)行了剪切處理，保留感興趣區(qū)域(ROI).由于焊接過程中焊絲的往復(fù)運(yùn)動，每張圖片的 ROI并不完全相同，因此每張圖片的坐標(biāo)原點(diǎn)并不是固定不變的.根據(jù)熔滴徑向尺寸與焊絲直徑之間的關(guān)系，對焊絲與熔滴之間“固-液”分界面的判定可以分為3種情況.

第 1種情況發(fā)生于燃弧階段前期，如圖5(a)所示，此時焊絲剛抽離熔池，殘存在焊絲底部的液態(tài)金屬呈現(xiàn)不規(guī)則狀，該情況下熔滴徑向尺寸明顯小于焊絲直徑；第 2種情況發(fā)生于燃弧階段中后期，如圖5(b)所示，此時隨著固態(tài)焊絲熔化量的增加，液態(tài)金屬在表面張力等力的作用下，呈現(xiàn)較為規(guī)則的橢圓形，該情況下熔滴上半部分的徑向尺寸明顯大于焊絲直徑.

圖5 典型熔滴過渡圖像Fig.5 Typical images of droplet transfer

在熔滴過渡過程中，會出現(xiàn)熔滴徑向尺寸與焊絲直徑相等的情況.但這種情況持續(xù)時間較短，熔滴在表面張力、重力、電弧力等力的作用下，其徑向距離表現(xiàn)出大于或小于焊絲直徑，就很快轉(zhuǎn)換為前面兩種情況，在計(jì)算過程中將這種情況忽略不計(jì).

基于上述討論，沿 y軸方向測量了圖5(a)、(b)左、右輪廓邊界之間的距離d，測量結(jié)果如圖6所示.

圖6 左、右輪廓邊界距離Fig.6 Distance between right and left outline

理論上，焊絲的直徑應(yīng)該保持固定不變，但是從圖6中可以看出，測量得到的焊絲直徑存在明顯波動.這是因?yàn)樵趯?shí)際焊接過程中，焊絲并非完全垂直于工件，焊絲在背光光源的照射下會產(chǎn)生陰影區(qū)域，這會對焊絲邊界的識別造成干擾，導(dǎo)致提取的焊絲輪廓存在誤差.此外，煙塵、光線等噪聲同樣會干擾對焊絲邊界的識別.顯然，圖6中d開始連續(xù)上升或下降的位置所對應(yīng)的水平面即為“固-液”分界面.為了方便對“固-液”分界面的自動識別，當(dāng)左、右輪廓邊界距離 d沿 y軸連續(xù)相等時，僅保留其起始位置的d′，刪除后續(xù)距離連續(xù)相等的點(diǎn).其計(jì)算結(jié)果如圖7所示.圖7中的Δy為相鄰兩個 d′之間的距離.將左、右輪廓邊界距離 d ′連續(xù)增加或者減少且其相應(yīng)的Δy均小于閾值的起始突變點(diǎn)所對應(yīng)的水平面作為“固-液”分界面.

圖7 “固-液”界面分界點(diǎn)的判定Fig.7 Determination of“solid-liquid” boundary

2.3 熔滴體積的計(jì)算

將判定“固-液”界面分界面后熔滴二維投影圖像的旋轉(zhuǎn)體體積等效為實(shí)際的熔滴體積.熔滴體積的具體計(jì)算式為

式中：Vdrop為熔滴體積；y1、y2分別代表熔滴與焊絲分界面的 y軸坐標(biāo)以及熔滴最低點(diǎn)的 y軸坐標(biāo)；wpixel代表一個像素點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際大小；xright和 xleft分別代表熔滴輪廓右邊界和左邊界的x軸坐標(biāo).

需要說明的是，由于每張圖片中的坐標(biāo)原點(diǎn)位置可能會發(fā)生變化，故不同圖片中“固-液”分界面的 y軸坐標(biāo)并非恒定不變的.而判斷“固-液”分界面以及計(jì)算瞬時熔滴體積所需要的均為相對值，因此選擇任意坐標(biāo)原點(diǎn)不會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響.此外，在判斷熔滴與焊絲之間的“固-液”分界面時進(jìn)行了簡化處理，即將“固-液”界面簡化為水平面，因此在同一張圖片中，“固-液”分界面的y軸坐標(biāo)是定值.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在穩(wěn)定的焊接過程中，EP和 EN階段每一個熔滴過渡周期應(yīng)都具有相似的規(guī)律.因此利用第2節(jié)所述方法，分別計(jì)算了 1～5組焊接參數(shù)下，EP和 EN階段連續(xù) 5個穩(wěn)定的熔滴過渡周期燃弧階段的熔滴體積增長量ΔV以及該階段輸入功W，具體計(jì)算式為

式中：Vstart表示剛開始燃弧時的殘余熔滴體積；Vfinal表示即將熄弧時的熔滴體積；t1表示剛開始燃弧的時刻；t2表示即將熄弧的時刻；ut和it分別表示對應(yīng)時刻的瞬時電壓和瞬時電流.

1～5組焊接參數(shù)下計(jì)算得到的ΔV和 W 如圖8所示.總體來看，在相同焊接參數(shù)下，無論是EP還是EN 階段，計(jì)算得到的ΔV和 W 波動較小，均具有較好的一致性，這說明焊接過程較為穩(wěn)定.同時ΔV與W具有相同的變化趨勢，表明ΔV與W呈正相關(guān).分別對比相同參數(shù)下EP和EN階段的ΔV和W可以發(fā)現(xiàn)，EP階段的ΔV小于EN階段，而EP階段的W大于EN階段.在相同的參數(shù)下，EN階段的焊絲熔化量大于EP階段，當(dāng)焊絲與工件距離相同時，相較于EP階段，熔滴在 EN燃弧階段會先接觸熔池.因此 EN燃弧階段的持續(xù)時間小于 EP燃弧階段.根據(jù)式(3)可知，在相同的電參數(shù)下，燃弧階段持續(xù)時間越短，燃弧階段輸入功越小.

圖8 各參數(shù)下 EP/EN燃弧階段熔滴體積增長量及其輸入功Fig.8 Increasing amount of droplet volume and input work in plasma phase of EP/EN phase under different parameters

燃弧階段輸入功與熔滴體積增長量之比W/ΔV表示得到單位體積的液態(tài)金屬所需要的輸入功.圖9給出了不同焊接參數(shù)下EP和EN階段的W/ΔV.

圖9 EP/EN階段下輸入功與熔滴體積增長量之比Fig.9 Ratio of input work and droplet volume increasing amount in EP and EN phase

從圖9可以看出，各組參數(shù)下計(jì)算得到的W/ΔV具有較小的波動，而且 EP和 EN階段整體的W/ΔV同樣波動較小.這表明燃弧階段熔滴體積的增加量與該階段的輸入功線性正相關(guān).將EP和EN階段在各組參數(shù)下所求得的W/ΔV分別求平均值，可得 EP階段的W/ΔV約為 10.443J/mm ，EN 階段的W/ΔV約為4.903J/mm，EP階段約為EN階段的2.2倍.這說明熔化相同體積的鋁焊絲，EP階段需要消耗的輸入功約是EN階段的2.2倍.

焊絲熔化的熱量主要來源于伸出焊絲本身的電阻熱、陽極(或陰極)析熱以及電弧傳熱 3部分[11-12].考慮到鋁焊絲的電阻較小，產(chǎn)生的電阻熱較小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從陰(陽)極產(chǎn)熱以及電弧傳熱兩個方面進(jìn)行分析.

陽/陰極析熱的計(jì)算式[12]分別為

式中：PA表示陽極析熱；PC表示陰極析熱；UA表示陽極壓降；UC表示陰極壓降；UW表示電子逸出功；UT表示弧柱溫度等效電壓；I表示焊接電流.相關(guān)的物理參量如表2[13]所示.

表2 物理參量Tab.2 Physical parameters

結(jié)合式(4)、式(5)和表2可得，PA和PC分別為5.5I、10.54I，PC大約為PA的 1.9倍.這表明，在相同的電流參數(shù)下，鋁焊絲作為陰極時的產(chǎn)熱大約是作為陽極時產(chǎn)熱的 1.9倍.需要說明的是，在本次計(jì)算過程中，忽略了焊絲直徑、保護(hù)氣體成分、焊絲伸出長度、焊絲與工件之間的距離以及 EN/EP階段電弧空間溫度不同等次要因素對陽極壓降和陰極壓降的影響，而將這些視為定值.考慮到上述因素波動范圍不大，對陰/陽極壓降的影響較小，因此將其忽略，計(jì)算得到的陰陽極區(qū)產(chǎn)熱之比存在一定的誤差.

由于氧化鋁電子逸出功為 3.9eV，小于純鋁電子逸出功4.2eV.因此在EN階段，即焊絲作為陰極時，為了更易于發(fā)射電子，電弧會沿焊絲產(chǎn)生“上爬”現(xiàn)象，尋找焊絲的氧化膜處，此時焊絲會有更多部位接受到高溫弧柱區(qū)的熱輻射；而在 EP階段，即焊絲作為陽極時，由于純金屬的電離能低于金屬氧化膜以及氬氣的電離能，電弧會包裹液態(tài)純金屬熔滴，此時焊絲有較小的部位接受到弧柱區(qū)域的熱輻射.因此，EN階段相較于 EP階段接收到了更多的電弧傳熱，導(dǎo)致在相同的熱輸入下EN階段熔化的焊絲體積大于EP階段.

4 結(jié) 論

(1) 通過對拍攝得到的鋁焊絲VP CMT熔滴過渡圖像進(jìn)行圖像處理，分別針對熔滴徑向尺寸大于焊絲直徑或小于焊絲直徑兩種情況，提出了基于熔滴的輪廓邊界距離的變化作為焊絲和熔滴分界面的新思想，進(jìn)而給出了計(jì)算燃弧階段熔滴瞬時體積的方法.

(2) 定量對比分析了鋁焊絲VP CMT在EP/EN階段的熔滴體積增長量和輸入功，發(fā)現(xiàn)無論是在 EP階段還是EN階段，燃弧階段熔滴體積增長量與燃弧階段輸入功呈線性正相關(guān)；熔化相同體積的鋁焊絲，EP燃弧階段需要消耗的燃弧階段輸入功約是EN階段的2.2倍.