張洪濤，馮吉才，胡樂亮

(哈爾濱工業(yè)大學(威海)材料科學與工程學院，山東威海264209，Email:hitzht@yahoo.com.cn)

CMT能量輸入特點與熔滴過渡行為

張洪濤，馮吉才，胡樂亮

(哈爾濱工業(yè)大學(威海)材料科學與工程學院，山東威海264209，Email:hitzht@yahoo.com.cn)

為分析CMT焊接方法的工藝特點，采用高速CCD攝像機建立了電弧形態(tài)和熔滴過渡視覺傳感系統(tǒng)并且通過電流、電壓傳感器建立了波形采集系統(tǒng)，以此分析其能量輸入特點和熔滴過渡行為.結果顯示，CMT焊接波形控制呈現(xiàn)典型的直流脈沖特征，焊接時熱輸入較低;在CMT短路過渡過程中，熔滴尺寸隨焊接電流的增加幅度不大，將熔滴尺寸控制在一定范圍內可實現(xiàn)穩(wěn)定的短路過渡.CMT短路過渡通過焊絲回抽，避免了大的電磁力，有效地消除了飛濺.當電流增大到一定值時，其過渡形式將轉變?yōu)樯涞芜^渡和短路過渡的混合過渡.

CMT;熔滴過渡;能量輸入;電弧形態(tài)

雖然MIG焊是一種應用廣泛、效率較高的焊接工藝，但由于傳統(tǒng)MIG焊熱輸入量高、變形大、飛濺無法避免等缺點，因而限制了它在某些領域的應用，尤其是在1 mm以下的薄板和異種金屬連接方面具有明顯的劣勢［1－3］.CMT(Cold metal transfer)冷金屬過渡焊接技術作為一種無焊渣飛濺的新型焊接工藝技術，這種技術主要采用外加回抽力促進熔滴發(fā)生短路過渡，同時在電壓電流的波形控制方面進行了改進，極大地限制了焊接熱輸入.許多學者對CMT方法連接薄板及超薄板進行了研究，發(fā)現(xiàn)此方法可以明顯減小焊接熱輸入，實現(xiàn)對薄板和超薄板的良好連接［4，5］.同時這種低熱輸入的特性也決定了CMT同樣適于連接異種金屬接頭［6－9］.但是截止目前關于CMT的研究主要集中在工藝適用性方面，而對于其熔滴過渡行為及能量輸入特點在國內外鮮有報道.對于弧焊的熔滴過渡及電弧加熱行為進行研究一般采用CCD高速攝像技術作為主要手段［10－12］，因此本文采用高速CCD攝像機建立CMT焊接時的電弧形態(tài)和熔滴過渡視覺傳感系統(tǒng)，同時通過電流傳感器和電壓傳感器建立電流電壓波形采集系統(tǒng)，以此來分析CMT焊接時的能量輸入特點和熔滴過渡行為.

1 試驗方法

如圖1是電弧形態(tài)視覺傳感系統(tǒng)示意圖，主要包括高速攝像機、濾光片、圖像采集卡等組成.

電流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由HY－1232數(shù)據(jù)采集卡、電壓傳感器、電流傳感器LT300和計算機組成.數(shù)據(jù)采集程序用C++編寫，采集時，由數(shù)據(jù)采集卡輸出脈沖觸發(fā)信號，啟動高速攝像并同時自身啟動信號采集.同時，也通過高速CCD攝像機建立熔滴過渡圖像采集系統(tǒng).試驗中采用背光陰影法拍攝焊接時的熔滴過渡過程.CMT熔滴過渡視覺傳感系統(tǒng)主要有3000W背光氙燈、濾光片、減光片、高速CCD攝像機、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、計算機組成.如圖2給出了實驗系統(tǒng)主要結構示意圖.

圖1 電弧圖像和電流電壓波形同步采集系統(tǒng)示意圖

圖2 熔滴過渡圖像采集系統(tǒng)

在熔滴過渡圖像采集系統(tǒng)中，背光光源采用的是3000W的氙燈，通過反光凹面鏡的作用，可以發(fā)出近似平行光，實驗過程中由它作為背光光源來獲得熔滴的陰影圖像.實驗過程中采用的濾光片分別是665nm和1024nm的干涉濾光片，由二者聯(lián)合作用可以濾去大部分電弧光，再通過減光片和攝像機光圈的作用就可得到一個亮度合適的熔滴圖像.為了獲得一個大小、亮度合適，清晰的熔滴圖像，需要調節(jié)高速攝像機的焦距及前后移動高速攝像機來獲得清晰的焊絲圖像，通過實驗發(fā)現(xiàn)，當背景光源的電流為60A時可以獲得最佳圖像.高速攝像機的攝像頻率為955幀/秒，拍攝時由數(shù)據(jù)采集卡輸出脈沖觸發(fā)信號，啟動高速攝像與數(shù)據(jù)采集同時進行.焊接設備采用Fronius公司生產的CMT焊機，焊接移動裝置為Motoman焊接機器人.焊接中采用氬氣作為保護氣體，氣體流量15L/min.采用Al－Si合金焊絲作為填充金屬，焊絲直徑1.2mm.

2 實驗結果與分析

2.1 CMT波形控制與能量輸入

2.1.1 CMT波形控制與電弧形態(tài)

CMT通過特殊的焊絲運動促進熔滴過渡，焊絲的回抽消除了短路過渡時對電磁能量的要求，因此在短路的時候，電流無需升高到很高的電流值，熔滴依靠焊絲的回抽過渡到熔池中.如圖3所示為電流40A時采集到的一個周期內的CMT電流電壓波形圖.從波形圖上可以看到，波形直流脈沖特征明顯，電流脈沖峰值時間短，脈沖基值時間長.

圖3 電流電壓波形控制/電流40A

通過圖3可以看到CMT焊接的波形控制具有如下特點，整個周期可以分為2段，a－c段為燃弧階段，c－d段為短路階段.而其中a－b段為燃弧初期，在這個階段，電流迅速增加到一個較大的值，主要是為了保證電弧的順利引燃，并且加熱焊絲來形成熔滴，該電流記作脈沖峰值電流Ih，在經過脈沖時間到達燃弧后期，電流急劇降低，此時將焊接電流記為基值Ij直到短路發(fā)生，在短路的時候，電流只是略有增加，這和傳統(tǒng)MIG短路過渡的波形有較大的差別，這個電流可以促進短路過渡液相橋順利的破斷，同時保證后續(xù)的焊絲回抽拉斷液橋瞬間電弧的順利再引燃.而在傳統(tǒng)短路MIG焊接中，當液相橋和熔池發(fā)生短路以后，為了促進液相橋的失穩(wěn)破斷，不得不依靠電流的迅速攀升提高施加在液相橋上的電磁力，通過電磁力使熔滴過渡到熔池中.

傳統(tǒng)MIG短路過渡的電流和電壓波形如圖4所示，短路電流幾乎是燃弧電流的4－5倍，傳統(tǒng)MIG短路過渡正是通過高的短路電流給予液相橋很大的電磁力，從而使得液相橋破斷，金屬過渡到熔池中.

2.1.2 CMT電弧加熱與能量輸入特點

熔化焊接時的焊接熱輸入與焊接電弧互為因果，考察CMT焊接的電弧特征，可以直觀地揭示其焊接熱輸入特點.

平均電流40A時的電弧形態(tài)如圖5所示.可以看到，CMT焊接時電弧的形態(tài)在整個周期以內均為圓錐形，脈沖峰值時間較短.在電流基值時間，電弧的亮度比一般電弧焊接時的亮度低很多.可以看到，CMT首先對焊接過程中的電弧加熱行為進行了矯正，通過極短的脈沖峰值區(qū)間和較長的脈沖基值區(qū)間來減小電弧對工件的熱量輸入.與此同時，CMT焊接的另一個重要特點就是在短路時焊絲發(fā)生回抽，使得熔滴可在低電流狀態(tài)下過渡，因此減少了短路時的電阻熱.對于非脈沖波形或者對焊接熱輸入不敏感的條件下，可以采用平均電流和平均電壓的乘積來表示焊接電源輸出的能量，而對于脈沖波形，電流往往以方波的形式在峰值和基值之間波動.因此，為了準確地評價CMT焊接的熱輸入特點，傳遞到電弧的能量應該采用瞬時能量的算術平均值來表示.同時，在實驗中，焊接電流和電壓的采集是每隔0.25ms采集一個數(shù)據(jù)點，這也方便了進行上面所述的算術平均處理.

圖4 傳統(tǒng)MIG短路過渡電流電壓波形/電流110A

整個周期的算術平均能量可以采用下面的原則計算:

式中，Vi和Ii為瞬時電壓和電流值，n是一個周期內采集點個數(shù).

即通過瞬時能量求和，然后平均的方法求出整個周期內的能量值.同時采用這種數(shù)據(jù)處理方法對短路時的能量Psc進行計算，短路能量除以整個周期能量的比值，就是短路能量所占比率，通過這個比值對CMT和傳統(tǒng)MIG焊接進行對比分析.如圖6所示為采用上述算法計算得到的短路能量占有率示意圖.CMT焊接方法通過外加回抽極大地減小了焊接過程中的短路功率，使得焊接短路功率只占總功率的5%左右;而普通的MIG焊接由于只依靠短路時的電磁能量來促進熔滴過渡，其短路能量的占有率可以達到40%左右，因此短路時通過電阻熱傳輸?shù)焦ぜ臒崃枯斎胍h遠大于同樣參數(shù)下CMT的熱輸入.與傳統(tǒng)的MIG焊接相比，CMT方法通過對電流電壓波形的矯正以及焊絲回抽運動實現(xiàn)了對焊接熱量輸入的精確控制，適用于薄板之間和異種金屬之間的焊接.

圖5 電流40A一個周期內的電弧形態(tài)變化(3ms/幅)

圖6 短路能量占有率對比圖

2.2 CMT熔滴過渡行為分析

2.2.1 CMT短路過渡的穩(wěn)定性分析

如圖7所示為焊接電流40A時，一個脈沖周期內的熔滴過渡動態(tài)過程，可以看出在燃弧階段形成的熔滴尺寸比較小，只是略微大于熔滴的直徑，熔滴在燃弧期穩(wěn)定地形成，當與熔池接觸以后，液相橋開始形成，當液相橋形狀達到穩(wěn)定后，對焊絲施加回抽力，液相橋平穩(wěn)的破斷，整個過程沒有任何飛濺.

圖7 一個周期內的熔滴過渡動態(tài)過程(電流40A，2ms/幅)

在電流－電壓坐標平面上，將焊接電流40A時采集到的瞬時電流和電壓值按時間順序依次連接起來，得到瞬時I－U圖，如圖8所示.可以看到CMT焊接相圖線簇分布非常集中，其中AB段代表短路階段，可以看到在這個線簇周圍偏離的線條極少，這也從側面說明CMT短路過渡過程非常的穩(wěn)定.

圖8 瞬時I－U圖

2.2.2 焊接電流對熔滴尺寸和形狀的影響

如圖10為熔滴直徑隨焊接電流的變化關系(熔滴的形狀系數(shù)Q=D/H其中D為熔滴直徑，H為熔滴長度，如圖9所示)，可以看到，隨著焊接電流的增加，熔化的焊絲金屬增加，因此熔滴的直徑略有增加，但是整體上熔滴直徑隨焊接電流的變化并不大，一般尺寸控制在2mm以內.圖11為熔滴形狀系數(shù)隨焊接電流的變化關系，焊接電流越大，熔化的金屬量越多，在重力的作用下熔滴的長度增加明顯，熔滴形狀變得窄而長，因此形狀系數(shù)減小.但同時脈沖周期減小，熔滴的過渡頻率增加，因此總體上熔滴的形狀系數(shù)都集中在0.9～1.3.CMT正是通過特殊的波形控制，將熔滴尺寸控制在一定范圍以內，這樣可以避免大滴過渡形式的出現(xiàn)，保證熔滴短路過渡過程的穩(wěn)定性.

圖9 熔滴尺寸定義示意圖

圖10 熔滴直徑與焊接電流的關系

圖11 形狀系數(shù)隨焊接電流的變化關系

2.2.3 CMT熔滴短路過渡與傳統(tǒng)MIG短路過渡的比較

如圖12為普通MIG焊接時短路過渡的動態(tài)過程，可以看到在一個脈沖周期內，熔滴與熔池接觸以后，液相橋發(fā)生縮頸，在液相橋失穩(wěn)破斷瞬間，形成較為明顯的飛濺.根據(jù)圖像中的飛濺發(fā)生過程，可以發(fā)現(xiàn)主要有兩種形式的飛濺:在短路過渡過程中，由于電磁爆破和氣動沖擊的作用，縮頸破斷時可能產生一種顆粒細小的飛濺;液相橋破斷力太高，過渡后絲端殘留液態(tài)金屬被排斥形成飛濺.

圖12 普通MIG焊接時短路過渡過程(1ms/幅)

而CMT焊接在短路時，減小了短路電流，避免了電爆炸產生的可能性，同時，方向穩(wěn)定和合適的焊絲回抽力平穩(wěn)地促使液相橋失穩(wěn)破斷，可以避免飛濺的產生.

2.2.4 大電流混合過渡現(xiàn)象

當電流增大到121A以后，CMT熔滴過渡行為發(fā)生很大的變化，此時，熔滴過渡不再是單一的短路過渡，而是由類似鋁合金典型的射滴過渡和短路過渡組成的混合過渡，如圖13所示為一個脈沖周期內的熔滴過渡過程，在一個周期內，先發(fā)生一次類射滴過渡，然后焊絲再經熔化形成的熔滴發(fā)生一次短路過渡.

圖13 焊接電流121A時熔滴過渡動態(tài)過程(4ms/幅)

過渡形式的改變，必然也引起焊接電流電壓波形的畸變，如圖14所示為焊接電流121A時的焊接電流電壓波形.

可以從圖中看出，此時脈沖峰值電流很大，熔滴形成過程迅速，基值區(qū)間電流消失，施加在熔滴上的電磁力較大，短路過渡沒有發(fā)生，取而代之的是射滴過渡過程，射滴過渡完成以后，短路過渡才發(fā)生.這種短路形式的改變主要是由于脈沖峰值電流過大，焊絲熔化量增加，熔滴尺寸過大，同時在重力和電磁力的作用下，熔滴在與熔池接觸以前進入熔池，發(fā)生一次射滴過渡，射滴過渡完成以后，焊絲再熔化形成的熔滴以短路過渡的形式進入熔池.

圖14 焊接電流121A時的電流電壓波形

3 結論

(1)建立了基于高速CCD攝像的電弧形態(tài)、熔滴過渡視覺傳感系統(tǒng)以及電流電壓信號同步采集系統(tǒng)，為分析CMT焊接能量輸入特點和短路過渡動態(tài)過程提供了直觀而有力的測試手段.

(2)CMT焊接波形控制呈現(xiàn)典型的直流脈沖特征，并且脈沖峰值時間較短，脈沖基值和短路電流較低，這些因素都使得焊接時的熱輸入可以有效減小，因此適合連接對熱輸入敏感的異種金屬.

(3)在CMT短路過渡過程中，熔滴尺寸隨焊接電流的增加幅度并不大，將熔滴尺寸控制在一定范圍之內可防止滴狀過渡的發(fā)生，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的短路過渡.

(4)與傳統(tǒng)MIG熔滴短路過渡相比，CMT短路過渡通過穩(wěn)定的焊絲回抽消除了短路過程對短路電流的要求，避免了大的電磁力和電爆炸，從而有效地消除了飛濺.

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Energy input and metal transfer behavior of CMT welding process

ZHANG Hong-tao，F(xiàn)ENG Ji-cai，HU Le-liang
(Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China，Email:hitzht@yahoo.com.cn)

To analyze process characteristic of CMT welding method，experimental systems to photograph arc shape and molten droplet images by using high-speed charge coupled device camera and to record welding current and arc voltage in synchronism were established.The energy input characteristic and metal transfer behavior were analyzed by above-mentioned experimental systems.The results show that CMT welding process is typical direct current impulse process and has lower heat input during welding.The droplet size does not increase obviously with raising welding current.The stable droplet size is beneficial for short circuiting transfer.The spatter can be eliminated with the aid of adscititious force.A hybrid metal transfer made up of projected transfer and short circuiting transfer also can be found when welding current reaching a rather large value.

CMT;droplet transfer;energy input;arc shape

TB31 文獻標志碼：A 文章編號：1005－0299(2012)02－0128－05

2011－01－10.

國家自然科學基金(50905045)，現(xiàn)代焊接生產技術國家重點實驗室開放課題研究基金.

張洪濤(1980－)，男，博士，副教授.

(編輯 張積賓)