丁 林，白鵬飛，王志江

（1.皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽六安237012；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350）

傳統(tǒng)的壓力容器、管道等重要結(jié)構(gòu)件，為保證焊縫根部的焊接質(zhì)量，通常采用正面焊反面碳弧氣刨清根的方法，這是目前中厚板保證焊接熔透的主要工藝。然而這種方法會(huì)產(chǎn)生大量煙塵等污染物，同時(shí)熱輸入量明顯增加，極易造成構(gòu)件較大的變形，甚至報(bào)廢。隨著焊接技術(shù)人工智能化的快速發(fā)展，單面焊雙面一次成形技術(shù)成為解決該問(wèn)題的主要手段[1]。

焊接質(zhì)量控制一直是焊接過(guò)程中關(guān)注的焦點(diǎn)，質(zhì)量控制的優(yōu)劣也是焊接智能化水平的具體表現(xiàn)[2]。通常，在焊接過(guò)程中，熟練的焊接工人根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)觀察熔池的狀態(tài)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)及焊槍傾斜角度等變量，即可獲得宏觀成形優(yōu)良、力學(xué)性能良好的焊縫，這表明焊接熔池中存在能反應(yīng)焊接熔透狀態(tài)的相關(guān)信息[3]。焊接過(guò)程中電流和電弧電壓等電參量直接決定著熱輸入量的大小，更決定著工件的熔深大小，意味著其與焊接熔透現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)。另外，電參量具有易于檢測(cè)獲取和較為直觀等優(yōu)點(diǎn)。因此非電量電測(cè)法能夠?qū)崿F(xiàn)焊接熔透質(zhì)量的實(shí)時(shí)和穩(wěn)定控制，進(jìn)而提高焊接過(guò)程中焊縫的質(zhì)量，并獲得了廣泛應(yīng)用[4-6]。

脈沖熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW-P）由于能有效地控制熱輸入量的優(yōu)點(diǎn)備受青睞。然而，與非熔化極氣體保護(hù)焊（GTAW）等傳統(tǒng)焊接方法相比，GMAW-P焊由于受電參量周期性變化以及熔滴過(guò)渡過(guò)程的影響，使焊接過(guò)程的不穩(wěn)定因素與干擾因素明顯增加，實(shí)現(xiàn)良好的焊縫成形和熔透的精確控制較為困難。因此，大量焊接質(zhì)量的智能控制研究工作主要集于在GTAW等焊接方法的焊接過(guò)程中，而關(guān)于GMAW-P焊接質(zhì)量的智能控制工作有待進(jìn)一步的研究。因此，本文以GMAW-P為研究對(duì)象，采用非電量電測(cè)法研究GMAW-P焊接過(guò)程中起始階段焊接熔深的特征信號(hào)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)過(guò)程的智能控制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用Q235鋼作為母材，其尺寸為250 mm×84 mm×4 mm；采用直徑為1 mm的MG50-6焊絲作為焊接材料，母材和焊絲成分構(gòu)成如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

焊接成形試驗(yàn)是采用Fronius TPS-4000數(shù)字逆變焊機(jī)完成的，并配套送絲機(jī)Fronius VR4000。焊接過(guò)程中保持焊槍和工件固定，試板間隙為0～1.2 mm，焊接時(shí)間為2 s。焊接過(guò)程中，脈沖工藝對(duì)應(yīng)的電流雙階脈沖波形如圖1所示。焊接工藝參數(shù)如下：基值電流為50 A，熔滴脫落電流為60 A，脈沖電流為300 A，電流上升和下降時(shí)間分別為5.6 ms和0.1 ms，熔滴脫落時(shí)間為0.75 ms，電流變化率為1000 A/ms，脈沖頻率為125 Hz，噴嘴至工件的距離為15 mm，送絲速度為8.9 mm/min。保護(hù)氣體采用純氬氣，氣流量為20 L/min。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 脈沖工藝下電流雙階脈沖波形圖[7-8]

焊接試驗(yàn)過(guò)程中采用的電信號(hào)采集系統(tǒng)主要由霍爾傳感器和數(shù)據(jù)采集卡PCI6221構(gòu)成，PCI6221性能參數(shù)如表2所示。在焊接過(guò)程中不斷采集模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)接收。焊接電信號(hào)采集使用的是LabVIEW軟件。

表2 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡部分性能參數(shù)

1.3 電參量定義與計(jì)算

ΔUi是指單個(gè)脈沖峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)的大小，其主要來(lái)源于以下三方面：第一是峰值電流變化引起的脈沖峰值階段電弧電壓信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化ΔUs；第二是焊絲干伸長(zhǎng)變化導(dǎo)致的峰值階段電弧電壓信號(hào)變化ΔUe；第三是焊接熔池表面深度變化導(dǎo)致的峰值階段電弧電壓信號(hào)變化ΔUd。

由于峰值電流保持不變，可以忽略峰值電流對(duì)峰值階段的電弧電壓信號(hào)變化帶來(lái)的影響，即峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)（ΔUi）來(lái)源于焊絲干伸長(zhǎng)變化和焊接熔池表面深度變化兩個(gè)因素，即

式中:Uimax是峰值階段的最大電壓；Uimin是峰值階段的最小電壓。

峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)ΔU為

另外，由于焊絲干伸長(zhǎng)的變化導(dǎo)致峰值階段電弧電壓信號(hào)的變化ΔUe最大時(shí)僅為ΔU的3.7%[9]，故可忽略，則有

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2是不同工件間隙定點(diǎn)焊起始階段的焊縫宏觀成形示意圖。從圖2中可以看出，隨著工件間隙的增大，焊接熔深逐漸增大，當(dāng)工件間隙達(dá)到0.9 mm時(shí)，焊縫達(dá)到臨界熔透狀態(tài)，當(dāng)工件間隙增加到1.2 mm時(shí)，焊縫正面出現(xiàn)坍塌，背面出現(xiàn)焊瘤，焊縫出現(xiàn)過(guò)熔透。

圖3為不同工件間隙下峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)ΔU和焊接時(shí)間t的關(guān)系圖。從圖3中可以看出，曲線開(kāi)始階段出現(xiàn)明顯波動(dòng)及快速的下降，即對(duì)應(yīng)于焊接起始階段電弧區(qū)和焊接熔池的形成過(guò)程。焊接開(kāi)始時(shí)，因提前輸入的Ar保護(hù)氣體充斥著整個(gè)電弧區(qū)，而金屬的蒸發(fā)量較低，促使電弧區(qū)的電離度很低，電場(chǎng)強(qiáng)度較大，電弧電壓信號(hào)高且出現(xiàn)較大波動(dòng)，焊接熱輸入較低，因此焊接起始階段熔池的體積小，熔深淺。

隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，因焊接熱輸入量的積聚和電弧區(qū)金屬蒸氣量明顯增加的綜合作用，電弧區(qū)電離度明顯增加，電弧趨于穩(wěn)定。隨著電弧熱量的不斷輸入，母材金屬和焊絲金屬不斷熔化進(jìn)入熔池，促使熔池的體積和熔深不斷增大。熔池的表面波動(dòng)幅度與熔池體積呈反函數(shù)關(guān)系，ΔU呈下降趨勢(shì)[10]。

隨著焊接過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)母材金屬和焊絲熔化形成熔池的速度和熔池凝固結(jié)晶的速率達(dá)到平衡時(shí)，焊接熔池的體積不再增加。因平衡狀態(tài)下液態(tài)熔池的成分穩(wěn)定，熔池表面的波動(dòng)幅度僅由熔池的體積決定，因此，熔池表面的波動(dòng)幅度也趨于穩(wěn)定狀態(tài)，即為圖3中ΔU-t曲線的的拐點(diǎn)位置，這也說(shuō)明焊接熔深達(dá)到了最大值。另外，圖3中ΔU-t曲線的水平段表明焊接過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

圖3 不同工件間隙的ΔU-t關(guān)系圖

表3是不同工件間隙條件下焊接熔深變化與其對(duì)應(yīng)的水平段ΔU信號(hào)值。ΔU信號(hào)與工件間隙之間的關(guān)系曲線如圖4所示，從表3和圖4中可以看出，隨著工件間隙的增加，焊接熔深逐漸增加，ΔU信號(hào)值逐漸減小。這是因?yàn)楣ぜg隙較小時(shí)，焊接熱源接觸到工件的面積較小，焊接熔池的體積和熔深較小，熔池表面的波動(dòng)幅度較大，隨著工件間隙的增加，焊接熱源與工件的接觸面積逐漸增大，焊接熔池的體積和熔深逐漸增大，熔池表面波動(dòng)的幅度降低。當(dāng)工件間隙增加到1.2 mm時(shí)，焊縫出現(xiàn)塌陷，ΔU值增加。這是因?yàn)楹缚p出現(xiàn)塌陷時(shí)，部分熔池液體從背面流出，引起熔池體積減小，同時(shí)背面約束較小時(shí)，導(dǎo)致熔池表面波動(dòng)幅度增大，導(dǎo)致ΔU信號(hào)值增加。

表3 不同工件間隙的熔深和ΔU

圖4 水平段ΔU信號(hào)隨間隙變化關(guān)系圖

經(jīng)過(guò)上述分析可知，在工件間隙增加、焊接熔深狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，水平段ΔU信號(hào)值相應(yīng)的發(fā)生了不同程度的變化，說(shuō)明尋找出ΔU-t關(guān)系中拐點(diǎn)處ΔU值成為判斷確定板厚和送絲速度的焊接過(guò)程中焊接熔透控制的特征信號(hào)，在本試驗(yàn)條件下，工件間隙為0.9 mm，焊縫達(dá)到臨界熔透狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)處ΔU信號(hào)值為2.79 V。

3 結(jié)論

1）隨著工件間隙從0 mm增加1.2 mm，焊接熔深從未熔透逐漸向熔透和過(guò)熔透變化，當(dāng)工件間隙為0.9mm時(shí)，焊縫處于臨界熔透狀態(tài)。

2）隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，熔池的體積和熔深逐漸增加，峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)逐漸減小，當(dāng)熔池的形成速率和凝固速率達(dá)到平衡，熔池體積保持不變，熔池表面波動(dòng)幅度處于穩(wěn)定狀態(tài)，峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，焊接熔深達(dá)到最大值。

3）隨著工件間隙的增加，焊接熔深逐漸增加，峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)先降低后增加，當(dāng)工件間隙為0.9 mm時(shí)，焊縫處于臨界熔透狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的水平段峰值階段電弧電壓信號(hào)平均波動(dòng)為2.79 V，說(shuō)明拐點(diǎn)處ΔU值成為焊接過(guò)程中焊接熔深控制的特征信號(hào)。