单旁路耦合GMAW焊熔滴过渡

1、单旁路耦合GMAW焊熔滴过渡摘要：MIG由于其高效率和高熔敷率已被广泛的应用于材料的焊接，但是分析表明基本特征限制了传统的GMAW焊接生产效率的提高。 一篇GMAW文章指出：单旁路耦合MIG焊在增加熔化焊丝的速度的同时减少通过母材的电流并控制在期望的水平。这个改变提供了一种使手工焊高的焊丝熔化电流达到很高的焊接速度同时降低母材的热输入有效的方法。已经进行了一系列的试验。根据高速摄影的图像和记录电流信号的结果显示DE-GMAW可降低达到理想的熔滴过渡过程时的临界电流值，改变了熔敷率、减小熔滴的直径、提高焊接速度 。 1 引言GMAW是一种广泛应用的焊接方法。和另一种广泛应用的GTAW（钨极氩弧焊

2、）焊接方法相比，GMAW可以大幅度地提高生产效率，由于其电极的熔化。图11所示为传统的GMAW焊接过程。这个系统中，焊枪（其他文献中的焊炬）接电源的正极。电极（焊丝）经过焊枪，因此也接电源的正极。母材接电源的负极。电源（电弧电压）在焊丝和母材之间形成电压差。当焊丝和母材接触，即可在焊丝和母材之间产生电弧。焊丝端部在电流作用下熔化形成熔滴，熔滴过渡到熔池中，焊丝的熔化由电源动态的控制。以这种方式，从焊丝端部到熔池，即电弧的长度之间的电弧电压保持恒定。传统的GMAW的一个基本特征是：熔化的焊丝和母材所通过的电流是一样的。虽然GMAW往往因为生产效率高被大量使用，由于只有一个焊枪使得生产效率不能进一

3、步提高。首先，熔化焊丝的大部分热量是由I和V阳决定的，其中V阳是电弧阳极压降，I是焊接电流。（为了方便起见，这篇文献中的热量是熔化的焊丝的热量。）为了提高熔化焊丝的热量和生产效率，电流I必须增加，因为阳极电压是定值。同时，母材金属通过电弧加热，而阳极压降V是常数。因此，增加电流的同时也在增加流经母材的电流值，使母材的热输入增加。然而对于任何给定的程序，允许的热量和电流值是有限制的。其二，电弧电压是2,3 (1)其中µ0是空气中的磁导率，J为电流密度。基于文献4，电流密度遵循高斯分布， (2)式中： J是电流分布参数，r是电流点轴线的电弧的弧长。因此，电弧压力可表示为： (3)最大压力

4、是： (4)可以看出，电弧压力和焊接电流的平方成正比。这表明，增加电流值可以迅速地增加电弧电压。作为电弧的阴极，母材表明的熔池受电弧电压的影响。电弧电压高很容易引起焊接缺陷。对于薄板焊接，电弧电压过大会吹走熔化的用于填充焊缝的金属，导致烧穿母材。上述分析表明，传统的GMAW限制用大电流获得高熔敷率和生产效率。虽然母材的热输入和电弧电压由母材的电流控制而不是焊丝熔化的电流，在传统的GMAW中这两个电流值是相同的。如果流经母材的电流和熔化焊丝的电流不同的话，这将使熔化焊丝的热量增加的同时母材的热输入和电弧电压控制在期望值成为可能。图2所示的系统可以看出研究人员早期在从流经焊丝电流中解耦通过母材的电

5、流做出的努力5。该系统在原有的GMAW系统中增加了一个等离子弧焊枪（PAW）和电源。由PAW电源提供的电流流经GMAW焊炬到钨Fig. 1 Conventional GMAW system and process极没有经过母材被称为旁路电流Ibp。在焊丝和钨极之间构成了一个回路。GMAW电源供给的电流从焊丝流过母材，称为母材电流Ibm。与此相应的电弧称为主弧。流过焊丝的电流是流过母材的电流和旁路电流之和，称为总熔化电流Im。辅助电源提供的电流和其他的电流相比是很小的，从而可以省略在电路中的分析。因为这种方法除了使用两个电极之外，和GMAW基本相似，被称为双丝GMAW或者DE-GMAW。虽然DE

6、-GMAW通过引入旁路电弧可以从熔化电流解耦出流过母材的电流，使得熔化焊丝的电流增加而没有增加母材的热输入和电弧电压，这个程序不适合用两个电源。在本文中，重点讲解单电源供电DE-GMAW6，然后介绍基本特征。熔滴过渡是GMAW获得良好的焊接质量的关键，本文将着重介绍旁路电弧对熔滴过渡的影响。为此，我们首先介绍传统GMAW的熔滴过渡和其他概念。2 传统GMAW熔滴过渡在焊接过程中，焊丝在电流作用下熔化形成熔滴，熔滴从焊丝端部脱落，过渡到熔池中。熔滴周期性的生成和长大不断改变电弧的形态。熔滴过渡的形式会影响电弧的稳定性和焊接质量。美国焊接学会将熔滴过渡主要分为三类：短路过渡，滴状过渡和喷射过渡。在

7、短路过渡中，当电极和熔池接触的时候，熔滴就过渡到熔池中。滴状过渡形式的特征在于熔滴直径大于焊丝直径，熔滴在电弧保护下过渡到熔池中。在喷射过渡过程中，熔滴也在弧光的保护下过渡，但熔滴的直径比焊丝直径小很多。国际焊接学会（）将熔滴过渡更详细的分为：滴状过渡，射流过渡和旋转射流过渡。如果熔滴在熔化的焊丝端部很小（比焊丝直径小），这种为射滴过渡。如果熔滴尺寸相对比较大，这可能是射流过渡或者旋转射流过渡。为简化起见，喷射过渡滴状过渡也称为射滴过渡。此外，熔滴过渡也可以分为自由过渡（），熔滴不接触熔池，接触过渡（）在熔滴和熔池接触时发生。熔滴过渡的形式不同所需的电流值也不同。当电流较小时，熔滴可能不会从焊

8、丝端部脱落，直到熔滴和熔池接触，这种形式为短路过渡。如果电流增大，但不足够大到产生能使熔滴脱落的电磁力，熔滴尺寸可能超过焊丝的直径，此时脱落主要依靠自身重力作用，这种形式为球状(globular)。如果电流进一步增大同时电磁力也变得很大，可能发生射滴过渡。如果电流继续增大，则会出现射流过渡和旋转射流过渡形式。射流过渡伴随着定向过渡。由于熔滴尺寸非常小，旋转频率很高，电弧长度不会显著的变化，因此，这个过渡过程是非常稳定的。然而，大的焊接电流产生高的热输入和电弧收缩力可能烧穿母材，机械性能会变差。对于滴状过渡，焊接过程变得不稳定伴随有飞溅。在短路过渡过程中，电弧收到严重的变化。一般情况下，喷射过渡

9、的特征在于均匀的熔滴大小，定期的脱落，熔滴的定向转移，飞溅很小。因此，在中优先选择喷射过渡，。然而，在相对比较低的流过母材的电流下可以实现类似的喷射过渡，避免烧穿等缺陷。Fig. 2 Previous experimental system for double-electrode gas metal arc weldingFig. 3 Proposed DE-GMAW system试验系统和条件.试验装置图所示为采用单电源实现6。电源是任何没经过修改的商业恒压电源(CV)。GTAW焊炬作为旁路钨电极，并且也连接到电源负极，而是通过一个可调功率电阻器。从图3所示的等效电路可以看出，总的电流值(

10、即图2中的焊丝熔化电流)由单电源提供。该电流值在焊丝前端被解耦成流过母材的电流Ibm和流过钨极的旁路电流Ibp两个分支。即 I=Ibm+Ibp (5)旁路电流没有经过母材直接回到电源的负极。结果是，流过母材的电流不等于熔化焊丝的电流。焊丝作为主路电弧和旁路电弧的阳极。因此，DE-GMAW和Tandem是两个不同的系统结构12,13，Tandem是两个电流流过母材。一个电流传感器被用来检测流过母材的电流值，控制系统可以改变可调电阻的阻值来调整电流，以使流过母材的电流值控制在预期的范围内。这种DE-GMAW方法提供了一种使用高的熔化电流来提高生产效率的途径而流过母材的电流值保持在期望值水平。高的熔

11、化速度可以避免母材的过热。这一过程可用于薄板和厚板以及全位置焊接和机器人焊接。使用这种焊接方法可以成功的将2mm厚的金属的焊接速度从0.8m/min提高到1.6m/min如图156。3.2实验条件为了了解DE-GMAW熔滴过渡的特征，堆焊测试低碳钢板，使用直径1.2mm的ER70S-6低碳钢焊丝。工件是2mm厚的低碳金属的尺寸为50毫米*120毫米。旁路电极3.2mm采用2%的钍钨电极。主路的保护气体为90氩气+10CO2气体保护焊炬，采用100氩气的旁路焊炬。在下图4所示的参数，用于确定两个焊炬和工件间的几何关系：GMAW导电咀到工件的距离为d1，旁路钨极到工件的距离为d2，旁路钨极和主路焊

12、丝端部之间的距离为d3之间的角度为。d1，d2，d3这三个距离设定为20毫米，5毫米和4毫米，GTAW焊炬与GMAW焊炬之间为60度。在实验过程中，奥林巴斯的高速视频摄像机，用于记录的熔滴过渡以供以后分析。相机方向垂直焊接方向，也垂直于由两个焊枪形成的平面。工件由右至左移动而焊炬是在一个固定的位置，使得相机相对焊炬是静止的。使用了高速摄像机采样速度4000帧每秒(FPS)。除了提供孔径11(同样在F-F/11)快门1，窄带滤波器(中心波长940纳米，20纳米带宽)是用来降低电弧的亮度，以便拍到熔滴过渡过程，以及高速摄像头的目的是要保持捕捉图像和存储在(FIFO)先入先出的1GB内置存储器，当前

13、的设置对存储4秒的视频是足够的。如果在缓冲区满时，旧的视频图像将被替换为新的，它总是发生在后4秒的录音。一旦触发相机，相机会保持记录2秒刷新的内存的一半。最后，该存储器包含触发信号前2秒的视频，视频2秒后的触发信号。Fig. 4 Geometrical parameters in DE-GMAWFig. 5 Experiment 1, WFS: 5.1 m/min (200 IPM)3.3实验设计实验需要检查旁路电弧以及焊丝熔化对熔滴过渡的影响。为了这个目的，在每个实验中，传统的GMAW焊先运行10秒，然后引入旁路电弧进行DE-GMAW焊接。高速摄像机记录了常规GMAW最后2秒和DE-GMAW

14、前2秒的焊接过程。所有的实验中焊接电压保持为28 V。送丝速度(WFS)在每个实验中是固定的。因此，传统的GMAW和DE-GMAW总电流基本保持不变。几个不同的送丝速度(从200 IPM到550 IPM)被用来研究旁路电弧对熔滴过渡的影响。根据旁路电流在不同试验中的需要，旁路中的电阻值设置不同的值。4结果与讨论4.1熔点影响常规GMAW过程调节焊接电流来平衡送丝和熔融的焊丝，以保持恒定的电弧电压，焊接电流的主要由送丝速度决定。在DE-GMAW，焊丝的熔化主要是由通过它的电流(母材电流和旁路电流的总和)控制。据推测，在相同的送丝速度的条件下，这总电流应和传统的GMAW焊接电流是相同的。如果这个假

15、设成立，那么就可以得出旁路电弧在熔化焊丝上的作用是忽略不计。因此，实验在四个不同的送丝速度：5.1米/分钟(200 IPM)，6.4米/分钟(250 IPM)，7.1米/分钟(280 IPM)，14.0米/分钟(550 IPM)下进行。在实验过程中，旁路电弧点燃后传统GMAW运行10秒。对母材电流和旁路电流进行监测，和总电流分别计算。图5-8画出上述4个实验所得的三个电流。总电流的平均和标准偏差期间已计算不与旁路弧。基体金属和旁路电流和标准偏差计算期间绕过弧。计算结果列于表1。Fig. 6 Experiment 2, WFS: 6.4 m/min (250 IPM)Fig. 7 Experim

16、ent 3, WFS: 7.1 m/min (280 IPM)Fig. 8 Experiment 4, WFS: 14 m/min (550 IPM)在实验1中，送丝速度为5.1米/分钟(200 IPM)。旁路电流55A。图5表示不管旁路电弧存在与否，总电流是200 A。特别是，总电流的平均值在不引入旁路电弧前是199.5A，引入旁路电弧时变为194.0A见表1。只有5.5 A的差距。然而，在无旁路电弧的第一个10秒的标准偏差为3.6 A。因此，这组实验中旁路对熔化焊丝的影响显得微不足道。实验2中(图6)，送丝速度提高到6.4米/分钟(250 IPM) 约在t =10秒旁路电弧燃烧。旁路电弧燃

17、烧前后总电流为215 A左右。旁路电弧从55 A增加约至72 A。表1可以看出，旁路电弧的引入对总电流没有明显地影响。在实验1中可以再次观察到，尽管在增加送丝速度和旁路电流，旁路电弧影响焊丝的熔化。在实验3中，送丝速度进一步增加7.1米/分钟(280 IPM)。旁路电流从72增加到约90 A，旁路电弧引入后总电流增加了5A(表1)。然而，仔细观察图7中的总电流旁路弧前被点燃期内清楚地表明，其波动期间在T=10秒无旁路电弧比较突出。5A的差异在两个时间段相比是很不明显。因此，再次确认引入旁路电弧不产生一个不可忽略的影响对总电流和熔化焊丝的电流。作为最后的确认实验中，送丝速度增加一倍达到14米/分

18、钟(550 IPM)在实验4中总电流为364A。在薄板GMAW焊接中这不是一个典型的电流值。在这个实验中，当旁路电弧没引入时，大电流使得工件烧穿和熔化的金属穿过工件。旁路电弧被引入后，熔化的金属在工件上形成焊缝的同时烧穿缺陷不在发生。表1表明，旁路电弧燃烧后总电流的平均值增加了7A。与364 A的电流相比，7A确实不是很明显。仔细观察图8，旁路电弧大约在被点燃10秒之后，总电流快速增加。快速增加的总电流是旁路电弧熔化焊丝的影响吗？ 答案是“不是”。事实上，从焊炬到工件表面的距离是恒定的。可以认为，这个值包括三个Table 1 Statistical analysis of welding cu

19、rrentsFig. 9 Metal transfer in experiment 1, WFS: 5.1 m/min (200 IPM)距离：(i)从导电铜管到熔滴前端的距离(称为导线延伸)，(ii)从熔滴前端到熔池表面的距离(称为弧长)，(iii)从熔池表面到工件的表面的距离。当熔化的金属落在工件上，从熔池表面到工件表面的距离通常为几毫米可能会形成正强化作用，。然而，当烧穿发生时，熔化的金属穿过工件。上述第三距离将变为零。此外，弧长控制为一个恒定值。烧穿会导致电线长度增加。这是一个既定理论(14)在电线延伸的增加会增加电阻热，以帮助提高熔化时电流值。其结果是，对于一个给定的送丝速度所需的电

20、流将降低。在图8所示的实验中，旁路电弧燃烧后，正强化作用开始形成线材扩展下降。其结果是，维持送丝和熔化焊丝的电流值必须增加。然而，这种增长是不是引进旁路电弧的结果。很明显，从进行不同的送丝速度的实验结果清楚地表明，引入旁路电弧对熔化焊丝不产生显著的影响。熔化的给定送丝速度金属丝时需要的总电流不会改变，由于引入旁路电弧的原因。4.2熔滴过渡的影响已经对熔滴过渡有广泛的研究8,15-21目的在于理解GMAW的过程和控制焊缝质量。对于DE-GMAW旁路电弧是如何影响熔滴过渡是一个根本性的问题，必须得理解。为此，上述4组实验熔滴过渡已被高速摄影拍摄下来。图9显示了从实验一获得两组高速摄影的图像，送丝速

21、度为5.1米/分钟(200 IPM)和总电流低于200 A。图9(a)和9(b)有相同的级别，因为他们是来自同一个视频。在每个组中，左侧图像先于右侧的图像。在每一个图像，如图9(c)所示，白色区域是电弧，也是产生熔滴的地方，电弧左边的是旁路焊炬，电弧顶部的主路。在图像底部，焊接熔池中也可以看见。由于滤光器的存在，其他对象看起来太暗。在传统的GMAW，200A电流低于所谓临界电流22，电流225A焊丝的直径为1.2毫米高于该临界值时的过渡形式变成喷射过渡。从图9(a)中可以看出，液滴的确 (约两倍)比焊丝直径大得多，此时过渡形式为射滴过渡。此外，旁路电弧燃烧前可以看见飞溅。 旁路电流55A(54

22、.6A表1中的A引入后)，熔滴过渡形式仍然是射滴过渡(图9(b)。在这种情况下，55A的旁路电流不会改变熔滴过渡的形式，但似乎熔滴的直径略有减少。在此组实验中，旁路电弧对熔滴过渡有明显影响，将改变熔滴过渡的轨迹。没有旁路电弧，熔滴将沿焊丝丝的轴线落下如图9(a)。旁路电弧存在时，熔滴被推离旁路电极虽然旁路电流(55 A)比较小如图9(b)。据认为，这主要是由于旁路电弧压力。在传统的GMAW，熔滴将沿电极丝和熔池的轴线落下。由于熔滴的冲击，可产生更大的穿透作用。当熔滴的轨迹偏离，电弧压力的中心和液滴的冲击作用的影响是不重叠的。冲击作用将被减弱了，并且所得到的穿透将减少。虽然这个作用是有利于焊接薄

23、工件，不幸的是它难以核实，因为存在旁路电弧大大降低了基体金属的热输入和穿透。实验2的图10(a)和10(b)是送丝速度提高到6.4米/分钟(250 IPM)的图像。在这种情况下，虽然总电流增加214 A(在表1中213.9A)，它仍然是低于临界电流。因此，从图10(a)可以看出，旁路电弧没有点燃时，与实验一相比，即使熔滴数量减少，熔滴过渡形式仍是射滴过渡。旁路电弧燃烧后(图10(b)，从射滴过渡变为喷射过渡。熔滴变得更小，它们的直径小于焊丝。不再产生飞溅。显然，引进旁路电弧改变熔滴过渡的性质。由文献23,24可知，当焊接电流小，阳极根部小于熔滴的前端。电流从熔滴滴的底部流到工件上。因此，电流离

24、开熔滴的底部前，有收敛性的作用。这种作用将产生的电磁力使熔滴直径大于焊丝直径。这样的电磁力能防止熔滴滴被分离。当电流增大时，阳极爬上向熔滴的颈部。电流的收敛性变弱。当电流增加时到一定程度时(临界电流)，使阳极电流达到一定水平时，电磁力将成为使熔滴脱落的动力23,24。电磁力将Fig. 11 Metal transfer in experiment 3, WFS: 7.1 m/min (280 IPM)缩小脱落的熔滴的尺寸。这就是电流大于临界电流时的需要在GMAW获得喷射过渡的原因。当旁路电弧存在时，部分电流被迫流入旁路电极。由于旁路钨电极是从阴极反方向到工件上，旁路电流与总金属的电流形成一个角

25、度，从旁路流向阴极。因此，在传统GMAW的电流的收敛性使电磁力有阻力转变为动力。因此，尽管该总电流是小于临界电流，旁路电弧引入后熔滴过渡形式仍然为射滴过渡。熔滴的直径约是焊丝的一半，表明脱落的力已经超过了最低水平的需要产生射滴过渡。除了熔滴过渡的形式的变化外，液滴的轨迹在实验1和在实验2中都可以观察到。当然，熔化率定义为每秒形成的熔滴的数量，熔化率增加因为不改变在单位时间内的体积的熔化的焊丝而每个液滴的体积减少了。熔化率的增加很容易地验证通过在高速摄影的图像每一帧中数熔滴数。在实验2中，旁路电流为72 A(表1中的71.6 A)。为了进一步研究旁路电弧对熔滴过渡的影响，进行另一项实验用相同送丝

26、速度，但较高的旁路电流108 A。得到的高速的图像如图10(c)。由此可以看出，较高的旁路电流的作用下，熔滴滴变小和熔化率较高。这表明，尽管总的电流保持不变，电磁力将变为促使熔滴脱落的动力。在实验3中，送丝速度进一步增加至7.1米/分钟(280 IPM)。总电流从235A变为240 A。因为目前超过了临界电流，在旁路电弧燃烧前就变为射滴过渡如图 11(a)。熔滴沿着焊丝轴线方向脱落。在这种情况下，熔滴过渡形式并没有改变，因为旁路电弧的引入。然而，旁路电弧对熔滴轨迹的影响仍是可以观察到。当送丝速度提高到14米/分钟(550 IPM)，导致总电流超过360 A，传统的GMAW将烧穿工件。Fig.

27、12 Metal transfer in experiment 4, WFS: 14 m/min (550 IPM)在图12(a) 中的第二图像中可以看到飞溅，但熔滴滴观察不到。这超出了焊接的现象，因此，GMAW的熔滴过渡的概念不再适用。旁路电弧燃烧后，155A旁路电流引入母材电流从365A降低到约217 A。其结果是，虽然熔化速度保持不变，母材（base metal）电流大幅减少。液滴开始落在工件上形成焊缝，熔滴过渡在图12(b)中可以观察到。图12(b)表明，液滴非常小，形成了一种连续的熔化金属流，而不是不连续的熔滴。此外，此金属流是旋转的。熔滴过渡似乎变为旋转射流过渡形式。然而，似乎金属

28、流桥接的电极线和焊接熔池。因此熔滴过渡形式不能被归为自由过渡。此外，主电弧很明显是从电极线到熔池。因此，也不会对短路过渡的定义适用。因此，似乎在图12(b)中的过渡形式不符合任何既定的熔滴过渡的形式。可能以前的文献中，作者并不知悉这种类型的熔滴过渡，因此，并称其为接触射滴过渡。这个术语是指这样的事实，图12(b)中观察到的熔滴过渡，行为像一个射流过渡而不是短路过渡，因为后者通常是与低电流和低电压有关，前者是实现高电流和高压无飞溅的焊接过程。现在的问题是，是否有部分的电流顺利通过的金属流从电极线中到工件上在的接触喷射过渡。高速摄影的图像清楚地显示可以确定该金属流确实桥接电极丝到熔池表面。因此，金

29、属流建立另一条电流路径到电弧。虽然这个额外的路径会形成短路，必须加以考虑的是巨大的金属流的电阻，因为该流的直径小以及温度高，这都增加了它的电阻。作者怀疑总电流进一步增加可以进一步减少金属流的直径，使流的电阻进一步增加，以抑制电流通过该流传递，并且两个电流路径仍然可以并行存在。图12(b)中该流是受到电流建立的磁场的电磁力的或者更准确的说是电流密度分布的影响。分析该磁场以及对焊接过程的影响，并且熔滴过渡是非常复杂的，超出本研究的范围。但是，它是一个事实即该流的旋转是由于此磁场产生的力和电弧压力共同的作用，这反过来也是复杂的，因为存在两个弧。这也是一个事实，即旋转熔滴有利于熔滴脱落，以避免窄长球形

30、熔滴的产生，这是常见于大电流焊接25。前面已经提到过，在传统的GMAW中高的电流，产生射流过渡，可能会导致手指状的缺陷，这是不可取的。在本实验中虽然总电流超过360 A，在没有旁路电弧时这可能会导致手指状缺陷，通过使用母材的电流低于临界电流接触射流过渡已成为可能。手指状缺陷的重要产生条件，即非常高的电弧压力，将不会再出现。因此，在DE-GMAW中接触射流过渡应该是可接受的或是一个优选的过渡形式。然而，这个话题已超出本文的范围，从而将不作进一步地阐述。4.3临界电流的影响4.2中的研究清楚地表明，旁路电弧起着一个重要的作用在熔滴过渡形式方面。例如，在实验1中，旁路电弧减少熔滴的直径。在实验2，旁

31、路电弧改变了熔滴过渡形式从射滴转变为喷射和 (而总的电流基本保持不变)减少了熔滴的直径。在实验4中，母材的电流甚至低于临界电流只能产生在GMAW射滴过渡，但旁路电弧有可能产生接触流喷射过渡，类似于射流过渡形式。很显然，当母材的电流给定时，熔滴过渡形式可以通过改变旁路控制电流产生射滴，射流过渡和接触流喷射过渡。虽然旁路电流对熔滴过渡的影响值得进一步的研究，最大的重点首先应是其临界电流的影响，因为在大多数应用中首选射滴过渡形式。为了研究这个问题，有两个问题值得答案：(i)总电流降到多少才可以发生喷射过渡，通过使用适当的旁路电流，在DE-GMAW找到最小的发生喷射过渡的电流对于给定的条件，包括材料、

32、电极丝的直径、保护气体和两个焊炬的空间位置，(ii)一旦找到发生喷射过渡最小的总电流值，对于每个给定的总电流可以找到旁路电流的范围内 (这个值比最小的总电流值大)。一旦最小的总电流被发现，对于每个给定的总电流可以找到旁路电流的范围内。笔者认为，第一个问题比第二个问题更重要。因此，第一个问题是答案本研究中。人们可能会认为当总电流是恒定的通过增加旁路电流可以实现喷射过渡(spray transfer)。然而，它必须实现的电磁力作用于熔滴的方向，旁路电弧的影响通过改变其作用力的方向，但总电流还决定它通过确定其矢量的幅值。因此，一个最小的总电流显得很必要(在给定的条件下)以提供足够大小的电磁力。实现喷

33、射过渡的最小的总电流在一个小范围可能会有所不同在焊接条件不变时。在GMAW中对临界电流来说是可能的。因此，不可能找到一个通过调节旁路电流使喷射绝对发生高于该值的电流，但不会发生比这电流值小的任何电流。最小的电流的计算是近似值。牢记这一点，作者发现对于给定的条件，包括直径和电极丝的材料，保护气体和几何两个焊炬的空间位置，这个最小的总电流为198 A。结果发现，当总电流为198 A旁路电流133A时，熔滴过渡形式从射滴过渡变为喷射过渡。 旁路电流低于133A，产生射滴过渡。当总电流增加至214 A，旁路电流130A并产生喷射过渡，并实现了与仍然当旁路电流减少到90 A。然而，当旁路电流减少到65A

34、，产生射滴过渡。当然，在总电流增加近似的临界电流，不管旁路电流多大都产生射滴过渡。最小总电流在DE-GMAW中可以认为是临界电流将产生射滴过渡。因此，在给定的条件下旁路电弧临界电流从225A降低到200A。也就是说，由于旁路电弧，临界电流降低25 A。4.4液滴速度的影响通过跟踪一个特定的熔滴从它的生成，直到它被转移到熔池中，熔滴的速度，可以计算Fig. 13 Image sequence of a droplets life span. Conventional GMAW, WFS: 7.1 m/min (280 IPM). The white line is tracking the sa

35、me droplet.V= (6)其中D是从焊丝的前端到工件的距离，F是高速摄像的采样频率，这里选择每秒4000帧，n是特定的熔滴出现的帧的数量。比值n/ F是特定的液滴的寿命。M表示的是特定熔滴寿命过程中产生的熔滴的数量。熔化率(每秒形成熔滴的数量)可以计算为f= (7)熔化率是一个重要的影响体积V的因素熔滴或熔滴的半径R。熔化率f越大，如果送丝速度W是恒定的，熔滴越小。在单位时间内转移的熔滴的总体积等于的熔融金属的体积，从而f (8)其中d是所使用的焊丝的直径。简单来说熔滴的半径可以计算为 R= (9)已经进行的实验研究的是旁路电流对熔滴速度和速率的影响。送丝速度是7.1米/分钟(280

36、IPM)。总电流和旁路电流分别为239 A和66 A。图13显示了无旁路电弧时的熔滴过渡情况。在这种情况下，特别是在第一帧中形成的熔滴存活了连续12帧(N =12)。因此，它的寿命是0.003s。在此期间，三个新熔滴形成(M = 3)。焊丝端部到工件的距离3.33毫米(d= 3.33毫米)。因此，熔滴速度v= 1.11米/秒和熔化率F =1000滴每秒。以及由此产生的熔滴的平均半径0.3173毫米如方程9计算。旁路电弧被引入后，图14与图13相比电弧长度增加。(在图9-11中也可以观察到增加。)这是因为主路电流减少了66A，而电弧电压维持在预设值（28 V在这项研究中）。因此，电弧的电阻将增加

37、。旁路电弧引入后，弧长增加到7.78毫米。对于在第一帧中形成的液滴如图14所示，出现在14个连续的帧里面。因此寿命0.0035s。将所得的熔滴速度Fig. 14 Image sequence of a droplets life span. DE-GMAW, WFS: 7.1 m/min (280 IPM); Bypass current: 66 A. The white line is tracking the same droplet如方程6计算为2.22米/秒，比没有引入旁路电弧时翻了一番。可以观察到在这个期间另外五个新的熔滴形成。熔化率为从1000滴每秒大约增加到1430滴每秒。所得到

38、的熔滴的半径从0.3173毫米下降0.2817毫米。熔滴速度的增加将增加对熔池冲击作用，但熔滴体积的减小将减弱对熔池的的影响。总的来说，由于熔滴速度的增加了两倍冲击作用也将增加，但熔滴的体积减小不到一半。冲击作用的增加，将有助于增大穿透作用。然而，由于熔滴的轨迹的偏移，熔滴的冲击的影响可能不会提高电弧压力。5结论该研究旨在揭示新开发的DE-GMAW工艺的基本特征。这种焊接过程中可以控制在母材热输入的期望水平而熔化电流或焊接生产率可以独立地增加。作者从实验中已经获得了以下结论，这些研究成果已经形成了DE-GMAW基础知识：1 当送丝速度给定时旁路电弧不改变总电流。也就是说，对于相同的送丝速度，在

39、DE-GMAW母材的电流和旁路电流的总和等于传统GMAW中的熔化电流。 2 当总电流足够高时，熔滴形成一个桥接焊丝和焊接熔池的金属流。部分的焊接电流通过金属流流过到工件。但是，从电极丝到工件的电流路径仍然存在由于存在主电弧。这是一个熔滴过渡既不是自由过渡也不是接触过渡。作者把它作为接触喷射过渡由于它与常规射流过渡和传统短路过渡的相似性。3 旁路电弧改变熔滴的轨迹，并从旁路电极推掉熔滴。在不同的过渡形式中可以观察到这种现象：球状(globular)，射滴过渡，接触射流过渡。据认为，这种现象是由于旁路电弧压力的作用。对于接触射流过渡，载电流的金属流也受到的电磁力，从而在由电流产生的磁场旋转。 4

40、旁路电弧对熔滴过渡具有显着的影响。当电流低于临界电流值时，常规的GMAW只能产生球状转移(或短路过渡)。但旁路电弧可以减少熔滴大小和过渡形式改变球状(globular)或接触射流过渡。 5总熔化电流也决定熔滴过渡形式。旁路电弧可以改变过渡形式从球状(globular)到喷射过渡仅当总电流超过某一确定值。在DE-GMAW中这个最小的总电流实际上是临界电流。实验研究表明，在DE-GMAW的临界电流比在常规GMAW减少25A。6 当总电流超过最小总电流但低于GMAW的临界电流时，通过增大旁路电流到一定程度将发生喷射过渡。 7 旁路电弧也增加了熔滴的速度和熔化率，减小熔滴的大小。承认这项工作是由美国国

41、家科学基金会的资助，批准号：DMI-0355324。笔者想表达自己的他对北美丰田史蒂夫·拜尔利的欣赏和感谢他对这项研究的支持支持。参考文献1 Thomsen, J. S., 2006, “Control of Pulsed Gas Metal Arc Welding,” Int. J.Model. Identif. Control, 1(2), pp. 115125.2 Lancaster, J. F., 1986, The Physics of Welding, 2nd ed., International Institute of Welding, Pergamon Press,

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