MAG焊旋转喷射过渡熔滴运动形态的相关分析

1、MAG焊旋转喷射过渡熔滴运动形态的相关分析     邢丽艾盛王震徵摘要：用高速影方法拍摄了ArO2保护气体时旋转喷射过渡的熔滴过渡形态，建立了液尖液流束运动的相关分析模型，并由此分析了熔滴运动的动态变化过程和旋转参数。结果表明：在液尖液流束阴极斑点组成的运动系统中，液尖的运动起主导作用，阴极斑点对液尖、液流束的运动有拖曳作用。作用于阳极斑点上的不平衡力，是影响熔滴旋转喷射过渡的重要因素。关键词：MAG焊；旋转喷射过渡；熔滴运动；相关分析；高速摄影。中图分类号：TG40The Interrelation Analysis of the Droplets M

2、oving Morphlolgy of Rotating Spray Transfer in MAG WeldingXing Li1Ai ShengWang Zhenzheng(Dept,of Materials Engineering,Nanchang Institute of Aero-Technlolgy,P.R.China 330034)Abstract:The transfer morphology of the drolplets was obtained by means of High Speed Camera in MAG welding with ArO2 shieldin

3、g gas when rotating spray transfer is formed.An interrelation analysis model of the molten metal tip and the liquid metal stream is proposed,the droplets movement and the corresponding rotating parameters were analyzed with the proposed model.It is shown that the movement of the tip plays a leading

4、role in the movement system among the tip,the stream and the cathode spot,the cathode spot plays a draging role to the tip and the stream.The unequilibrium forces that act on the anode spot are the main causes to affect the droplets/rotating spray transfer.Keywords：MAG Welding；Rotating Spray Transfe

5、r；Droplets Movement；Interrelation Analysis;High Speed Camera.前言熔滴的旋转喷射过渡是80年代后期开始应用于钢结构的一种高效焊接方法，它除了具有高熔敷率的特点外，还可以克服窄间隙焊和角焊缝时侧壁的熔合不良等缺陷。因此，这种方法受到了许多工业化国家的重视1，并对影响旋转喷射过渡的因素进行研究，以期更好地利用这一过渡特性。但有关熔滴旋转喷射过渡的形成机理还未见系统的报道。文献2从定性的角度分析了不同保护气体条件下，形成脉冲旋转喷射过渡时的电弧形态、液锥形态、熔化金属的过渡形式以及产生旋转喷射过渡的临界规范参数。本文通过对拍摄的高速摄影影片

6、进行数据处理，建立了液流束运动分析模型，分析了ArO2保护气体中形成脉冲旋转喷射过渡时熔滴过渡的动态变化过程和旋转参数，以探讨形成旋转喷射过渡的力学机制。1试验方法1.1试验条件试件材料为8 mm厚的A3钢板，选用直径为1.2 mm的H08Mn2Si镀铜焊丝，在TR-800型晶体管弧焊电源和自制的送丝机构上，用Ar(23)%O2作为保护气体，进行脉冲MAG焊的平板敷焊试验。焊接时，利用NACE-10型高速摄影机及双向光导纤维取像，以每秒5000帧的速度拍摄旋转过渡时的熔滴过渡形态，并用NACMOVLAS100型运动数据分析处理系统，测量质点运动参数1.2测量点的选取由于在ArO2气氛中，当形成

7、脉冲旋转喷射过渡时，熔化金属以粗细均匀、无间断点的连续液流束向熔池过渡3，为了分析液流束的运动规律，选取坐标如图1所示。图中箭头表示焊枪相对于工件的运动方向，、表示X-Y平面内笛卡尔座标的象限，G表示导线接地位置。图1坐标方位示意图对于熔滴的旋转喷射过渡，假设液流束中质点的运动轨迹一定，则某一瞬时液流束上的各点不仅反映了该瞬时各质点的空间位置，也反映了某一质点在旋转过渡过程中不同瞬时的位置。因此，连续研究各瞬时液流束位置的变化，就可研究各质点的空间位置随时间的变化，即熔滴的运动转迹。质点的运动可以分解为沿液流束的运动和绕焊丝轴线旋转的运动。沿液流束的运动轨迹，以某瞬时液流束上的各点近似；而液流

8、束绕焊丝轴线的旋转运动，则以垂直于焊丝轴线的截面上的某点的位移随时间的变化来反映。由于形成旋转喷射过渡时，焊丝端部液尖和液流束的旋转偏摆趋势有差异，因此，在测量时取液尖和液流束在某一截面的运动来研究它们的旋转规律及相互关系。图2为典型的液流束形状及测量点示意图，其中截面为液尖所在X-Y平面，截面为液流束距母材表面某一高度的平面，图中A、B点分别表示液尖和液流束瞬时的空间位置，它们在其所在平面的座标值的变化，可反映熔滴旋转过渡的运动规律。图2测量点示意图1.3液流束运动的分析模型影响液流束运动的因素包括液尖运动和熔池表面阴极斑点的运动，在分析旋转喷射过渡机理时，应分清二者运动的主从关系，即是液尖

9、的运动带动液流束运动，还是阴极斑点在熔池表面上的运动带动液流束运动进而带动液尖的运动，前者称为液尖主动旋转，后者则称为液尖被动旋转。本文利用“相关分析”方法，建立了图3、4所示模型进行测试分析，其中靠近座标原点的点为图2中的A点，远离座标原点的点为图2中的B点，箭头所指为液流束的运动方向。由于B点靠近熔池表面，其在X-Y平面上的位置也近似反映了阳极斑点的位置。(a)顺时针旋转(b)逆时针旋转图3液尖主动旋转示意图a)顺时针旋转(b)逆时针旋转图4液尖被动旋转示意图当液尖主动旋转时，A、B点的连线在X-Y座标轴上的投影模型如图3所示，可见，若旋转方向为顺时针方向，A点按的顺序，首先进入新的象限，

10、而B点有一滞后时间。当液尖与液流束沿逆时针方向旋转时，则A点按的顺序先进入新的象限，同样B要滞后一段时间。液尖被动旋转时，A、B两点的关系如图4所示。顺时针旋转时，B点按的顺序首先进入新的象限，A点滞后一段时间。逆时针旋转时，也可作类似分析。由于液尖和液流束的旋转半径不同，实际分析熔滴运动时，只要将每一时刻测量点A、B在X-Y座标平面上的投影连接起来，即可判断液尖液流束阴极斑点组成的运动系统的运动特征，从而分析熔滴运动的力学机制。2试验结果及讨论2.1液尖与液流束运动的基本特征照片1为典型的熔滴旋转喷射的高速摄影照片，各幅照片的左侧为液流束在Y-Z平面的投影，右侧为液流束在X-Z平面的投影。图

11、5为从高速摄影照片上测量的A、B点在不同瞬时在X-Y平面上的位移轨迹。可见，其总趋势都是绕焊丝轴线进行旋转运动。图6是A点在XY平面上的位移随时间变化的轨迹，从中可清楚地看到这种旋转趋势。照片1ArO2气氛中的旋转喷射过渡X方向位移(mm)YX方向位移(mm)a.液尖(A点)的运动轨迹b.液流束(B点)的运动轨迹图5液尖和液流束在X-Y平面的位移图6液尖位移的动态变化分析实测数据表明，代表液尖运动的测量点A的运动特征是：脉冲电流一到，A点立刻从第二象限开始，向第三象限作逆时针旋转。在脉冲期间(10毫秒)，液类绕焊丝轴线作了4圈多的非圆旋转。开始时，随脉冲电流的增加，平均旋转速度增大，最快时旋转

12、一圈仅需1.6毫秒，然后逐渐变慢。当基值电流到来时，旋转速度减小，旋转一圈经历了2.8毫秒。 液流束的运动轨迹与液尖的运动轨迹略有差别。脉冲峰值电流一到来，代表液流束运动的测量点B并没有象液尖那样立即进行逆时针的非圆旋转，而是先在第一、四象限作前后摆动，然后在第一、二象限作左右偏摆，经历了将近3毫秒后，从第四象限开始，绕焊丝轴线作逆时针的非圆旋转。在脉冲时间，B点仅作了两圈完整的旋转，其旋转速度最快达到经历1.8毫钞旋转一圈，然后旋转速度逐渐变慢。由于B点也能近似反映阴极斑点的运动规律，因此，在整个脉冲时间，B点在第三象限停留时间较短，表明阴极斑点并不在以焊丝轴线为中心的对称区域内，而A点在第

13、四象限停留时间较长，可能是受阴极斑点的拖曳作用所致。2.2液尖与液流束运动的主从关系选取Ar3%O2和Ar2%O2两种保护气体形成旋转喷射过渡的高速摄影照片，用以分析液尖与液流束的主从关系，图7(a)为Ar2%O2保护气体、液流束作逆时针方向旋转时，在X-Y平面内液尖A点与液流束B点运动的相互位置关系，可见，A点首先进入新的象限。对比前述的分析模型，它与图3相似。因此，当液流束作逆时针旋转时，液尖主动旋转，以带动整个液流束旋转。并且，甚至当A点进入第四象限时，液流束仍处于第二象限。图7(b)为Ar3%O2保护气体、液流束作顺时针方向旋转时，在X-Y平面内液尖与液流束B点的相互位置关系。可见，同

14、样是液尖首先进入新的象限。对比前述分析模型，此时仍是液尖的旋转带动液流束的旋转。X方向位移(mm)Y方向位移(mm)(a)Ar2%O2(逆时针旋转)(b)Ar3%O2(顺时针旋转)图7为转喷射过渡时A、B点的相互关系2.3液尖偏转角与旋转半径从图5还可以看出，旋转喷射过程中，液流束离焊丝中心的距离即液流束的旋转半径不断变化，这可能与液尖偏转角有关。图8是当保护气体为Ar2%O2时，旋转过程中各时刻A点的偏转角与B点的旋转半径，可看出二者随时间的变化趋势相近，即当液尖偏转角增大时，液流束旋转半径增大；偏转角减小时，旋转半径减小。分析还发现，每当偏转角出现一极值点时，旋转半径同时或在下一时刻出现一

15、极值点，表明液流束与液尖运动的跟随性好。出现这种现象的原因是由于当偏转角大时，以一定的速度脱离液尖的熔滴沿径向向外的分速度较大，而使其朝焊丝轴向运动的电磁力变化不大，使得液流束可偏离焊丝较远的距离，即旋转半径增大。尽管液流束的运动速度不如液尖有规律，但其旋转一周所需时间或在某一象限的平均停留时间与液尖有着良好的对应关系，即当液尖在某一象限停留较长时间时，液流束也停留较长时间，这说明液流束的运动受液尖所制约。图8Ar2%O2保护气体时，旋转半径和偏转角随时间的变化此外，对大量数据的分析还发现，液流束的旋转半径随着焊接电流的增大而增大。在脉冲旋转喷射过渡期间，测量不同时刻液流束的旋转半径，发现在脉冲中后期，液流束的旋转半径较大。因此，可以认为，电流是影响脉冲旋转喷射过渡的一个重要工艺参数，电流越大，越易形成脉冲旋转喷射过渡。因为电流增大时，促使熔滴过渡的力等离子流力会增大，从而加快熔滴的过渡。3结论(1)用本文提出的“相关分析”方法，可以确定液尖与液流束运动的主从关系，以便于分析熔滴旋转喷射过渡的力学机制。(2)在脉冲旋转喷射过渡期间，液尖、液流束均绕焊丝轴线作旋转运动，但二者旋转速度不完全一致。液流束的旋转半径与液尖的偏转角有关。(3)在液尖液流束阴极斑点组成的运动系统中，液尖的运动起主导作用，阴极斑点对液尖、液流束的运动有拖曳作用。作用于阳极斑点上的不平衡力，是影响熔滴旋转喷