1、MAG焊旋轉噴射過渡熔滴運動形態的相關分析     邢麗艾盛王震徵摘要：用高速影方法拍攝了ArO2保護氣體時旋轉噴射過渡的熔滴過渡形態，建立了液尖液流束運動的相關分析模型，并由此分析了熔滴運動的動態變化過程和旋轉參數。結果表明：在液尖液流束陰極斑點組成的運動系統中，液尖的運動起主導作用，陰極斑點對液尖、液流束的運動有拖曳作用。作用于陽極斑點上的不平衡力，是影響熔滴旋轉噴射過渡的重要因素。關鍵詞：MAG焊；旋轉噴射過渡；熔滴運動；相關分析；高速攝影。中圖分類號：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.前言熔滴的旋轉噴射過渡是80年代后期開始應用于鋼結構的一種高效焊接方法，它除了具有高熔敷率的特點外，還可以克服窄間隙焊和角焊縫時側壁的熔合不良等缺陷。因此，這種方法受到了許多工業化國家的重視1，并對影響旋轉噴射過渡的因素進行研究，以期更好地利用這一過渡特性。但有關熔滴旋轉噴射過渡的形成機理還未見系統的報道。文獻2從定性的角度分析了不同保護氣體條件下，形成脈沖旋轉噴射過渡時的電弧形態、液錐形態、熔化金屬的過渡形式以及產生旋轉噴射過渡的臨界規范參數。本文通過對拍攝的高速攝影影片

6、進行數據處理，建立了液流束運動分析模型，分析了ArO2保護氣體中形成脈沖旋轉噴射過渡時熔滴過渡的動態變化過程和旋轉參數，以探討形成旋轉噴射過渡的力學機制。1試驗方法1.1試驗條件試件材料為8 mm厚的A3鋼板，選用直徑為1.2 mm的H08Mn2Si鍍銅焊絲，在TR-800型晶體管弧焊電源和自制的送絲機構上，用Ar(23)%O2作為保護氣體，進行脈沖MAG焊的平板敷焊試驗。焊接時，利用NACE-10型高速攝影機及雙向光導纖維取像，以每秒5000幀的速度拍攝旋轉過渡時的熔滴過渡形態，并用NACMOVLAS100型運動數據分析處理系統，測量質點運動參數1.2測量點的選取由于在ArO2氣氛中，當形成

7、脈沖旋轉噴射過渡時，熔化金屬以粗細均勻、無間斷點的連續液流束向熔池過渡3，為了分析液流束的運動規律，選取坐標如圖1所示。圖中箭頭表示焊槍相對于工件的運動方向，、表示X-Y平面內笛卡爾座標的象限，G表示導線接地位置。圖1坐標方位示意圖對于熔滴的旋轉噴射過渡，假設液流束中質點的運動軌跡一定，則某一瞬時液流束上的各點不僅反映了該瞬時各質點的空間位置，也反映了某一質點在旋轉過渡過程中不同瞬時的位置。因此，連續研究各瞬時液流束位置的變化，就可研究各質點的空間位置隨時間的變化，即熔滴的運動轉跡。質點的運動可以分解為沿液流束的運動和繞焊絲軸線旋轉的運動。沿液流束的運動軌跡，以某瞬時液流束上的各點近似；而液流

8、束繞焊絲軸線的旋轉運動，則以垂直于焊絲軸線的截面上的某點的位移隨時間的變化來反映。由于形成旋轉噴射過渡時，焊絲端部液尖和液流束的旋轉偏擺趨勢有差異，因此，在測量時取液尖和液流束在某一截面的運動來研究它們的旋轉規律及相互關系。圖2為典型的液流束形狀及測量點示意圖，其中截面為液尖所在X-Y平面，截面為液流束距母材表面某一高度的平面，圖中A、B點分別表示液尖和液流束瞬時的空間位置，它們在其所在平面的座標值的變化，可反映熔滴旋轉過渡的運動規律。圖2測量點示意圖1.3液流束運動的分析模型影響液流束運動的因素包括液尖運動和熔池表面陰極斑點的運動，在分析旋轉噴射過渡機理時，應分清二者運動的主從關系，即是液尖

9、的運動帶動液流束運動，還是陰極斑點在熔池表面上的運動帶動液流束運動進而帶動液尖的運動，前者稱為液尖主動旋轉，后者則稱為液尖被動旋轉。本文利用“相關分析”方法，建立了圖3、4所示模型進行測試分析，其中靠近座標原點的點為圖2中的A點，遠離座標原點的點為圖2中的B點，箭頭所指為液流束的運動方向。由于B點靠近熔池表面，其在X-Y平面上的位置也近似反映了陽極斑點的位置。(a)順時針旋轉(b)逆時針旋轉圖3液尖主動旋轉示意圖a)順時針旋轉(b)逆時針旋轉圖4液尖被動旋轉示意圖當液尖主動旋轉時，A、B點的連線在X-Y座標軸上的投影模型如圖3所示，可見，若旋轉方向為順時針方向，A點按的順序，首先進入新的象限，

10、而B點有一滯后時間。當液尖與液流束沿逆時針方向旋轉時，則A點按的順序先進入新的象限，同樣B要滯后一段時間。液尖被動旋轉時，A、B兩點的關系如圖4所示。順時針旋轉時，B點按的順序首先進入新的象限，A點滯后一段時間。逆時針旋轉時，也可作類似分析。由于液尖和液流束的旋轉半徑不同，實際分析熔滴運動時，只要將每一時刻測量點A、B在X-Y座標平面上的投影連接起來，即可判斷液尖液流束陰極斑點組成的運動系統的運動特征，從而分析熔滴運動的力學機制。2試驗結果及討論2.1液尖與液流束運動的基本特征照片1為典型的熔滴旋轉噴射的高速攝影照片，各幅照片的左側為液流束在Y-Z平面的投影，右側為液流束在X-Z平面的投影。圖

11、5為從高速攝影照片上測量的A、B點在不同瞬時在X-Y平面上的位移軌跡。可見，其總趨勢都是繞焊絲軸線進行旋轉運動。圖6是A點在XY平面上的位移隨時間變化的軌跡，從中可清楚地看到這種旋轉趨勢。照片1ArO2氣氛中的旋轉噴射過渡X方向位移(mm)YX方向位移(mm)a.液尖(A點)的運動軌跡b.液流束(B點)的運動軌跡圖5液尖和液流束在X-Y平面的位移圖6液尖位移的動態變化分析實測數據表明，代表液尖運動的測量點A的運動特征是：脈沖電流一到，A點立刻從第二象限開始，向第三象限作逆時針旋轉。在脈沖期間(10毫秒)，液類繞焊絲軸線作了4圈多的非圓旋轉。開始時，隨脈沖電流的增加，平均旋轉速度增大，最快時旋轉

12、一圈僅需1.6毫秒，然后逐漸變慢。當基值電流到來時，旋轉速度減小，旋轉一圈經歷了2.8毫秒。 液流束的運動軌跡與液尖的運動軌跡略有差別。脈沖峰值電流一到來，代表液流束運動的測量點B并沒有象液尖那樣立即進行逆時針的非圓旋轉，而是先在第一、四象限作前后擺動，然后在第一、二象限作左右偏擺，經歷了將近3毫秒后，從第四象限開始，繞焊絲軸線作逆時針的非圓旋轉。在脈沖時間，B點僅作了兩圈完整的旋轉，其旋轉速度最快達到經歷1.8毫鈔旋轉一圈，然后旋轉速度逐漸變慢。由于B點也能近似反映陰極斑點的運動規律，因此，在整個脈沖時間，B點在第三象限停留時間較短，表明陰極斑點并不在以焊絲軸線為中心的對稱區域內，而A點在第

13、四象限停留時間較長，可能是受陰極斑點的拖曳作用所致。2.2液尖與液流束運動的主從關系選取Ar3%O2和Ar2%O2兩種保護氣體形成旋轉噴射過渡的高速攝影照片，用以分析液尖與液流束的主從關系，圖7(a)為Ar2%O2保護氣體、液流束作逆時針方向旋轉時，在X-Y平面內液尖A點與液流束B點運動的相互位置關系，可見，A點首先進入新的象限。對比前述的分析模型，它與圖3相似。因此，當液流束作逆時針旋轉時，液尖主動旋轉，以帶動整個液流束旋轉。并且，甚至當A點進入第四象限時，液流束仍處于第二象限。圖7(b)為Ar3%O2保護氣體、液流束作順時針方向旋轉時，在X-Y平面內液尖與液流束B點的相互位置關系。可見，同

14、樣是液尖首先進入新的象限。對比前述分析模型，此時仍是液尖的旋轉帶動液流束的旋轉。X方向位移(mm)Y方向位移(mm)(a)Ar2%O2(逆時針旋轉)(b)Ar3%O2(順時針旋轉)圖7為轉噴射過渡時A、B點的相互關系2.3液尖偏轉角與旋轉半徑從圖5還可以看出，旋轉噴射過程中，液流束離焊絲中心的距離即液流束的旋轉半徑不斷變化，這可能與液尖偏轉角有關。圖8是當保護氣體為Ar2%O2時，旋轉過程中各時刻A點的偏轉角與B點的旋轉半徑，可看出二者隨時間的變化趨勢相近，即當液尖偏轉角增大時，液流束旋轉半徑增大；偏轉角減小時，旋轉半徑減小。分析還發現，每當偏轉角出現一極值點時，旋轉半徑同時或在下一時刻出現一

15、極值點，表明液流束與液尖運動的跟隨性好。出現這種現象的原因是由于當偏轉角大時，以一定的速度脫離液尖的熔滴沿徑向向外的分速度較大，而使其朝焊絲軸向運動的電磁力變化不大，使得液流束可偏離焊絲較遠的距離，即旋轉半徑增大。盡管液流束的運動速度不如液尖有規律，但其旋轉一周所需時間或在某一象限的平均停留時間與液尖有著良好的對應關系，即當液尖在某一象限停留較長時間時，液流束也停留較長時間，這說明液流束的運動受液尖所制約。圖8Ar2%O2保護氣體時，旋轉半徑和偏轉角隨時間的變化此外，對大量數據的分析還發現，液流束的旋轉半徑隨著焊接電流的增大而增大。在脈沖旋轉噴射過渡期間，測量不同時刻液流束的旋轉半徑，發現在脈沖中后期，液流束的旋轉半徑較大。因此，可以認為，電流是影響脈沖旋轉噴射過渡的一個重要工藝參數，電流越大，越易形成脈沖旋轉噴射過渡。因為電流增大時，促使熔滴過渡的力等離子流力會增大，從而加快熔滴的過渡。3結論(1)用本文提出的“相關分析”方法，可以確定液尖與液流束運動的主從關系，以便于分析熔滴旋轉噴射過渡的力學機制。(2)在脈沖旋轉噴射過渡期間，液尖、液流束均繞焊絲軸線作旋轉運動，但二者旋轉速度不完全一致。液流束的旋轉半徑與液尖的偏轉角有關。(3)在液尖液流束陰極斑點組成的運動系統中，液尖的運動起主導作用，陰極斑點對液尖、液流束的運動有拖曳作用。作用于陽極斑點上的不平衡力，是影響熔滴旋轉噴