GMAW－P焊熔滴过渡及其控制的研究现状与发展

摘　要：就GMAW－P焊熔滴过渡的几种形式及其对焊接质量的影响给以说明，并就一脉一滴的研究现状予以讨论。阐述了协同化、微机化和智能化是熔滴过渡控制的主要方向，展望了熔滴过渡的发展趋势。
关键词：GMAW－P焊；熔滴过渡；控制
分类号：TG442　文献标识码：A
文章编号：1001－2303(2000)01－0001－05

The Situation and Development of metal Transfer and Its Control in GMAW－P

MENG Yong－min et al
(South China University of Technology)

Abstract：A few of styles on metal transfer of GMAW－P and their effects on weld qualify have been described.The situation of one dro per pulse has been discussed.It is stated that the main tendency involves synergic controlling,microprocessor controlling and artificial－intelligent controlling.The development of metal transfer is also pointed out.
Key words：GMAW－P welding;metal transfer;control▲

1　前言
　　GMAW－P焊是一种焊接质量比较高的熔化焊方法。它具有熔滴过渡过程可控，平均电流比GMAW焊喷射过渡的临界电流低，因而母材的热输入量低，焊接变形小，适用于全位置焊接，生产效率高。同时，焊接电流的调节范围比较宽，包括短路过渡到射流过渡的所有电流区域^［1］，因此它在生产上得到了重视。熔滴的过渡形式有多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴，由于一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，为了获得这种过渡形式，焊接参数之间的配合尤其重要。但是GMAW－P焊存在着过程参数多，难以进行有效的控制，参数除了电弧电压U、送丝速度V_f和焊接速度V_s外，还有脉冲参数(峰值电流I_p、峰值时间T_p、基值电流I_b和基值时间T_b)等。
　　国内外许多焊接工作者对GMAW－P焊的熔滴过渡形式进行了研究，为了获得一脉一滴的过渡形式并对其进行了控制。本文就熔滴过渡的几种形式及其对焊接质量的影响予以说明，并讨论了一脉一滴的研究现状，指出了熔滴过渡控制的发展趋势。

2　熔滴过渡形式的研究
　　熔化金属从焊丝顶端过渡到母材上对焊接质量有很大影响。它不仅影响着焊道表面的光滑度和焊道表面的几何形状，而且对熔深、熔池的稳定性以及飞溅量都有较大影响。
2.1　熔滴过渡的三种形式
　　熔滴的过渡形式有多脉一滴、一脉一滴以及一脉多滴三种形式。
　　(1)多脉一滴
　　多脉一滴出现在脉冲频率高、基值电流小的情况，又称脉冲大滴过渡。由于脉冲时间非常小，在一个周期内没有足够的能量过渡熔滴，熔滴持续增大，此时表面张力对熔滴过渡起主要阻碍作用。当熔滴长大到一定程度，熔滴自身的重量超过了表面张力，熔滴开始过渡。多脉一滴大多是大滴过渡形式，焊接电弧不稳定，飞溅大，焊接熔池比较宽，在实际中应用的比较少。
　　(2)一脉一滴
　　一脉一滴过渡形式有两种：一是基值过渡，二是峰值过渡。在峰值过渡时，由于熔滴受到轴向洛仑兹力的作用，其加速度非常大。与此相反，基值过渡时熔滴的加速度非常小。当熔滴向熔池过渡时，熔池接受熔滴传递的动能继续熔化母材。同时，带有巨大动量的熔滴冲击熔池，产生较大的熔深。另外，熔滴的速度也影响电弧力，电弧气流冲击着焊接熔池表面。通常基值过渡由于飞溅少，被大家所普遍接受；但是在需要较大的熔深时，峰值过渡比较理想。一脉一滴的过渡形式一般是射滴过渡，此时熔滴大小均匀，过渡很有规则，方向性强以及飞溅少，熔滴大小与焊丝直径相当，据资料^［2］报道这对提高焊接质量有利。因此一脉一滴是一种理想的过渡过程。
　　(3)一脉多滴
　　当峰值电流太高、峰值时间太长时，一脉 多滴发生，此时是射流过渡，由于熔滴太小，飞溅大，过渡频率高，熔滴控制起来比较困难，此过渡形式完全可以采用一般的GMAW焊来达到，失去了脉冲焊接的特点。因此此过渡形式并不受到人们欢迎。
2.2　脉冲参数和熔滴过渡对焊接质量的影响
　　为了得到好的焊接质量，必须正确选择合适的脉冲电流参数和熔滴过渡形式。焊接质量参数包括以下几个方面：弧长的一致性、熔滴过渡的均匀性以及焊道表面波纹的均匀性等。
　　(1)弧长的一致性
　　将峰值电压具有较小的标准偏差和变化系数作为弧长一致的标准。文献^［3］表明：基值过渡是一种理想的过渡形式，具有最小的标准偏差和变化系数，可以得到均匀一致的弧长。送丝速度比较低时，较高的峰值电流I_p使弧长具有好的一致性；较高的送丝速度与较低的峰值电流I_p配合也可以使弧长一致。较高的峰值电流I_p和较短的峰值时间T_p组合，比较低的峰值电流I_p和较长的峰值时间T_p的组合更易使弧长一致。因此选取合适的脉冲电流参数可以得到一致的弧长。
　　(2)熔滴过渡的均匀性
　　熔滴过渡特征有：熔滴的大小、熔滴过渡时刻和时间以及一个脉冲熔滴过渡的数量。熔滴过渡时间具有最小的标准偏差和变化系数，可以认为熔滴过渡均匀。基值过渡形式与其它过渡形式相比较使得熔滴过渡时间具有最小的标准偏差和变化系数^［3］。在低的送丝速度时，具有较高的峰值电流I_p和高的送丝速度时，具有较低的峰值电流I_p一样都可以得到均匀的熔滴过渡；对于基值过渡而言，较高的峰值电流I_p和较短的峰值时间T_p配合，比较低的峰值电流I_p和较长的峰值时间T_p的配合，更易使熔滴过渡均匀。
　　(3)焊道表面波纹的均匀性
　　焊道表面波纹的标准偏差与送丝速度有一定的关系。送丝速度高时焊道表面的偏差很小，这表明送丝速度高有助于焊道表面的光滑。其原因是高的送丝速度使得熔滴尺寸减小，熔滴频率增加，电弧长度的一致性也增加，导致焊道表面光滑。同样平均电流的增大促进了熔池的流动性^［3］。
　　在所有熔滴过渡形式中，一脉一滴峰值过渡使得焊道表面波纹的标准偏差和变化系数最小。焊道表面的标准偏差和变化系数越小，焊道表面越光滑。但是基值过渡使得焊道表面波纹的标准偏差和变化系数仅次于一脉一滴峰值过渡的形式。另外，基值过渡所需要的峰值能量最少，而其它过渡形式所要求的较高^［3］。
　　综上所述，与其它熔滴过渡形式相比，一脉一滴基值过渡使得弧长一致、熔滴大小均匀以及焊道表面波纹均匀等。

3　一脉一滴过渡的研究现状
　　当一脉一滴的过渡形式被人们所接受时，GMAW－P焊一脉一滴公式大多数都是通过试验来建立的。Amin^［4］建立了峰值电流I_p和峰值时间T_p之间的幂的关系I_pⁿT_p=C，用来表明一脉一滴的区域(n和c都是测定的试验常数)。
　　Jacobsen^［5］建立了最小熔滴过渡时间T_dmin和峰值电流I_p之间的关系。即：

T_dminI_p^1.67=43　　(I_p＜350A)　　(1)

T_dminI_p^1.18=2.4　　(I_p＞350A)　　(2)

　　Y.S.Kim^［6］应用静力平衡理论提出了一个模型，估计了实现一脉一滴的优化条件(如图1所示)。

图1　焊接电流脉冲示意图

图中A部分为不充分脉冲频率，熔滴较大；B部分为一脉一滴，这种情况最理想，熔滴大小一致，比较均匀；C部分是过量脉冲频率，熔滴大小不一，在峰值和基值均有熔滴过渡。
　　Allum^［7］对直径为1.2mm的铝焊丝建立了峰值电流I_p和峰值时间T_p之间的幂关系：

I_p^1.556T_p=32δ^2.722(3)

δ是焊丝尖部形状因子。他肯定了在有限的范围下，基值电流I_b和基值时间T_b对熔滴过渡的影响，提出了在基值过渡时的等式：

T_b≥(1.3×10¹²R_w^3.278)/I_b^1.556(4)

式中　R_w为焊丝半径
　　另外，Amin^［4］发现采用直径为1.6mm纯铝焊丝焊接时，I_pⁿT_p=C中的n值为2.3；Trindade和Alurn^［8］发现当用直径为1.2mm的纯铝焊丝焊接时n为2.0。而Rajasekaran.S.^［3］通过试验为一脉一滴基值过渡以及一脉一滴、一脉两滴和一脉三滴峰值过渡，建立了峰值电流I_p和峰值时间T_p之间的关系。即：

　　一脉一滴基值过渡　I_p^1.7T_p=34A^1.7s　　(5)
　　一脉一滴峰值过渡　I_p^1.7T_p=40A^1.7s　　(6)
　　一脉二滴峰值过渡　I_p^1.7T_p=50A^1.7s　　(7)
　　一脉三滴峰值过渡　I_p^1.7T_p=62A^1.7s　　(8)

　　从以上可以看出，为了达到一脉一滴的效果，对于不同的保护气体、不同的焊丝直径以及材料，在其它参数不变的情况下，峰值电流和峰值时间有不同的幂的关系。即：

I_pⁿT_p=C　　(9)

式中　n是与焊丝直径和焊丝化学成分有关的常数；C是熔滴过渡常数；其值与从焊丝过渡的熔滴体积和直径有关，为了计算峰值电流I_p和峰值时间T_p，确定C是非常必要的。
　　以上所建立的峰值电流I_p和峰值时间T_p的幂关系是在假定基值电流非常低时没有熔化现象发生。当焊接薄板所需要的焊接速度和熔敷率比较高时，脉冲参数的使用范围扩大。这使得在基值阶段更多的焊丝熔化，因此简单的峰值电流I_p和峰值时间T_p的幂的关系模型并不能确定一脉一滴的条件。
　　Subramaniam S.^［9］测量了相对于基值电流I_b和基值时间T_b的峰值电流I_p和峰值时间T_p的值，并建立了一脉一滴条件的脉冲参数关系。将指数和洛仑兹函数合并起来得出了一个曲线图(如图2所示)。即：

I_pT_p=496.1^*(1－e^-0.003IbTb)+270.1/［(I_bT_b—182.2)²/8423.5］　　(10)

图2　一脉一滴的区域

　　总之，在基值电流(I_b＜50A)和基值时间不太大的情况下，可以忽略基值能量对焊丝熔化率的影响，即对熔滴过渡形式没有影响，可用公式(9)进行计算。当基值电流(I_b＞100A)和基值时间较大时，就不能忽略对焊丝的熔化率，此时必须采用公式(10)进行计算。

4　熔滴过渡控制的发展方向
　　熔滴过渡对焊接质量有很大影响，直接决定着焊道表面波纹均匀、焊接熔深以及焊道的几何形状。由于在所有的过渡形式中，一脉一滴的过渡形式是最佳的，一脉一滴峰值过渡仅次于基值过渡，所以对熔滴过渡过程进行控制，以便获得一脉一滴的最佳效果具有重要意义。目前，协同化、微机化和智能化是熔滴过渡控制的主要发展方向。
4.1　控制的协同化
　　由于GMAW－P焊的规范参数比较多，脉冲参数之间的配合不仅要满足于熔化标准、熔滴过渡标准和电弧稳定性标准，还要不发生回烧和短路，因此脉冲参数存在着难以选择和控制的问题。
　　为了解决这个问题，一种被称为协同控制的方法提了出来。协同控制指焊接参数的一元化调节，即峰值电流I_p、峰值时间T_p、基值电流I_b、基值时间T_b、焊接电流I_a、电弧电压U和送丝速度V_f均能按照一定的控制算法集中体现在单一的焊接参数，即焊接电流I_a或送丝速度V_f上，它具有焊接规范调节方便的特点。
　　文献^［10］提出了一种协同控制算法：根据给定的焊丝材料，可以通过试验的方法来确定峰值电流I_p、峰值时间T_p和基值时间T_b。T_p确定时，应使其大于射滴过渡的临界电流值；T_p确定时，应使I_p和T_p的匹配关系尽量满足一脉一滴的要求，确定I_b时，既要保证电弧稳定燃烧，又要充分发挥脉冲电流的作用。
　　基值时间T_b可以通过焊接电流和脉冲参数之间的关系来求出。

Tb=Tp(Ip-Ia)/(Ia-Ip)　　(11)

　　在实现一脉一滴过渡的稳定焊接条件下，单位时间内的送丝量应该与单位时间内的熔化量相等，即：

V_f=K/(T_p+T_b)　　(12)

式中　K是与熔滴体积和焊丝直径有关的常数，称其为熔滴体积系数，将(11)式代入(12)式得：

V_f=K(I_a-I_b)/［T_p(I_p-I_b)］　　(13)

　　从以上公式可看出，根据给定的焊丝材料、保护气体和焊接电流即可选择相应的脉冲参数、送丝速度和峰值弧压，从而实现一元化调节，即协同化控制。
4.2　控制的微机化
　　无论是熔滴过渡控制的脉冲参数一元化调节，还是脉冲参数的分别调节，既可以采用一般的硬件控制系统，也可以采用微机控制系统。当全部采用硬件控制时，控制电路很复杂，这不仅影响了系统的稳定性，而且也影响了系统的灵活性，不能随着实时焊接条件的变化而变化，即焊接过程的适应性差；而当采用微机控制系统时，可在同样的硬件支持下，研制适应不同焊接条件的控制软件，使焊接脉冲参数随着不同的焊接条件而变化，增加了系统的柔性和适应性，便于操作和精确控制。这是今后发展的主要方向。
　　文献^［10］采用微机以脉冲MIG焊进行了控制，实现了协同控制以及采用微机进行了弧长的PI控制。目前在单片机上用软件可以实现模糊逻辑控制。一般的单片机结构集成了CPU、储存器和并行串行接口以及时钟电路，甚至还有些集成了A/D转换器和诸如系统定时监视器等附加电路，这为实现模糊逻辑控制提供了比较理想的平台。在应用中，模糊推理规则库和隶属函数都可以作为查询表格存放在单片机的储存器中。模糊量化、模糊规则推理库和解模糊判决的过程都可用软件乘法和累加器来实现。因此模糊逻辑控制与单片机结合有助于对熔滴过渡过程进行直接控制。
4.3　控制的智能化
　　一脉一滴的过渡形式是所有过渡形式中最好的一种。由于影响熔滴过渡的因素很多，除了脉冲参数和其它焊接参数、如送丝速度和电弧电压外，还有保护气体成分的改变、焊丝伸长以及焊接套筒的位置，特别是非控制参数的随意波动，都会对熔滴的过渡过程有影响。因此熔滴的过渡过程是一个典型的非线性、强耦合、时变的多变量复杂系统，很难对熔滴的过渡过程建立起精确的数学模型。模糊控制是专家系统、神经网络和模糊控制三大人工智能控制之一。模糊控制有许多优点，在设计系统时不需要建立起被控制对象的数学模型；较易建立语言变量的控制规则；系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制，因此非常适用于对熔滴过渡的建模和控制。
　　在GMAW－P焊接的过程中有多种因素会引起弧长的改变，如送丝速度不稳、焊件的变形、焊距的高度、保护气体的改变等，使电弧电压发生改变，出现回烧或者短路现象。西工大采用模糊控制实时调节送丝速度来稳定电弧电压。为了保证一脉一滴这种最理想的熔滴过渡形式的实现，天津大学采用模糊逻辑PID控制器对峰值弧压进行了控制，选取峰值时间T_p和送丝速度V_f作为控制量，峰值弧压为被控制量。
　　在铝及其合金脉冲MIG焊接时，以介于喷射过渡和短路过渡之间的亚射流过渡时的焊接工艺效果最佳，因此在铝及其合金脉冲MIG焊时对峰值弧压控制尤为重要。弧长太短会频繁产生短路而造成焊接飞溅及未融合等焊接缺陷；弧长太长会产生气孔及焊缝成形差等焊接缺陷，所以峰值弧压的大小是否全适，只能以电弧短路次数的检验来衡量。华南理工大学选取峰值弧压作为模糊逻辑的控制量，短路次数作为模糊逻辑的被控制量。
　　目前，国内对GMAW－P焊时的电弧电压、峰值弧压以及电弧短路次数进行了模糊控制，这些为熔滴一脉一滴的过渡形式创造了先决条件。但是真正对熔滴过渡过程进行模糊控制很少见，这与熔滴过渡时的特征信号(电信号或者光信号)比较难获得有关。
　　哈工大王其隆教授通过弧光来检测熔滴过渡。在熔滴的电弧根部形成能够发射弧光的金属蒸汽源，当颈缩破裂之后，覆盖整个熔滴根部的弧光立即熄灭，跳到焊丝的新顶端，这大大减少了电弧发射通量。熔滴过渡之后，弧光通量增加。因此可以利用弧光通量的改变这一现象作为溶滴过渡检测的信号。
　　Y.M.Zhang提出了又一个方法，当电流从峰值向基值过渡时，激励熔滴振荡来促进熔滴过渡。所有这些检测熔滴过渡的方法，所需要的设备比较复杂，在实际中应用起来比较困难。

5　展望
5.1　一脉一滴过渡形式是最理想的过渡形式，其机理还须进一步的完善。
5.2　GMAW－P焊熔滴过渡控制的协同化、微机化和智能化是其今后的主要发展趋势。神经网络具有很强的自适应、自学习的能力，因此模糊逻辑与神经网络结合是熔滴过渡控制研究的主要方向，有助于提高焊接过程的质量。
5.3　熔滴过渡时刻的检测对熔滴过渡控制具有重要意义。随着科学技术的发展，必将发现在实际中比较切实可行的熔滴过渡时刻检测方法。