熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡新分類(lèi)

1、Steps toward a new classification of metal transfer in gas metal arc welding走向熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）熔滴過(guò)渡方式的新分類(lèi)關(guān)鍵詞：弧焊 熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW） 熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG） 熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG） 熔滴過(guò)渡分類(lèi)摘要：本文通過(guò)焊接電源的進(jìn)步和焊接技術(shù)的發(fā)展回顧了熔滴過(guò)渡方式的改變。深入分析了現(xiàn)在對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡方式的分類(lèi)，同時(shí)詳細(xì)描述了相關(guān)的現(xiàn)象以及具有建設(shè)性的改進(jìn)，使得對(duì)弧焊的理論理解和實(shí)際操作更容易。在本文中，回顧了弧焊的基本概念，也進(jìn)行了一些基本概念的定義和重新定義

2、，例如：基本過(guò)渡方式、自然的與可控的過(guò)渡方式、混合方式與組合方式、粗滴過(guò)渡與噴射過(guò)渡。無(wú)論是從基本概念（過(guò)渡的物理本質(zhì)）還是從焊接技術(shù)方面（焊接參數(shù)的變化）來(lái)看，過(guò)渡方式的新分類(lèi)更簡(jiǎn)單明了，同時(shí)也沒(méi)有放寬分類(lèi)的邏輯性。對(duì)于所有那些涉及焊接研究、焊接工藝或是弧焊設(shè)備的專(zhuān)家而言，了解過(guò)渡方式以及焊接過(guò)程和焊接參數(shù)對(duì)此的影響是非常重要的。1、引言：機(jī)器人化和自動(dòng)化的焊接需要完整的控制系統(tǒng)，包括基于過(guò)程模型的控制單元。建立這些模型提高了對(duì)熔融金屬在電弧中過(guò)渡方式的認(rèn)識(shí)，這在理論和實(shí)際上都是極其重要的，因?yàn)檫@會(huì)影響最終的焊接效果。在過(guò)去的十年間，電弧中金屬過(guò)渡的理論模型有著顯著的實(shí)用意義，實(shí)現(xiàn)了靈活的工

3、業(yè)焊接系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。對(duì)于所有那些涉及焊接研究、焊接工藝或是弧焊設(shè)備的專(zhuān)家而言，了解過(guò)渡方式以及工藝參數(shù)和焊接特性對(duì)此的影響是非常重要的。在焊接領(lǐng)域有著卓越貢獻(xiàn)是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（IIW）對(duì)于金屬過(guò)渡方式的分類(lèi)，這是由焊接物理委員會(huì)（SG212）完成的，并且在1984年由Prof. Lancaster發(fā)表。關(guān)于這個(gè)分類(lèi)的第一個(gè)成就是在1976年，直到今天各種對(duì)分類(lèi)的調(diào)整被認(rèn)為是技術(shù)的發(fā)展和同時(shí)對(duì)這個(gè)主題的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)也不斷被發(fā)掘。大家一致贊成分別由Norrish和在2003年國(guó)際焊接協(xié)會(huì)年會(huì)上對(duì)此有所貢獻(xiàn)的Ponomarev提出的舉措。在過(guò)去幾年間，這個(gè)問(wèn)題上的爭(zhēng)論分別由Iordachescu、

4、Quintino兩人和Iordachescu、Lucas、Ponomarev三人帶到電弧焊工藝與生產(chǎn)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（IIW Commission XII）和焊接物理委員會(huì)（SG212）?；『鸽娫吹奶峁┱邔?duì)于熔滴過(guò)渡的方式展現(xiàn)了一定的興趣（圖.1a-e）。這些是“熔滴過(guò)渡方式與電弧電壓、焊接電流關(guān)系”的經(jīng)典圖，每個(gè)設(shè)備供應(yīng)商會(huì)提供用戶(hù)一個(gè)實(shí)用的工具來(lái)指導(dǎo)工作使用。焊接工藝和電弧觀(guān)察技術(shù)的發(fā)展使得能夠更清楚了解這一現(xiàn)象，以至于能夠更詳細(xì)的描述這個(gè)現(xiàn)象，愈加突出了更新分類(lèi)的需求。另一方面，即使有了標(biāo)準(zhǔn)化（例如：DIN standards，表.1），但是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)對(duì)于熔滴過(guò)渡的分類(lèi)法（表.2）表現(xiàn)得

5、不夠一致?？梢悦黠@的看到基于實(shí)際原因和改善來(lái)重新修訂這個(gè)分類(lèi)法是十分必要的，最終提出一個(gè)更加全面、更實(shí)用和更容易使用的新版本。因此，本文是為了滿(mǎn)足上述的需要而寫(xiě)，同時(shí)也是通過(guò)焊接電源的改進(jìn)來(lái)回顧熔滴過(guò)渡方式的變化。針對(duì)行業(yè)需求變化，設(shè)備供應(yīng)商不斷提供創(chuàng)新的電弧焊接技術(shù)，例如低熱輸入的特種焊接。實(shí)際上，新技術(shù)不斷被發(fā)明，成為了新的焊接種類(lèi)，這些新的焊接通常在過(guò)渡區(qū)采用可熔滴過(guò)渡方式。圖.1描述過(guò)渡類(lèi)別的焊接電壓-電流圖(a)IIW分類(lèi)(b)對(duì)于傳統(tǒng)的焊接電源的簡(jiǎn)單的自然過(guò)渡方式(c)組合自然過(guò)渡/可控過(guò)渡的簡(jiǎn)單圖示(d)簡(jiǎn)單過(guò)渡分類(lèi)的變種2、熔滴過(guò)渡方式的種類(lèi)自從有電弧焊接以來(lái)，熔滴過(guò)渡的主要影

6、響因素是電弧電壓和焊接電流。當(dāng)增大的這兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)的值，熔滴過(guò)渡的方式改變。這是經(jīng)典的直流或交流焊電源使用時(shí)可以觀(guān)察到的。但是，在過(guò)去十年中由焊接電源方面取得的進(jìn)展從根本上改變?nèi)鄣芜^(guò)渡方式。著名的IIW分類(lèi)法是基于“自然”過(guò)渡，它是在說(shuō)常規(guī)焊接電源?，F(xiàn)在，我們很少講自然過(guò)渡，因?yàn)椴煌摹翱刂啤边^(guò)渡是首選的，并在大量的焊接設(shè)備和各種焊接工藝上被使用。這些“差異”和“基本過(guò)渡”必須被指出，在分類(lèi)中區(qū)分出來(lái)。另一方面，即使在使用控制過(guò)渡時(shí)，由于供應(yīng)商對(duì)電源的解決方法通常各不相同，因而也會(huì)影響傳輸過(guò)渡方式。這些焊接都可以說(shuō)是“變體”，通過(guò)不同的技術(shù)手段得到的同一種過(guò)渡方式應(yīng)該在過(guò)渡方式的同一類(lèi)別中

7、。當(dāng)然，在焊接工藝也有其特點(diǎn)，通常會(huì)影響過(guò)渡的類(lèi)型和過(guò)渡的“變體”。即使在對(duì)一個(gè)單一工藝進(jìn)行分析時(shí)，即便是控制方式下，保護(hù)氣體等因素可能會(huì)顯著地影響熔滴過(guò)渡?；谠陔娀『腹に嚺c生產(chǎn)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)和焊接物理委員會(huì)提出的修訂，本文提出了一個(gè)修改后的電弧焊熔滴過(guò)渡分類(lèi)法。此外，提出了基本過(guò)渡方式的概念來(lái)突出新的分類(lèi)法的特點(diǎn)（表.3）。除了這些，實(shí)現(xiàn)這些過(guò)渡方式的技術(shù)，包括相關(guān)的差異焊接（variants）和變體焊接（variances）可以另外定義。這種方法更適合先進(jìn)的焊接電源和焊接工藝的熔滴過(guò)渡方式，也允許了基于物理變化的熔融金屬過(guò)渡過(guò)程的分類(lèi)。3、熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)程中基本熔滴過(guò)渡方式分類(lèi)以電流

8、和電壓的增加為結(jié)構(gòu)建立的熔滴過(guò)渡分類(lèi)法會(huì)受到焊接領(lǐng)域大部分人的歡迎，因?yàn)樗鼤?huì)讓人很清楚地了解工藝參數(shù)和熔滴過(guò)渡的關(guān)系，而這些又和電弧穩(wěn)定、焊縫外觀(guān)和焊縫質(zhì)量相關(guān)。如果對(duì)主要使熔滴脫離焊絲的力的類(lèi)型分類(lèi)，基于此，有三個(gè)主要的基本過(guò)渡 “類(lèi)別”可以被定義為：A. 短路過(guò)渡主要由表面張力導(dǎo)致B. 大滴過(guò)渡主要由重力導(dǎo)致C. 噴射過(guò)渡主要有電弧壓力導(dǎo)致為了使這個(gè)分類(lèi)法更簡(jiǎn)潔，只有兩種類(lèi)型是基本過(guò)渡方式，如表.3所示，這使得分類(lèi)在基本概念（過(guò)渡的物理本質(zhì)）和焊接技術(shù)方面（焊接參數(shù)的變化）。所以，在新的分類(lèi)法中有6種基本過(guò)渡方式，分別是：A-短路過(guò)渡、B1-下垂滴狀過(guò)渡、B2-排斥滴狀過(guò)渡、C1-射滴過(guò)渡

9、、C2-射流過(guò)渡、C3-旋轉(zhuǎn)射流過(guò)渡。熔化極氣體保護(hù)焊的金屬過(guò)渡的實(shí)際知識(shí)，以及大多數(shù)專(zhuān)家的意見(jiàn)（例如那些在IIWs Commission XII and SG 212上發(fā)言的），這些都可以表面上面定義的5個(gè)分類(lèi)（詳見(jiàn)第2章）可以覆蓋自然過(guò)渡和可控過(guò)渡。通?？梢哉J(rèn)為滴落噴射（Drop Spray）是一種基本過(guò)渡方式，如果其命名是擴(kuò)展來(lái)的，又是基于標(biāo)準(zhǔn)定義的射滴過(guò)渡的。如果這個(gè)命名只是如Norrish定義的那樣被使用，就失去了相關(guān)性。重要的事實(shí)是，在自由過(guò)渡過(guò)程中Norrish定義的滴落噴射是不穩(wěn)定的，是在一個(gè)非常窄的電流范圍內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)的（詳見(jiàn)圖.2和第4章）。由經(jīng)驗(yàn)可知，在呈現(xiàn)過(guò)渡分類(lèi)時(shí)，相關(guān)

10、的草圖說(shuō)明是容易被接受的。用照片代替草圖也是可能的，也更有用。此外，幾個(gè)專(zhuān)業(yè)人士建議如圖.1所示的圖表可以和草圖、圖片、視頻結(jié)合起來(lái)。這樣對(duì)于更多人（學(xué)生、研究人員、設(shè)計(jì)者、工業(yè)使用者等等）來(lái)說(shuō)，可以大大提高他們對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)程中金屬過(guò)渡以及熔滴接近熔池過(guò)程的了解和理解。其實(shí)，這個(gè)新分類(lèi)的附加任務(wù)是詳細(xì)闡述變體焊接（variants）、差異焊接（variances），混合方式、組合方式，新技術(shù)和特殊焊接工藝（如藥芯焊絲GMAW、送絲A-TIG等等）。如果附加的說(shuō)明是CD或DVD，這樣可以完整的闡述所有過(guò)渡類(lèi)型的過(guò)程。除了基本過(guò)渡方式，新分類(lèi)也注意到了差異焊接：混合方式和組合方式。這些差

11、異焊接基本上是基本過(guò)渡方式的組合。然而混合過(guò)渡方式在相似或不同的周期中通常涉及到兩種及以上的過(guò)渡方式，組合過(guò)渡方式是由控制焊接電源來(lái)控制過(guò)渡方式得到?；具^(guò)渡方式的變體通常是由特殊的焊接技術(shù)得到的。雖然設(shè)備供應(yīng)商花了幾年時(shí)間在尋找允許使用更低和極低焊接熱輸入的焊接電源，但是主要的進(jìn)展是短路過(guò)渡方式上得到的。另外，現(xiàn)在我們可以看到至少3種重要的焊接技術(shù)，這些都是為了得到特殊的短路過(guò)渡：-標(biāo)準(zhǔn)的熔化極氣體保護(hù)焊（classic GMAW）（可控的或不可控的）-表面張力過(guò)渡（surface tension transfer，STT）-冷金屬過(guò)渡（cold metal transfer，CMT）為了得

12、到可控過(guò)渡方式時(shí)，重要的是要首先提到這些如果我們?cè)谔幚硪韵聠?wèn)題：-簡(jiǎn)單可控過(guò)程（開(kāi)放式控制、無(wú)反饋回路系統(tǒng)）-實(shí)時(shí)的可控過(guò)程（有反饋閉環(huán)系統(tǒng)）4、熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)程中過(guò)渡的基礎(chǔ)圖.2自然過(guò)渡U(I)圖（用存在的IIW名稱(chēng)）圖.3基本過(guò)渡U(I)圖（基于新分類(lèi)）熔化極氣體保護(hù)焊中的6個(gè)基本過(guò)渡方式，如圖.3所示，發(fā)生在使用所謂的“常規(guī)”電源沒(méi)有電流或電壓脈沖特性控制的，也發(fā)生在使用先進(jìn)的可控的焊接電源。然而，過(guò)渡方式發(fā)生在受約束條件下也能夠當(dāng)是在可控模式下的使用，有計(jì)劃的使用電源來(lái)得到可控脈沖焊也是可能的。在此文中用到的來(lái)指定這第二種情況的術(shù)語(yǔ)是可控過(guò)渡方式，這有兩種形式：簡(jiǎn)單可控和實(shí)時(shí)可控。

13、短路過(guò)渡用在弧長(zhǎng)很短的情況下，通常會(huì)被融化金屬的連接橋打斷（表.3），這明顯出現(xiàn)一個(gè)短路焊接電流。這個(gè)連接橋，也就是融化金屬?gòu)暮附z上分離到熔池主要由表面張力導(dǎo)致，這也是很好的穩(wěn)定了其他影響。下垂滴狀過(guò)渡可以過(guò)渡很大滴的融化金屬（大于電焊絲直徑），同時(shí)以較低的頻率下落（通常在某一時(shí)刻只有一滴在飛落）。當(dāng)增大焊接電流時(shí)，會(huì)發(fā)生排斥滴狀過(guò)渡，尤其是在CO2 GMAW中，這存在一個(gè)被向上排斥的融化金屬大“長(zhǎng)”滴，就像表.3的簡(jiǎn)圖所示的。在這兩種過(guò)渡方式中，主要的是重力在起作用，這使得有良好的穩(wěn)定性以及融化金屬?gòu)暮附z底端很好的分離。滴落噴射是由Norrish描述的，認(rèn)為是一個(gè)在噴射過(guò)渡中發(fā)生的獨(dú)特的現(xiàn)象

14、。這種金屬的滴落被定義為近球狀的熔滴，直徑稍大于焊絲（20-40%），過(guò)渡基本是軸向過(guò)渡，同時(shí)有很低量蒸發(fā)損耗。為了得到一個(gè)新的分類(lèi)法，滴落噴射可以被包括在噴射過(guò)渡中，其中金屬滴強(qiáng)烈的被射到熔池中、連續(xù)滴落、熔滴尺寸和焊絲直徑相當(dāng)（±50%）。總之，這個(gè)名稱(chēng)包括了之前的滴落噴射和噴射過(guò)渡。隨著焊接電流的增大，熔滴變得越小越密集，就像是真的“淋浴”一般，過(guò)渡就變成了射流。最終，在一個(gè)很高的焊接電流值下，熔化金屬直接流落，但是流落是旋轉(zhuǎn)過(guò)渡，強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生。這個(gè)對(duì)六個(gè)基本過(guò)渡方式的描述由最小的電流、電壓向最大的電流、電壓排列的，焊接電流的增大在決定熔滴過(guò)渡形式中至關(guān)重要的。假設(shè)噴

15、射過(guò)渡的基本類(lèi)別中，主要控制熔滴的是電弧收縮力，使得熔滴強(qiáng)烈的噴射到熔池。當(dāng)電流增大的時(shí)候，電弧收縮力也增大，使得熔融金屬分裂成小滴，同時(shí)強(qiáng)烈的噴向熔池，同時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)生和射出金屬小流。對(duì)于基本的過(guò)渡方式，主要是由所謂的轉(zhuǎn)變電流區(qū)劃分的，由不穩(wěn)定的過(guò)程為特征。首先，由圖.1a所示的，分開(kāi)大滴過(guò)渡和噴射過(guò)渡區(qū)域的過(guò)渡區(qū)是第二轉(zhuǎn)變電流。在這種圖示的表示中，“滴落噴射”的過(guò)渡方式（由Norrish在2003年提出）會(huì)出現(xiàn)在與第二轉(zhuǎn)變電流區(qū)域重疊的地方。必須假定的是在短路過(guò)渡和熔滴過(guò)渡區(qū)域之間有轉(zhuǎn)變電流區(qū)，第一轉(zhuǎn)變電流也存在，如圖.3所示。必須著重強(qiáng)調(diào)第一轉(zhuǎn)變電流區(qū)的重要性。在自然過(guò)渡時(shí)（以及沒(méi)有脈沖控制

16、的電源的情況），短路過(guò)渡和大滴滴落隨機(jī)出現(xiàn)在這個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)域，成為被定義為混合過(guò)渡的方式。然而，這種混合過(guò)渡方式也發(fā)生在第二轉(zhuǎn)變電流區(qū)域，混合的噴射（基本是滴落噴射），大滴過(guò)渡（下垂滴狀或排斥滴狀）和短路過(guò)渡。當(dāng)使用可控焊接過(guò)程時(shí)，有可能獲得完全的短路過(guò)渡或者滴落噴射過(guò)渡，同時(shí)也能獲得混合過(guò)渡。為了確定這些控制過(guò)渡的轉(zhuǎn)變區(qū)域，使用了橢圓來(lái)劃區(qū)域，基本過(guò)渡方式重疊在轉(zhuǎn)變區(qū)域中，如圖.1所示。另外，基本過(guò)渡方式和可控過(guò)渡方式可以表示在一起，在同一個(gè)圖表中，如圖.3，這也用圖來(lái)描述了表.3的過(guò)渡方式。此外，對(duì)于基本過(guò)渡方式，考慮到自然過(guò)渡和可控過(guò)渡的重疊區(qū)域，必須注意電流和電壓在控制滴落噴射或得到短路過(guò)

17、渡上呈現(xiàn)一定范圍。這種變化可能是因?yàn)楸Ｗo(hù)氣不同的電離電壓，或者是其他的工藝原因。對(duì)于尋求最小熱輸入量的焊接工藝，過(guò)渡可能是大滴滴落，也有可能是短路。這兩種過(guò)渡都發(fā)生在第一轉(zhuǎn)變電流區(qū)域，精確地控制工藝需要能夠由一個(gè)合適的焊接電源提供穩(wěn)定的過(guò)渡。必須特別關(guān)注電弧的磁吹，旋轉(zhuǎn)過(guò)渡會(huì)突然出現(xiàn)，甚至是在可控脈沖和惰性氣體保護(hù)焊中也會(huì)出現(xiàn)（不想得到的混合過(guò)渡）。5、結(jié)論此文想要增加以下這些對(duì)熔滴過(guò)渡分類(lèi)的新貢獻(xiàn)：確切第一轉(zhuǎn)變電流區(qū)域，從大滴過(guò)渡區(qū)域中分出短路過(guò)渡；通過(guò)增加電流的角度間接地觀(guān)察從噴射過(guò)渡區(qū)域分出大滴過(guò)渡區(qū)域，也就是第二轉(zhuǎn)變電流區(qū)域；引發(fā)關(guān)于其他可能存在的轉(zhuǎn)變區(qū)域的問(wèn)題。既基于電流和電壓增大又

18、符合過(guò)渡本質(zhì)的熔滴過(guò)渡方式的一個(gè)新分類(lèi)的提出；使得能夠清楚的理解工藝參數(shù)和過(guò)渡形式之間的關(guān)系，這和電弧穩(wěn)定、焊縫形貌、焊縫質(zhì)量相關(guān)。6種基本過(guò)渡方式的命名既可以是自然過(guò)渡，也可以是可控過(guò)渡解釋了基本概念和系統(tǒng)的使用來(lái)統(tǒng)一過(guò)渡過(guò)程的描述以及基本的常識(shí)性理解：基本過(guò)渡方式，自然過(guò)渡vs.可控過(guò)渡，混合過(guò)渡vs.組合過(guò)渡，滴落噴射過(guò)渡；新的分類(lèi)法更簡(jiǎn)潔，對(duì)于焊接中的各種類(lèi)型這分類(lèi)是完全可理解的，容易來(lái)使用的；一個(gè)新的圖表“過(guò)渡方式和電弧電壓電流之間的關(guān)系”用來(lái)表示基本的和可控的過(guò)渡方式；基于很多建議，一個(gè)包括了熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)渡方式分類(lèi)新的表格提出。Q&A1、論文解決了什么問(wèn)題？焊接設(shè)備、

19、焊接工藝的變化，使得熔滴過(guò)渡的形式多種多樣，這篇文章對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過(guò)渡方式做了回顧、詳細(xì)描述過(guò)渡過(guò)程，深入分析了現(xiàn)在對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過(guò)渡方式的分類(lèi)，進(jìn)行了具有建設(shè)性的改進(jìn)，使得對(duì)弧焊的理論理解和實(shí)際操作更容易，得到的新分類(lèi)更簡(jiǎn)潔、更實(shí)用、應(yīng)用范圍更廣。2、解決問(wèn)題的方法與過(guò)程？詳細(xì)分析了一些過(guò)渡方式，針對(duì)焊接設(shè)備和焊接工藝的變化，由IIW的分類(lèi)法改善得到新的分類(lèi)法，同時(shí)加上圖表、說(shuō)明來(lái)進(jìn)一步使得新分類(lèi)法更實(shí)用更合理。3、主要的結(jié)果和結(jié)論圖示出劃分短路過(guò)渡和大滴過(guò)渡區(qū)域的first transition current zone，既基于電流和電壓增大又符合過(guò)渡本質(zhì)的熔滴過(guò)渡方式的一個(gè)新分類(lèi)的提出，解釋了一些基本概念：基本過(guò)渡方式，自然過(guò)渡vs.可控過(guò)渡，混合過(guò)渡vs.組合過(guò)渡，滴落噴射過(guò)渡；一個(gè)新的圖表“過(guò)渡方式