熔化极气体保护电弧焊熔滴过渡实验报告·

熔化极气体保护电弧焊熔滴过渡实验报告

一、实验目的

通过实验对熔化极气体保护电弧焊接过程熔滴过渡现象有更直观的认识，对几种典型熔滴过渡的形成条件及其对焊缝成形和焊接飞溅的影响有更深入的了解。

二、概述

在熔化极气体保护电弧焊接方法中，惰性气体保护焊(MIG 焊)和二氧化碳气体保护焊(2CO 焊)占有重要地位。在熔化极电弧焊接过程中，焊丝端部金属受热熔化形成熔滴，并在多种力联合作用下向熔池过渡。熔滴过渡(Metal Transfer)对焊接过程稳定性、焊缝成形、焊接飞溅等有显著影响。在不同的弧焊工艺条件下，熔化极气体保护焊，熔滴过渡呈现不同的形式：

自由过渡——熔滴经电弧空间飞行至熔池，焊丝端部与熔池不发生直接接触；接触过渡——焊丝端部熔滴与熔池表面发生接触进而过渡；

(1)熔化极氩弧焊接过程熔滴过渡

熔化极氩弧焊接过程熔滴过渡的典型方式有滴状过渡和喷射过渡，两者皆属于自由过渡类型。当电弧弧长较大且焊接电流较小时，呈现大滴状过渡，如图1(a)所示。随着焊接电流的增加，熔滴变小，如图1(b)(c)所示。当电流增加到临界电流值，焊丝端部电弧阳极斑

点从熔滴底部瞬时扩展到缩颈根部，滴状过

渡转变为喷射过渡，其时电弧呈钟罩形，焊

丝端部为铅笔尖状，细小的熔滴从焊丝尖端

以很高的速度向熔池过渡，如图1(d)所示。

喷射过渡时电弧形态轮廓清晰，燃弧稳定，

熔深较大，几乎无飞溅，是一种理想的熔滴

过渡形式。图1 滴状过渡和喷射过渡

对于不同材料和不同直径的焊丝，其实现喷射过渡的最小电流——临界电流值也不同。图2所示为滴状过渡向喷射过渡转变的实例，其工艺条件：299%Ar 1%O 保护气体，直径1.6mm 低碳钢焊丝，直流反接，喷射过渡临界电流值约为260A 。

图2 熔滴体积、过渡频率与焊接电流的关系

在熔化极氩弧焊接过程中也可实现低电压、小电流的熔滴短路过渡，以满足全位置焊接的需要。与2CO 焊短路过渡相比，其电弧稳定，飞溅较小，焊缝成形良好。

(2)熔化极2CO 焊接过程熔滴过渡

在细丝小电流低电压2CO 焊接过程中，短路过渡是典型的熔滴过渡方式，属于接触过渡类型。短路过渡2CO 焊接的规范参数见表1和图3.在焊接过程中，不断重复燃弧、短路、液桥收缩和熔滴过渡、电弧复燃几个阶段，如图4所示。

表1 低碳钢2CO 焊短路过渡规范参数 3 1.6 20 140~180

图3 短路过渡2CO 焊适用的焊接电流和电压范围

图4 短路过渡过程与焊接电流电压波形 1t —燃弧时间；2t —短路时间；3t —拉断熔滴后电压恢复时间；T —短路过渡周期；

a I —焊接电流平均值；a U —焊接电压平均值

当电弧电压较高时，焊丝端部熔化后不能接触到熔池形成短路，熔滴长大，电弧力的作用使熔滴产生大滴排斥过渡。

三、实验系统

(1)熔化极气体保护电弧焊设备

熔化极气体保护电弧焊接实验系统由弧焊电源、送丝机构、供气装置、焊枪、放置被焊工件的移动工作台等几部分组成。选用全数字熔化极气体保护电弧焊机(可焊材料：碳钢、不锈钢；适用焊丝直径：1.2/1.4/1.6mm；弧焊电源输出特性：恒压；输出电压可调范围：17~41V；额定输出电流：500A)。

(2)弧焊过程熔滴过渡观测系统

光学观测系统结构如图5所示。实验者可从成像屏直接实时观察熔滴过渡现象，也可从计算机屏幕离线逐帧观察高速摄录的图像。

图5 熔化极电弧焊接过程熔滴过渡观测系统光路原理示意图半导体激光器(波长650mm)->变倍扩束镜->焊枪和焊丝以及移动平台和被焊工件->

像素，955fps) 平凸透镜->光阑->干涉滤光片->成像屏->高速摄像机(256256

对焊接过程电流和电压波形的观察和记录可借助数字存储示波器(600MHz)。

四、实验内容

(1)了解熔化极气体保护电弧焊接设备的构成以及熔滴过渡观测系统工作原理。

(2)观察和摄录熔化极惰性气体保护电弧焊和二氧化碳气体保护电弧焊过程熔滴过渡情况。

(3)实际比较不同形式熔滴过渡的形成条件以及熔滴过渡对焊缝成形很焊接飞溅的影响。

五、实验步骤

(1)根据本实验思考题，查阅相关参考文献，预习实验内容，制订实验计划。

(2)认真阅读本实验安全操作注意事项并切实执行。

(3)熟悉实验设备和观测系统，了解技术原理和操作规程。

(4)按照制订的计划进行熔化极氩弧焊接实验，通过焊接系统调整规范参数并记录表观显示值，通过光学系统实际观察和高速摄录滴状过渡和喷射过渡的动态过程以及跳变现象，通过数字示波器观察和存储焊接电流和电弧电压波形。

CO弧焊实验，通过焊接系统调整规范参数并记录表观

(5)按照制订的计划进行熔化极

显示值，通过光学系统实际观察和高速摄录熔滴短路过渡的动态过程，通过数字示波器观察和存储焊接电流和焊接电压波形。

(6)在实验中注意观察比较不同焊接过程产生的飞溅状况，焊后注意了解认识熔滴过渡对焊缝成形的影响规律。

六、安全操作注意事项

(1)实验前应预先了解实验仪器设备结构和安全操作要领。

(2)实验中必须谨慎操作，注意避免触电等事故的发生。

(3)燃弧焊接时必须佩戴焊接面罩并穿好工作服装，以免弧光刺伤眼睛和灼伤皮肤。

(4)实验中不要用眼睛直视激光束，以免造成暂时性或永久性损伤。

(5)实验中不要用手触摸或持物触及光学观测系统，以免造成光路失准或光学元件的污染和损坏。

七、实验报告要求

(1)总结熔化极氩弧焊接实验数据，并分析指出焊接规范参数对熔滴由滴状过渡方式向喷射过渡方式跳变的影响。

熔化极氩弧焊接共作了四次实验，实验数据如下：

第一组图像：

第二组图像：

第三组图像：

第四组图像：

分析图像可得出：当焊接电流达到临界电流值的时候，熔滴过渡方式主要为喷射过渡，即便有时会出现滴状过渡，但迅速又会变成射流过渡，如第一组图像所示；当焊接电流小于临界电流值时，从滴状过渡跳变到射流过渡则变得十分缓慢，通常是熔滴缓慢地增大到比焊丝直径大很多的大滴之后，再滴落下来，如第二、三、四组图像所示。

故符合焊接规范参数，使得熔滴由滴状过渡方式向喷射过渡方式的跳变更加容易与迅速。

CO弧焊实验数据，并分析指出焊接规范参数对熔滴短路过渡频率及焊

(2)总结熔化极

接过程稳定性的影响。

CO弧焊接共作了八次实验，实验数据如下：

熔化极

第二组图像：

第五组图像：

第七组图像：

第八组图像：

从图像可以比较得出：符合焊接规范参数，熔滴短路过渡频率快且焊接过程稳定，如第二组图像，熔滴迅速滴落，并形成短路；越远离焊接规范参数，熔滴短路过渡的频率越低，焊接过程越不稳定，如第五、七、八组图像，熔滴积聚得越来越大才肯滴落，相应得更易引起熔滴飞溅，且熔滴的偏向不定，使得焊接不稳定。

(3)比较不同熔滴过渡方式对焊缝成形和焊接飞溅的影响。

答：焊接电流决定熔深，电弧电压决定熔宽，焊接速度过快，焊缝熔宽、熔深和堆积高度降低，易使焊缝产生气孔，降低焊缝金属的塑性韧性；焊接速度过慢，熔池变大，焊缝变

选择依据。

答：焊接熔滴激光背景光源高速摄像的基本依据是：虽然电弧弧光的波长分布在从紫外到红外的很宽范围内，但是在某一波长上其强度不一定很高。因此，用一定功率的激光器所发出的一定波长的激光，其亮度就可能超过电弧中对应波长的弧光。

成像装置的基本原理是：通过变倍扩束镜将光斑直径较小的激光束，扩展成为光斑直径较大的近似平行的光束，当其照射到焊丝和焊接熔滴后，通过平凸透镜成像，即可在成像屏上出现焊丝和熔滴的阴影像，高速摄像机即可摄取这个阴影像。

干涉滤光片的中心波长为激光的中心波长，可根据实际情况，放置于焊丝右侧光路中任意位置，其作用是衰减和阻挡激光所在波长以外的所有波段的电弧弧光，而只允许激光和相应波长的电弧光通过。干涉带通滤光片有选择的滤光作用，即可在很大程度上滤出电弧弧光本身对焊接熔滴阴影像的干扰。

通过使用干涉滤光片，虽然可滤出绝大部分电弧弧光，但激光所在波长的弧光也会通过带通滤光片，仍然会对熔滴阴影像产生一定的干扰。同时，由于电弧是高热带电粒子的产生、运动及复合的区域，又有保护气体的流动，对平行照射的激光束会产生散射、衍射等干扰，在成像屏上往往会产生干涉条纹；影响熔滴明影像的质量和稳定。通过在成像平凸透镜和成像屏之间加装小孔光阑，可有效地解决上述问题。小孔光阑的滤光原理是，无论是电弧发出

的激光所在波长的弧光(球面光)，还是由于电弧的干扰而使平行照射的激光产生的散射或衍射，这些光线对成像平凸透镜而言均不是平行光线，也就不可能在平凸透镜的焦点处汇聚成一点，此时若将小孔光阑放置于平凸透镜的焦点处，即可有效地衰减这些光线，而平行进入的激光光线则会聚焦于平凸透镜的焦点处，顺利地通过小孔光阑。通过上述衰减措施，成像屏上便可获得清晰的熔滴阴影像。

半导体激光器：体积小、价格低、使用方便；但由于光强分布不均，效果较差。

放大率的选择一般应考虑平行激光束的大小、激光的强度、焊丝直径及熔滴大小等因素，同时还要考虑摄像机的图像分辨率、曝光时间、最高摄像速度、视角、拍摄距离及进光量等要求。可通过左右移动成像屏来改变熔滴阴影像光学放大率的大小。

选择合适的图像分辨率满足屏幕观看和分析的要求；根据熔滴阴影像的亮度及图像的增益值来确定曝光时间；根据熔滴过渡的形态和过渡的大致频率来确定摄像机的设想速度。

选择焦距合适、透光率高及球差小的光学透镜，保证经扩束的激光成为较理想的平行光；准确地调整好光路，保证各个光学元件的中心严格位于同一条直线上。

(5)实验改进建议和实验体会感受。

答：本实验操作上比较复杂，需要组员们的分工配合，主要有电脑摄像、示波器观测、焊接启动停止以及电流电压记录等分工，这些工作并非独立进行，而是有一定的内在联系，故更考验组员们互相之间的无间配合才能又快又好地完成本实验。本实验除电脑摄像工作之外，其它工作都有可能直接接触到焊接的弧光或是飞溅，故再一次穿上了防护服、戴上了焊接面罩，体验了一回。通过本实验，我了解了熔化极气体保护电弧焊焊接工艺方面的知识，认识到焊接规范参数对焊接过程的稳定性、焊接的效果起到相当大的作用。

本实验的设备比较大，且比较分散，但是做实验的空间却比较狭小，再加上本实验有潜在危险，这样容易有安全隐患，并且有些现象可能不是每一个人都能观测得到；另外，每个分工从操作技巧上来说相对独立，可以在实验结束的时候，组员之间互相有所交流，分享所处位置所干的工作，以达共同促进的目的。

八、思考题

(1)熔化极氩弧焊接工艺方法的特点和适用范围。

答：MIG焊的特点：采用熔化极方式进行焊接，可采用大电流进行焊接，焊丝的熔化速度快，对母材的熔敷效率高，母材熔深和焊接变形较好；对氧化膜不敏感；可以获得含氢量

CO焊)，焊接变形较低的焊缝金属，焊接过程烟雾少；焊接质量好，生产效率高(但低于

小；焊接过程易于实现自动化，适用范围广；对油锈很敏感，对焊接材料表面清理要求特别严格，抗风能力差，不适于野外焊接，焊接设备较复杂，成本高。

MIG焊的适用范围：可焊接几乎所有金属，特别适用于铝、钛、铜及其合金以及不锈钢、耐热钢；无法良好焊接低熔点或低沸点金属材料；可以进行任何接头位置的焊接，平焊、横焊效率最高；可焊金属最薄厚度约为1mm；可自动焊、半自动焊。

MIG焊工艺：

熔滴过渡的特点：典型方式有滴状过渡和喷射过渡；细焊丝、低电压、小电流情况下为

CO焊电压更低、过渡稳定、飞溅少。

短路过渡，比

一般不使用纯氩气体进行焊接，根据所焊接的材料采用适当比例的混合气体。

一般采用直流反极性(DCRP)，使工件为阴极，依靠阴极破碎作用将焊缝及其附近的金属氧化膜在焊接过程中去除，同时保证熔滴细化、平稳过渡。

焊前仔细清理焊丝与材料表面，注意保护气体的纯度；焊接大厚度工件时应采取预热措施，一般在夹具中焊接。

CO焊接工艺方法的特点和适用范围。

(2)熔化极

CO焊的特点：焊接电流密度较大，电弧热量集中，熔透能力强，熔敷速度快，答：

生产效率高，节省电能；成本低；焊接变形小；对油、锈产生气孔的敏感性较低；焊缝中含氢量少，提高焊接低合金高强钢抗冷裂纹的能力；电弧可见性好；操作简单，容易掌握；适

CO含量较大；焊缝成形不用范围广。设备较复杂，抗风能力差，弧光较强，操作环境中

够美观，焊接飞溅较大。

CO焊的适用范围：不能焊接易氧化的金属材料；主要用于低碳钢、低合金钢和低合2

mm mm；可自动焊和半自动焊。

金高强钢。厚度范围较大：0.6~150

CO焊接工艺特点：一般采用短路过渡焊接或细颗粒过渡；短路过渡时通常采用直流2

反接，电弧稳定，飞溅小，熔深大；在堆焊及焊补铸件时，采用直流正接，焊丝为阴极产热大，熔化速度快，生产率高。短路过渡一般采用细丝。一般采用左焊法。

(3)几种典型熔滴过渡形成机理和工艺条件。

答：熔化极氩弧焊的熔滴过渡方式主要有短路过渡、滴状过渡、喷射过渡等。

CO焊的熔滴过渡方式主要有大滴排斥过渡、短路过渡、细颗粒过渡及混合过渡三种。

(4)熔化极电弧焊弧长自动控制和焊接规范参数调节原理。

答：

焊接参数是焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数的总称，其中最重要的参数是焊接电流a I 、电弧电压a U 和焊接速度m V 。

自动调节的原则：

当选定的工作点由于外界干扰发生变化，使既定的焊接工艺参数a I 、a U 产生波动时，调节系统迅速实施调控使其回到原工作点，保证焊接工艺参数的稳定。有以下几种调节系统：等速送丝电弧自身调节、电弧电压反馈调节、焊接电流反馈调节等。

电弧自身调节系统也称为等速送丝调节系统，这是细焊丝熔化极电弧焊常用的一种控制弧长的自动调节系统，属于开环控制系统。

熔化极电弧焊的稳定条件方程：

m f V V =；m V ——焊丝的熔化速度；f V ——送丝速度。

m i a u a V k I k U =-；a I ——焊接电流；a U ——电弧电压；i k 、u k ——变化系数。当f V 恒定时，等速送丝：

弧长缩短时，a I 增大，a U 减小，m V 加快，m f V V >，弧长增大，自动恢复到原来长度；弧长增长时，a I 减小，a U 增大，m V 减慢，m f V V <，弧长缩短，自动恢复到原来长度；电弧电压反馈调节系统也称为电弧电压均匀调节系统，适用于粗丝熔化极电弧焊，属于闭环控制系统。

电弧电压反馈调节系统的原理：电弧长度波动，利用电弧电压作为反馈量，通过电弧电压反馈调节器，强迫改变送丝速度，使电弧长度恢复到原来的长度。

()f a V f U =，变速送丝。