normal style="TEXT-INDENT: 21.25pt">摘要：GMAW工作在射流过渡模式时可获得极低的焊接飞溅，但是在一些焊接应用却表现了较大的焊接飞溅量。研究结果表明，此时的焊接飞溅主要来自焊接引弧过程。通过GMAW焊接电流、电压波形及高速摄像图像的分析表明，从焊接引弧到稳定的射流过渡需要一定的时间，在未达到稳定射流过渡之前的熔滴过渡形式为不规则的短路过渡与大颗粒过渡的混合，所以会产生大量的焊接飞溅，即引弧过程是不稳定的过程。传统的GMAW焊机通过优化引弧参数可以在一定程度上改善引弧过程，但现有技术本质上的缺陷，制约了引弧后焊接电流不能迅速提升到射流过渡所要求的临界电流值，因此也就无法在引弧后快速达到射流过渡。针对上述问题，本文提出一种新型的电流主动控制式控制方法可以有效地控制GMAW引弧过程，在引弧后极短的时间内达到稳定的射流过渡。该方法有效地降低了引弧过程中的焊接飞溅，显著地表现在降低粘着在焊枪喷嘴和导电嘴上的焊接飞溅。
normal style="TEXT-INDENT: 21.25pt">关键词：GMAW 引弧 射流过渡
前言
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt">由于GMAW具有低成本、高效率、易于自动化等优点，已经成为金属结构制造中最广泛应用的连接工艺。尽管目前对GMAW已有相当深入的研究，但是GMAW的引弧及其控制仍是一个薄弱环节。这一点在应用中也暴露出越来越多的问题，例如，众所周知，射流过渡模式GMAW的焊接飞溅近乎为零，因此为制造业所广泛采用，然而在焊接应用中，一个令人疑惑和困扰的问题是：即使采用射流过渡，实际焊接飞溅量仍然比较大。分析结果发现：这些问题都是发生在短焊缝焊接应用中，如汽车制造及类似产品和大型金属结构装配中的大量点固焊缝。因弧过程中的焊接飞溅一直是制造业中备受关注的问题，此外，不稳定的引弧过程也导致焊接缺陷率上升。进一步的研究发现，射流过渡模式下GMAW的焊接飞溅主要产生于引弧初期。因为目前工业应用的GMAW焊机，尽管可以实现稳定的射流过渡，但由焊接引弧到达到稳定的射流过渡还需要一定的过渡时间，少则数百毫秒，多则数秒。对于焊缝的焊接时间较长的应用来说可以略不计，但是对于类似汽车车身及零部件的焊接或舰船焊接的定位焊焊缝等大量短焊缝，其焊接时间一般都在5秒以内，这样一来，引弧过程在整个焊接过程中所占比例很大，对整个焊接过程的影响变得格外突出。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt">因此研究引弧过程熔滴过渡的特点，改善GMAW引弧过程，已经成为GMAW研究中新的热点问题。尽管目前国际上，无论是学术界还是工业界都对此进行了许多相关研究[1][2]，但有关引弧过程机理及控制方面的研究报道还是较少。本文从熔滴过渡的角度，采用高速摄像及同步数据采集技术，分析了影响引弧过程的因素，并提出一种改善GMAW引弧过程的新方法。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0; mso-char-indent-size: 10.5pt">
1 GMW引弧过程中的不稳定熔滴过渡现象
normal style="TEXT-INDENT: 21.75pt">由GMAW的基本原理可知，射流过渡时的焊接电流应是平滑稳定的，而图1所示的电流波形在引弧初期是非常不稳定的短路过渡形态，这说明在GMAW引弧起始到稳定的射流过渡之间需要一定的时间，称为焊接引弧不稳定时间。
图1 常规GMAW引弧期间的电流、电压波形
图1中纵坐标为电流/电压，横坐标为时间。焊接实验条件：1.0mm低炭钢焊丝，10%Ar+90%CO2，焊接电压30V，送丝速度14M/S，焊丝干伸长16mm。
对图1的起始阶段作局部放大，并配合同步的高速摄像图像，如图2所示。图2中高速摄像的速度是1000幅/秒，图中每幅图像上的数字为图像采集时刻，单位是ms。由于图像与波形式是同步采集的，因此可以确定每幅图像所对应的焊接参数。可见在引弧初期阶段是不规则的短短路过渡，并伴有焊丝得成段爆断，所以必然产生较高的焊接飞溅率，而且会导致焊接缺陷发生。
288 296 300 303 325 336 338 350 400 418 421 525 538 540 590
图2 常规GMAW引弧阶段中熔滴过渡图像与电流电压波形同步关系
2 传统GMAW设备的引弧问题
早期的GMAW引弧研究，主要是解决引弧成功率的问题。传统概念上的引弧成功的标志是：焊丝与工件接触后，电弧能够在焊丝与工件之间迅速引燃；引弧失败的标志是：焊丝与工件接触后，电弧在焊丝与导电嘴之间引燃的问题，并因而导致焊丝成段爆断。而解决上述问题的途径就是提高引弧阶段的短路电流上升速度。随着弧焊电源动特性的改善，特别是逆变式电源的出现，由于逆变电源的输出电感很小，引弧时的电流上升速度极快，所以目前逆变电源的引弧成功率通常可以达到传统意义上的100％。但是在传统意义上的引弧成功后焊接参数并不能立即达到稳定，特别是对于采用射流过渡的GMAW，引弧后通常要经过数百毫秒，甚至数秒的不稳定短路过渡时间才能达到稳定的射流过渡状态。
图2中的288号图像对应引弧电流峰值，即在焊机启动后0.285秒时焊丝与工件接触，并表明电弧已经成功引燃，8毫秒后，即296号图像表明电弧弧长增加，焊接电流下降。但之后的300图像表明焊丝再次与工件短路，此时在波形图中对应着电压下降和电流上升，303号图像表明短路后电弧再引燃，同时伴随着严重飞溅。但更严重的问题是在0.312秒到0.335秒之间为一长时间的短路，而且短路后再引燃引起焊丝的成段熔断，如图中336和338号图像所示。成段熔断造成弧长过大，并引起断弧，对应波形图中的0.339秒到0.383秒。之后再次发生长时间短路，和焊丝成段熔断，如图中418和421号图像所示。而且这种现象还会再发生一次，如图中538和540号图像所示。
图3 控制引弧参数的GMAW引弧期间的电流、电压波形
在恒压电源、等速送丝的GMAW系统中，电源电压与送丝速度之间的搭配是影响应弧过程的最主要因素。采用较高焊接电压与较低送丝速度配合可以获得较好的引弧效果。图3示出这种方法在改善引弧过程中的作用。图3实验结果所用的焊接设备和焊接条件与图1相同，所以在达到稳定射流过渡后的焊接电流都稳定在300A。但在引弧初期图3中的电流、电压波动要比图1 小、而且时间也短。这里的差别仅在于：进行了引弧参数设定。所谓引弧参数设定就是：在焊接引弧初期采用与焊接过程不同的焊接电压和送丝速度，并维持一定时间，当电弧稳定后再转到正常的焊接电压和送丝速度参数。图3的引弧参数是：时间0.2S，电压30V，送丝速度7M/S。
通过上述方法可以在表观上改善引弧过程。这里所说的表观是指：对比图4与图2可见引弧过程中的熔滴过渡有较大改善，仅有极少量的短路发生，更无成段爆断的现象，但图4所示的熔滴过渡过程并非理想。首先，尽管极少有短路过渡，但也未达到射流过渡，而是通常所最不希望的是大颗粒过渡形式，而且上述控制方法导致引弧期间焊接电流过低，这不仅容易引发焊接缺陷，同时也降低焊接效率。因此评价引弧过程优劣：不但要看其过程是否有短路，而且还要看其是否能够迅速达到稳定的射流过渡。
294 300 330 360 370 380 400 410 420 423 427 515 550 560 590
图4 具有引弧参数控制的GMAW引弧阶段中熔滴过渡图像与电流电压波形同步关系
3 新型GMAW引弧控制技术
通过大量实验研究发现，传统GMAW之所以不能在引弧后迅速达到稳定射流过渡的关键在于：焊接电流不能迅速提升到射流过渡所要求的临界电流值。如图4所示的引弧过程，尽管避免了短路引起的焊接飞溅，但是引弧期间的平均焊接电流显著低于正常值，局部甚至低于100A。因为作为恒压电源供电，降低送丝速度必然导致焊接电流下降，而焊接电流下降又影响了快速进入稳定的射流过渡。因此要解决GMAW的引弧问题，就必须对引弧过程中的焊接电流实行有效控制。而这正是传统GMAW的技术障碍所在，因为在恒压电源下的焊接电流是被动的。通常认为：恒压电源下的焊接电流是由送丝速度决定的，但这也只是一个表征现象。其实，送丝速度是通过改变弧长间接影响焊接电流的。而弧长一定时，实际焊接电流还将取决于具体的电弧形态。总之，焊接电流与送丝速度的关系是一个复杂的电弧物理问题，这也正是解决GMAW引弧问题难点所在。
图5 电流主动控制的GMAW引弧过程电流、电压波形
图5、图6示出一个完美的引弧过程，其整个过程无任何短路，而且焊丝与工件接触引弧后150ms以内就达到了稳定的射流过渡，见图6中图像410。图5、图6实验所采用焊接条件同图1，相对传统GMAW焊接电流是被动的一个新概念，简单地说：焊接电流主动控制技术，采用恒流电源技术将焊接电流强制提高到射流过渡所需的临界电流以上。但单纯的恒流电源在GMAW过程中无法保证弧长的稳定，因此该项技术的涉及到特殊的电源外特性控制技术，祥见参考文献[3]。改善引弧的一个显著效果是可以有效地降低焊接飞溅，其作用显著降低焊接飞溅在焊枪喷嘴和导电嘴上的粘着量说明，见图7。
386 393 400 410 420 440 450 470 500 510 515 530 540 550 560
(a) 常规GMAW (b) 电流主动控制技术GMAW
图7 经5秒×18次连续引弧后的焊接飞溅粘着量的对比
4 结论
传统的GMAW焊机通过优化引弧参数可以在一定程度上改善引弧过程，但存在很多技术上的限制和缺陷。关键问题在于：引弧后焊接电流不能迅速提升到射流过渡所要求的临界电流值，因此无法在引弧后快速达到射流过渡。
采用基于电流主动制技术的GMAW焊机，可以精确地控制引弧过程，可控制熔滴过渡形态在引弧后150ms以内达到稳定的射流过渡。
采用基于电流主动控制技术的GMAW焊机，对于降低焊接飞溅有显著作用，特别是对降低焊枪喷嘴和导电嘴上的附着物有极为明显的效果。
