马晓丽， 徐 琛， 王伟成， 华学明

(上海交通大学 材料科学与工程学院， 上海 200240)

多丝焊接工艺主要包括纵列多丝焊、横列多丝焊、预热填丝焊接、串联多丝焊等方法[1-3].其焊接原理是在维持焊接线能量不变的情况下，采用多根焊丝同时焊接.这种焊接方式可以使更多的熔覆金属填满弧坑，从而达到提高焊接速度的目的.但是，多丝焊接在提高焊接效率的同时也存在一定的问题：相对于单丝焊接，由于多电弧之间存在电磁力作用，电弧之间相互干扰，电弧形态会发生严重变形，使得焊接过程稳定性降低，甚至变得不可控[4-7]，所以改善多丝焊接的稳定性对提高焊缝成形质量有着不可忽视的作用[8-10].

多丝焊接的电弧形态特征可作为评定焊接过程中电弧稳定性的重要依据.本文通过自搭建的三丝焊接实验平台，研究了主要焊接参数对电弧形态特征的影响，其中工艺参数主要包括焊接电流和焊丝距离.

1 试验方法及条件

利用三丝焊接平台进行高速摄影采集，高速摄影系统主要包括高速动态摄影仪、采集卡和微距镜头.在高速摄影采集过程中，微距镜头外接在高速摄影仪上，并通过采集卡将拍摄图片传输到电脑中.由于电弧亮度较强，为了避免使用微距镜头拍摄时，出现图像亮度溢出的现象，在微距镜头外接一对偏振镜，从而起到降低入射光强的作用.为了减小更为复杂的因素对电弧形态的影响，在焊接过程中采用定点焊接法，即高速摄影装置固定不动，焊接钢板固定在焊接夹具上，以完成对电弧形态的实时拍摄.其中，高速摄影的拍摄速度为500帧/s.焊接时，在起弧之前开始采集信号，熄弧之后信号采集结束，然后保存采集信号数据，最后将高速摄影信息在显示器上实时显示.焊接母材采用低碳钢钢板，板厚12 mm；焊接气体中Ar和CO2的体积分数分别为80%和20%， 流量为20 L/min； 焊丝牌号为JM53，直径Φ为1.2 mm；极性组合为DCEP/DCEP/DCEP，其中DCEP为母材接负.三丝焊接时沿焊接方向依次为引导焊枪、中间焊枪和跟随焊枪，实验中焊接参数方便可调.

本文中设定的焊接参数主要包括焊接电流和焊丝距离，组合方式见表1.其中，焊接电流组合顺序为引导焊丝电流、中间焊丝电流、跟随焊丝电流，分别设置400，300 A共2个参数，共8种组合方式；焊丝距离组合顺序为引导焊丝与中间焊丝距离、中间焊丝与跟随焊丝距离，分别设置20，25，30 mm共3个参数，共9种组合方式.

表1 焊接参数组合方式Tab.1 Combination of welding parameters

2 试验结果及分析

多电弧形态特征可作为评价电弧稳定性的依据.本文将电弧形态参数分为电弧高度(H)、电弧面积(S)和电弧偏移量(L).通过以往大量实验发现，电弧形态参数波动越小，电弧燃烧越稳定.

2.1 三丝焊接参数对电弧高度的影响

图1为焊接电流组合400 A/300 A/300 A，焊丝距离组合为20 mm/20 mm时不同时刻的电弧高速摄影拍摄实例.当焊接参数固定时，引导电弧、中间电弧和跟随电弧的高度不随时间变化.为了量化电弧形态特征，基于LabVIEW的数字图像处理技术，将电弧高度特征进行提取，讨论不同焊接工艺参数条件对焊接电弧高度的影响规律.

图1 不同时刻的三丝焊接电弧高速摄影拍摄实例Fig.1 High-speed photography of arc using triple-wire welding at different times

图2为不同焊接参数条件下的电弧高度，其中图2(a)为焊接电流组合对电弧高度的影响，HL，HM，HT分别为引导电弧、中间电弧和跟随电弧的电弧高度.发现焊接电流为400 A时的电弧高度小于300 A时的，这是由于当采用大电流焊接时，熔滴过渡形式已转变为射流过渡[8]，熔滴过渡频率加快，熔池熔覆的焊缝金属增多，电弧力对熔池的挖掘作用使电弧产生了“潜弧现象”，所以电弧高度显著减小.此外，图2(b)定量计算了焊丝距离对电弧高度的影响，但影响规律并不明显.由此可见，电弧高度与焊接电流的设定有着直接的关系，而受焊丝距离的影响不大.

图2 不同焊接参数条件对电弧高度的影响Fig.2 Effect of different welding parameters on arc heights

2.2 三丝焊接参数对电弧面积的影响

图3所示为不同焊接电流组合(图3(a))和不同焊丝距离组合(图3(b))条件下的瞬时高速摄影照片.不同焊接参数条件下，电弧均发生了不同程度的偏移，且电弧面积呈现一定的波动性.为了量化电弧面积的变化，在电弧稳定燃烧状态下，基于LabVIEW软件的图像预处理、识别和理解功能，对选取的不同时刻的各10张高速摄影照片进行图像处理，采用平均值和标准差来表示电弧面积的波动性.在预处理中，根据三丝焊接电弧的灰度特点，设定电弧面积计算阈值为100～255.利用LabVIEW图像处理模块对高速摄影照片进行膨胀处理和腐蚀的编程处理，实现图像识别功能.最后提取电弧主要信息，得到电弧面积的像素值.根据已知的焊丝距离与像素值的关系[8]，将电弧面积像素值进行比例计算转换得到实际的电弧面积值.

图3 不同焊接参数条件下的三丝焊接电弧瞬时高速摄影实例Fig.3 Instantaneous high-speed photography of arc using triple-wire welding at different welding parameters

图4为焊接电流组合对电弧面积的影响.其中，SL，SM，ST分别为引导电孤、中间电孤、跟随电孤的面积.和焊接参数对电弧高度的影响规律相似，焊接电流为400 A时的电弧面积小于300 A时的，且跟随电弧面积最小.图5为焊丝距离组合对电弧面积的影响，引导焊丝与中间焊丝距离(DE1)分别为20， 25，30 mm时，由电弧的面积统计可知：当固定引导焊丝与中间焊丝距离时，随着中间焊丝与跟随焊丝距离的增大，引导电弧面积的变化规律不明显，跟随电弧的面积变化不大，而中间电弧的面积逐渐减小.这是因为当焊丝距离为20 mm时，中间电弧受到引导电弧和跟随电弧电磁力的共同作用，使得电弧发生膨胀，电弧面积增大；但随着焊丝距离继续增大至25 mm直至30 mm时，电弧受到的电磁力叠加作用逐渐减小，电弧干扰作用随之减小，从而使中间电弧面积减小.

图4 焊接电流组合对电弧面积的影响Fig.4 Effect of welding current combinations on arc areas

图5 焊丝距离组合对电弧面积的影响Fig.5 Effect of wire-to-wire distance combinations on arc areas

2.3 三丝焊接参数对电弧偏移量的影响

任一电弧受到另外两个电弧的电磁力作用可能会发生偏移现象，引导电弧、中间电弧和跟随电弧偏移量的计算公式[2]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：IL，IM，IT分别为引导电弧、中间电弧和跟随电弧的焊接电流；DE1，DE2，DE分别为引导焊丝和中间焊丝的距离、中间焊丝和跟随焊丝的距离、引导焊丝和跟随焊丝的距离.

图6为焊接电流组合对电弧偏移量的影响.根据式(2)的电弧偏移量计算公式可知，当焊丝距离相同时，中间电弧偏移量受引导电流与跟随电流之差的影响，差值越大，偏移量也越大.所以当焊接电流组合为400 A/400 A/400 A，300 A/400 A/300 A，300 A/300 A/300 A，400 A/300 A/400 A，即引导电流与跟随电流的差值为0时，中间电弧的偏移量也为0，即LM=0.除此之外，无论是引导电弧、中间电弧还是跟随电弧，焊接电流为400 A时的电弧偏移量均小于300 A时的电弧偏移量，这是因为设置的焊接电流大，则抵抗其他电弧干扰的能力增强，与实际高速摄影拍摄的结果一致.

图6 焊接电流组合对电弧偏移量的影响Fig.6 Effect of welding current combinations on arc deflections

图7为焊丝距离对电弧偏移量的影响，引导焊丝与中间焊丝的距离分别为20，25，30 mm时，根据引导电弧、中间电弧和跟随电弧的偏移量可知，焊丝距离为20，25 mm时电弧的偏移量范围为0.8 mm左右，而随着焊丝距离增至30 mm时，电弧的偏移量范围下降至0.6 mm左右.偏移量的降低说明随着焊丝距离的增大，多电弧之间的干扰作用降低，焊接过程越来越稳定.

图7 焊丝距离对电弧偏移量的影响Fig.7 Effect of wire-to-wire distance combinations on arc deflections

3 结论

(1) 电弧高度与焊接电流的设定有着直接关系，而受焊丝距离的影响不大，且无显著波动.当引导电流和跟随电流相等时，中间电弧不发生偏移，且焊接电流为400 A时的电弧高度、电弧面积和电弧偏移量均小于300 A时的.这是因为采用大电流焊接时，由于熔池熔覆的焊缝金属增多，电弧对熔池挖掘作用产生了“潜弧现象”.且当焊接电流较大时，电弧抵抗干扰的作用强，电弧偏移量小.因此，在保证电弧稳定燃烧的前提下，采用大电流焊接可以同时提高焊接熔覆率和电弧稳定性.

(2) 当固定引导焊丝和中间焊丝距离时，随着中间焊丝与跟随焊丝距离的增大，引导电弧面积的变化规律不明显，中间电弧的面积逐渐减小，而跟随电弧的面积变化不大.此外，在相同的焊接电流组合条件下，随着焊丝距离增大，电弧干扰作用减小，其中电弧的偏移量减小最显著.