Ｗｅ１ｄｉｎｇ ＴｅｃｈｎｏｌＯｆｆｒ￣Ｖｌ０ｌＩ３９ Ｎ０．１０ Ｏｃｔ．２０１０ 文章编号：１００２－０２５Ｘ（２Ｏ１ ｏ）１０－０００７－０４ ・试验与研究・ ７ 高压空气环境下脉冲ＭＩＧ焊电弧形态分析 王春健１，２，焦向东２，周灿丰 ，赵华夏 ，一，乔慧娟。，。 （１．北京化工大学，北京１０００２９；２．北京石油化工学院，北京１０２６１７；３．中国石油大学（北京），北京１０２２４９） 摘要：介绍了水下焊接的发展现状和脉冲ＭＩＧ焊接的特点，详细介绍了高压焊接试验系统，主要研究了在Ｏ．１－０．７ ＭＰａ的空气环境中 （即６Ｏｍ水深范围内）脉冲ＭＩＧ焊电弧形态的变化及其规律。通过大量试验证明，随着环境压力的增大，电弧会出现一定程度的压缩， 焊接电流增大也会导致弧长变短，而适当提高电弧电压可以有效解决弧长压缩的问题。试验结果同样表明，脉冲ＭＩＧ焊应用于６０ｍ水 深范围内是可行的。 关键词：高压空气环境；脉冲ＭＩＧ焊接；电弧形态 中图分类号：ＴＧ４４４ 文献标志码：Ａ 室内压力不同。干法水下焊接又分为高压干法水下焊 ０ 引言 接和常压干法水下焊接。随着海洋工程深度的不断加 ２１世纪是人类对海洋进行全面认识的新世纪。 大，高压干法水下焊接的作用就显得尤为重要。目 前．比较成熟的焊接方法主要是几种电弧熔焊法。脉 随着海洋资源的不断开发，海洋管道工程对水下焊接 技术的依赖性也与日俱增。水下焊接根据焊接所处的 环境大体上分为三类：湿法水下焊接、干法水下焊接 冲ＭＩＧ焊是一种焊接质量较高的熔焊方法，它的突 出优点表现为：焊接电流调节范围较宽；既能焊接厚 板，也能焊接薄板；采用脉冲电流后，可采用较小的 平均电流进行焊接，因此，焊接热输入小，焊接变形 和局部干法水下焊接。进行干法水下焊接时，需要设 计和制造复杂的压力舱或工作室，根据压力舱或工作 收稿日期：２０１０—０４—２８ 基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）重大项目￣００２ＡＡ６０２０１ ２）； 小，适用于全位置焊接；熔滴过渡过程可控性比较 强。在今后一段时间内，脉冲ＭＩＧ焊的应用范围将 越来越广泛。 国家自然科学基金资助项目（４０７７６０５４）；本项目获北 京市新世纪百千万人才工程培养经费资助 焊接电弧直接影响焊接质量，对焊接电弧的研究 （１ＯｌＯ）￣ａ：０３［Ａ１］，／（１ｌ２）Ｆｅ。 科学出版社，２００２． （２）ＴｉＢ：能起增强作用的原因是由于其（０００１） 晶面和基体的结合比Ａ１ Ｏ 结合得要牢固。 参考文献： ［６］刘志林．合金价电子结构与成分设计［Ｍ］．吉林长春：吉林科学 技术出版社。ｌ９９ｎ ［７］章桥新．ＴｉＢ 的价电子结构及其性能研究［Ｊ］．陶瓷学报，２０００， ２１（３）：１６０—１６２． ［８］向新，秦岩．＇ｒｉｂ 基复合材料的制备及其研究近况［Ｊ］．陶瓷 【１］林金平，马 静，王俊．二硼化钛基陶瓷涂层的制备研究进展 学报，１９９９，２０（６）：１１２—１１３． ［Ｊ］．陶瓷学报，２００８，２９（１）：９１０—９１２． ［２］朱何国，王恒志，吴申庆．ａ—Ａｌ２０，，ＴｉＢ：颗粒增强铝基复合材料 的ＸＤ合成［Ｊ］．金属学报，２００１，３７（３）：３２１—３２２． ［３］席艳君，王志新．ＴｉＡ１涂层对Ｔｉ州合金耐磨行为的影响［Ｊ］．材 料工程，２００９，４４（１２）：５Ｏ一５１． ［９］师瑞霞，尹衍升，龚红字．Ｃ０包覆纳米Ａ１：ＯＹＴｉＣ复合材料的界面 电子结构计算及材料［Ｊ］．材料热处理学报，２００６，２７（３）：３－５． ［１Ｏ］苏文勇，张瑞林．ＴｉＢ 等Ｃ 型化合物价电子结构分析［Ｊ］．北京 理工大学学报，２０００，２０（５）：１５５—１５６． ［４］张瑞林．固体分子与经验电子理论［Ｍ］．吉林长春：吉林科学技 术出版社。１９９３：２７５～３１６． 作者简介：张建武（１９８７一），男，甘肃庆阳人，硕士研究生，研究 方向为堆焊设计及工艺。发表论文１篇． ［５］刘志林，李志林，刘卫东．界面电子结构与界面性能［Ｍ］．北京： ８ ・试验与研究・ 焊接技术 第３９卷第ｌ０期２０１０年ｌ０月 始终是焊接领域的重要课题。进行水下焊接时，环境 过程或高速瞬变过程的空间信息和时间信息记录下来。 高速摄像系统由光源部分、扩束部分和摄像部分 压力是随水深线性升高的。随着压力的升高．气体密 度增大，电弧逐渐收缩，弧柱电位梯度升高。电弧稳 三部分组成，如图２所示。①光源部分，由点光源或 平行光源组成。试验中采用平行光源。背光光源初期 定性变坏，飞溅剧烈。电弧的亮度也随气压的升高而 增强。环境压力的变化对焊接电弧有重要影响．因 使用的是波长为６５０ ｎｍ的半导体激光器。功率为８０ ｍＷ，但是由于成像效果一般，于是换用了７ＩＬＸ５００ 型高压氙灯光源室。采用７ＩＰＸ５００２氙灯开关电源为 此，研究高压环境下的电弧，也是水下焊接研究工作 的一个重要方面。本文旨在分析高压空气环境下脉冲 ＭＩＧ焊电弧形态及其相关问题，从而进一步了解高 压干法水下焊接过程的特点，为开发相应的焊接材料 ７ＩＬＸ５００型氙灯提供稳定的直流电源；②扩束部分， 初期试验由显微目镜及凸透镜组成，即透镜１和透镜 和获得良好的焊接接头奠定基础。 １高压焊接试验系统 如图ｌ所示的高压焊接试验系统．主要由高压气 体储罐、高压焊接试验舱、脉冲ＭＩＧ焊机、高速摄 像系统和中央控制台等组成。试验全部在高压焊接试 验舱内进行，试验舱设计压力为１．５ ＭＰａ，相当于 １５０ ｍ水深，容器内径１．６ ｍ，能够满足国内绝大多 数海底管道高压焊接试验的需要。本试验选择空气作 为环境气体，主要因其成本低廉，容易得到，但是由 于氧气的存在，高压环境下的试验可能会具有一定的 危险性，甚至发生爆炸。在试验舱内进行的０．１～０．７ ＭＰａ（此处为绝对压力，０．１ ＭＰａ即常压环境）气体 爆炸试验表明，压缩空气不会发生爆炸，但是显著助 燃［ 。因此，高压焊接试验舱内线缆采取了加蛇皮管 和缠绕石棉布等措施，保证焊接试验过程的安全。 图１高压焊接试验系统 焊接电弧是一种无规律的急剧变化着的气体放电现 象，同时发出强烈的弧光，无法用肉眼直接观察［ 。借 助于高速摄像系统来进行观察会取得很好的效果，同 时高速摄像还可以更好地观察熔滴过渡过程。高速摄 像技术是一种先进的测试手段，它能把一个高速运动 ２，通过光路调整元件将激光光源扩展成ｉｆ６０ ｍｌｎ的 圆形光斑。后期采用的氙灯光源视场较大．清晰度也 较好，所以直接去除了扩束部分；③摄像部分，采用 Ｃａｎａｄｉａｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｂｓ彩色数字高速摄像机。高速摄 像机包括主机和附件。主机型号ＣＰＬ—ＭＳ２５ｋ，附件 包括镜头、图像采集卡、专用驱动软件、计算机等。 焊枪 焊枪 滤光镜组 母材 （ｂ） 图２高速摄像系统及其光路图 电弧光的波长分布在从紫外到红外的很宽范围 内，而在某一波长上其强度不一定高［引，背景光源发 出的光线亮度可能超过电弧中对应波长的弧光．而在 高速摄像机镜头前直接加装滤光镜组，可以滤除弧 光，提升电弧图像清晰度，相比之前的小孔光阑和干 涉滤光片联合滤光，本试验采用的滤光镜组效果更加 明显，而且简化了光路，使系统便于在密闭环境中进 行试验，具有更好的环境适应能力。在高速摄像系统 中，背景光源和滤光是很重要的。高速摄像系统采用 背景光源，主要是因为如果没有背景光源，拍摄时只 能看到电弧，而不能看到电极和熔滴，不利于观察电 弧形态和熔滴过渡，如图３所示。其参数见表１。 Ｗｅｌｄｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣￣Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１０ ・试验与研究・ ９ （ｇ）有激光背光 （ｂ）无背光 （ｃ）氙灯背光 图３ ＭＩＧ焊电弧及熔滴过渡 （ｄ）无背光 （ｅ）氙灯背光 表１试验拍摄方案比较 图片 背光 滤光 初期试验ａ 激光 小 Ｌ光阑和干涉滤光片 调整后试验ｂ 无 滤光镜组 调整后试验ｃ 氤灯 滤光镜组 调整后试验ｄ 无 滤光镜组 调整后试验ｅ 氤灯 滤光镜组 焊接电源选用北京时代科技股份有限公司的焊机 ＮＢＭ一５００（Ａ１１１－５００Ｐ）电源。为了研究压力及纵向 磁场对焊接电弧和熔滴过渡的影响，采用高速摄像机 拍摄记录电弧形态和熔滴过渡，通过ＮＩ ＬａｂＶＩＥＷ软 件实时采集高速图像、电弧电压和焊接电流的波形， 实现信号采集的同步。 试验中使用的焊丝、钢板规格见表２。 裹２焊丝、钢板的规格及化学成分（质量分数） （％ 类型 材料 规格／ｍｍ Ｃ Ｓｉ 焊丝 Ｈ０８Ｍｎ ４＇１．２ ０．０８ Ｏ．６ 母材 １６Ｍｎ ２５０ｘ８０ｘ１０ Ｏ．１７ Ｏ．４４ 口一 Ｍｎ １．１３ １．５４ ２试验结果与分析 ２．１环境压力对脉冲ＭＩＧ焊电弧形态的影响 在０．１—０．７ ＭＰａ高压空气环境下，利用高速摄像 系统拍摄到图４所示的电弧。图４表明常压下电弧呈 钟状，随着环境压力的升高，电弧逐渐收缩，弧长变 口 短，且变得不稳定。电弧亮度有所增强。这是由于环 境压力升高，舱内气体密度增大，对电弧的冷却、压 缩作用随之增强，从而使弧柱电位梯度增强所致Ｅ４１。 同时。与电弧的能量平衡原理和最小电压原理相符。 ２．２焊接电流和电弧电压对电弧形态的影响 平均电流和平均电压的变化对电弧形态也有一定 影响。图５和图６的环境压力都是０．１ ＭＰａ（常压）， 图５中焊接电流从１０１ Ａ开始逐渐增加．图６ａ中焊 接电流均为１５０ Ａ，电弧电压升高，图６ｂ的平均电 流均为１６０ Ａ，电弧电压逐渐升高，具体参数见表３。 （ｃ）１＝１０１ Ａ，０．５ＭＰａ （ｄ），＿１０１Ａ，０．７ＭＰａ 图４电弧形态 （ｆ）１＝１５０Ａ 圈５平均电流对电弧的影响（环境压力０．１ ＭＰａ ￡，＿２７Ｖ （ａ）Ｉ＝１５０Ａ １Ｏ・试验与研究－ ／］－－２９．６Ｖ （ｂ），－１６ｏＡ 田６平均电压对电弧的影响（环境压力０．１ ＭＰａ】 裘３焊接电流、电弧电压参数裹《环境压力０．１ ＭＰａ） ｌ图号ｌ ５ａ ｌ ５ｂ Ｉ ５ｃ ｌ ５ｄ Ｉ ５ｅ Ｉ ５ｆ ｌ ６ａ ｌ ６ｂ ｌ ６ｂ ６ｂ Ｉ平均电流，Ａ ｌ ｔ０１ ｌ １１０ Ｉ １２０ Ｉ １３１ ｌ １４１ ｌ １５０ ｌ １５０ Ｉ １６０ ｌ １６０ １６０ Ｉ平均电压 Ｉ ２３．７ ｌ ２３．７ Ｉ ２４．１ ｆ ２４．７ Ｊ ２５．２ ｉ ２７ Ｉ ２６ ｊ ２８ Ｉ ２８．６ ２９．６ 焊接过程的稳定，关键在于焊丝熔化速度和送丝 速度的合理匹配。也就是电流和电压的匹配。从图５中 可以看出，随着焊接电流的增大，电弧基本呈现压缩的 趋势，燃烧剧烈。这是由于增大平均电流后，焊丝熔化 速度将增大，同时送丝系统会根据厂家设定的匹配关系 相应增大送丝速度，用于匹配焊丝熔化速度的增大，但 由于送丝速度与熔化速度难以实现完美的平衡关系。导 致随着平均电流的增大．焊丝端部与熔池的距离越来越 短，所以电弧弧长压缩，焊接过程的稳定性变差。 焊接电流不变，升高电弧电压时，弧长增加，焊 接过程变得稳定。如图６所示。可以看出，弧长明显 增大。这是由于提高了平均电压，送丝系统为满足平 均电压的升高，需降低送丝速度，增大弧长，使电弧 电压升高，而送丝速度的降低，使得电流增大导致的 熔化速度与送丝速度失衡消失，二者建立了新平衡， 从而避免了短路过渡的出现，代之以稳定的射滴过渡。 所以当环境压力升高使得电弧压缩、焊接过程变得不 稳定时，适当升高电弧电压可有效解决弧长被压缩问 题，在一定程度上可平衡由高压带来的不利影响。 在高压环境下，随着环境压力的升高，电弧亮度 显著增强．电弧尺寸逐渐减小，且拍摄的高速图像出 现过饱和，尤其当环境压力为０．７ ＭＰａ时过饱和现象 尤其明显，电弧中心最亮处出现黑色斑块，如图７ｂ所 示，这是由于感光元器件的电子逸出造成的。为了消 除过饱和现象。试验时在高速像机镜头前端加装２片 减光片和１片可调减光片，以增强减光效果，图７ｃ， ｄ，ｅ即在减光后拍摄。图７的具体工艺参数见表４。 焊接技术 第３９卷第１０期２０１０年１０月 （ｅ），＿１２ＯＡ （２）减光后拍摄的高速图片 图７平均电弧电压对电弧的影响（０．７ ＭｌＰａ 表４焊接电流、电弧电压参数【０．７ ＩＶＩＰａ） ｌ 图号 （ａ） （ｂ） ｌ （ｃ） Ｉ （ｄ） （ｅ） 『 平均电流，Ａ ９１ 。１０１ ｆ １０１ ｉ １１０ １２０ ｌ 平均电压厂ｖ ２６－２ ２６．６ Ｉ ２９ Ｉ ２９ ２９＿８ 在０．７ ＭＰａ的高压环境下，随着焊接电流的增 大，电弧也呈现压缩的趋势。图７ｂ中电弧弧长过短， 把电弧电压调高至２９ Ｖ，焊接过程才变得稳定，继 续增大焊接电流，电弧基本上还是趋向压缩。 ３结论 （１）本文所用高速摄像系统能拍摄高压空气环境 中脉冲ＭＩＧ焊的电弧．且利于熔滴过渡的观察。 （２）通过电弧电压、焊接电流信号的同步采集对 电弧研究，发现在０．１～０．７ ＭＰａ空气环境下，随着环境 压力的升高．脉冲ＭＩＧ焊的电弧弧长变短，弧柱收 缩，弧光增强，飞溅明显增大，焊接过程变得不稳定。 （３）随着焊接电流增大，电弧基本呈现压缩的态 势，燃烧剧烈；而当焊接电流不变，升高电弧电压 时，电弧长度会增大。 （４）试验结果表明，脉冲ＭＩＧ焊应用于６０ ｍ水 深范围内的干式焊接是可行的。 参考文献： ［１］周灿丰．以空气为舱内加压气体的钨极氩弧焊接［Ｊ］．焊接学报， ２０ｏ７，２８（２）：５－８． ［２］安藤弘平，长谷川光雄．焊接电弧现象（增补版）［Ｍ］．施雨湘， 译．北京：机械工业出版社，１９８５：３４１—３４８． ［３］李桓，李国华，李俊岳，等．熔化极电弧焊熔滴过渡过程的高 速摄影［Ｊ］．中国机械工程，２００２，１３（９）：７９６－７９７． ［４］Ｎｉｓｈｉｇｕｃｈｉ Ｋ，Ｍ Ａ．Ｇａｓ ｍｅｔａｌ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓ—ａｒｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｂｅａｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ｉｎ ｐｒｏｃ． ［Ｃ］／／Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ－ＡｄｖａｎｃｅＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪａｐａｎＷｅｌｄｉｎｇＳｏｃｉｅｔｙ． １９７５，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎ．