0 前言
CO2气体保护焊在生产中应用广泛，具有效率高、成本低等诸多优点，但其缺点也非常突出，即电弧稳定性差、焊接飞溅严重。究其原因是因为CO2气体保护焊电弧收缩，以致电弧电磁力由促进熔滴过渡变成强烈排斥熔滴，故在常规焊接参数范围内，CO2气体保护焊只能采用低电压短弧焊接，迫使熔滴发生短路过渡，规避大滴排斥过渡。但由于CO2气体保护焊电弧的强烈排斥作用，在短路结束、电弧重燃瞬间的爆破力仍然会造成比MIG/MAG焊接严重很多的焊接飞溅。如果能够采用合理的控制策略和方法，实现CO2气体保护焊稳定可控的轴向自由过渡，将从根本上改善CO2气体保护焊的过程稳定性，使焊接飞溅降到最低。
(1) Terminal voltage of shaded cells in 11 shading cases
采用激光脉冲照射熔滴，产生蒸发反冲力促进熔滴过渡是控制MIG/MAG熔滴过渡的有效附加外力手段，可以在小电流下获得稳定的细颗粒过渡乃至射滴过渡［1］。将这一方法应用于CO2气体保护焊获得稳定轴向自由过渡的主要障碍在于CO2气体保护焊熔滴被电弧力强烈排斥。CO2气体保护焊电弧排斥力近似与焊接电流平方成正比关系，调节焊接电流即可调控熔滴所受排斥力，进而调控熔滴形态。如果采用脉冲电流焊接，电流由峰值切换到基值时，熔滴所受电弧排斥力瞬间降至最小，熔滴也可能由受排斥状态回落到垂顺状态，此过程可能激发熔滴振荡。熔滴振荡已被证明可以有效促进熔滴过渡［2－3］。在熔滴从焊丝末端向熔池振荡时，同步发射激光脉冲，或辅以其它形式的外力，则可同时利用熔滴振荡和激光反冲力，使CO2气体保护焊熔滴稳定、柔顺、无飞溅的脱离焊丝，实现CO2气体保护焊稳定可控的轴向自由过渡。基于这一研究设想，文中首先通过使用有限元分析软件Surface Evolver［4］，基于能量最小原理对CO2气体保护焊自由过渡熔滴行为进行数值模拟，分析CO2气体保护焊脉冲电流电弧力调控对熔滴的作用效果。在数值模拟结果的指导下，再进行试验验证和分析。
1 CO2气体保护焊熔滴自由过渡的数值模拟
首先利用Surface Evolver软件，将熔滴重力、表面张力表达为能量形式，电弧斑点排斥力主要考虑电弧电磁力，其大小由式(1)计算［4］，作用方向为背离熔池指向焊丝轴向。基于Surface Evolver的网格划分等设置细节因篇幅限制略去。设定不同熔滴等效尺寸，研究不同大小的熔滴在不同焊接电流下的平衡形态，揭示电弧电磁力对熔滴形态的影响规律。
时至今日，虽然我们离共产主义社会的理想状态还有一段距离，但是她是我们对美好未来的规划和期待，只要我们共同努力，在国家发展经济的同时，能够合理利用自然资源，控制污染环境的废气排放、垃圾处理等行为，那么，人与自然的和谐相处将不再是幻想，她终将成为我们美好生活的未来。
式中，r"为斑点的半径;r为焊丝的半径;θ为电弧半锥角;I为焊接电流;μ0为自由空间的磁导率。
图1是焊丝直径1．2 mm，熔滴等效直径设为3 mm，焊接电流10～260 A时的计算结果。如图1所示，熔滴形态在不同电流下差异较大。电流大于70 A时，电弧电磁力对熔滴开始显出较明显的排斥作用。70 A电流下熔滴已经被电弧排斥压缩。当焊接电流增加到180 A时，熔滴质心在电弧排斥力作用下明显偏离焊丝轴线，呈现排斥形态。随着电流增进一步，熔滴受排斥偏离的程度也越大。此时，只能通过熔化更多的气体保护焊丝，使熔滴的重力继续增加或者采用更大电流产生更大的排斥力才能使熔滴脱离焊丝，这也是常规的CO2气体保护焊的自由过渡只能是大滴排斥过渡的原因。当焊接电流较小不超过30 A时，熔滴基本处于自由垂顺状态，没有被排斥压缩或偏转。虽然图1模拟的结果是在不同的稳态电流下获得的稳态结果，并非动态时变结果，但是可以从中得出结论认为采用脉冲电流进行CO2气体保护焊接，在电流由峰值切换到基值小电流时，由于电弧排斥力大大降低，熔滴可由排斥状态回落到垂顺状态。
图1 不同焊接电流下CO2焊大尺寸熔滴状态
进一步设定熔滴等效尺寸为1．75 mm，略大于焊丝直径，对于细颗粒自由过渡是比较理想的熔滴尺寸。计算熔滴在30～220 A不同电流下的稳定形态。计算模拟结果如图2所示。
由图2所示模拟结果可见，当电流为30 A时，熔滴保持自由垂顺，电弧电磁力对熔滴形态几乎无影响。随着焊接电流增大，熔滴被电弧排斥力向焊丝方向托起，熔滴受到排斥力作用而被压缩。注意到与熔滴直径为3 mm时不同的是，即便电流增大到220 A，熔滴虽然受到的排斥力大大增强，但熔滴只是轴向压缩状态加强，而没有发生如图1中所示的排斥偏转。因此可以推论，当控制熔滴尺寸较小时，焊接电流由峰值(如220 A)切换到基值(如30 A)时，熔滴可由轴向排斥压缩状态回落到垂顺状态，在这一动态回落过程实际上会伴随熔滴沿焊丝轴向的振荡，也就是说熔滴实际回落过程中是具有一定轴向动量的。这一振荡动量可以被利用有效促进熔滴过渡。这里需要注意的是，基于能量最小原理模拟的是熔滴形态，是稳态结果，不同电流下的不同熔滴稳定形态只是说明当电流突然变化时可能会激发一定的熔滴振荡。实际效果如何还需要试验验证。
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图2 不同焊接电流CO2气体保护焊小尺寸熔滴状态
2 CO2气体保护焊熔滴激振试验研究
2．1 试验系统与方法
焊接试验系统由焊接系统、电流波形及送丝控制系统、焊接图像和电信号同步采集系统构成，主要硬件构成见表1。通过CO2气体保护焊熔滴过渡试验，利用高速摄像对熔滴过渡的图像进行记录，研究熔滴排斥行为基本规律，研究电流脉冲下熔滴由排斥回落至垂顺过程的运动规律和表面形态变化规律;分析电流波形参数对熔滴运动响应的影响规律。
采用如图3所示的脉冲电流进行焊接，控制峰值电流和时间，在熔滴长大至期望尺寸时刻降低焊接电流至基值，使电弧排斥力最小化，使熔滴由排斥状态回落至柔顺垂落状态，观测熔滴运动和形态变化。
试验电流波形脉冲参数见表2，选用直径1．2 mm的焊丝，焊丝伸出长度15 mm，CO2保护气流量15 L/min，焊接速度3 mm/s。根据数值模拟结果，熔滴直径较小时电弧力调控可能激发熔滴轴向振荡，因此试验中脉冲峰值时间设置较小。
表1 试验系统参数表
焊接电源 送丝机 采集卡 高速摄像机 焊丝 保护气 母材凯尔达WSME－315可编程电源振康SB10H双丝送丝机阿尔泰USB2833A Motion Pro Y－4系列ER50S－6(1．2 mm) 纯度 99．5CO2Q235
图3 电弧力调控CO2焊熔滴自由过渡控制原理
2．2 试验结果与分析
试验1～6中熔滴形态对脉冲电流的响应分别如图4a～4f所示。通过试验图像可以看出，脉冲峰值期间，熔滴底部有明显的电弧阳极斑点存在，电弧排斥力将熔滴托起，阻碍了熔滴过渡;当电流迅速降低至基值后，熔滴受到的斑点电磁阻力也瞬间降低，熔滴都由被托起状态转变为垂顺状态。图4所示的结果中熔滴尺寸均为1．8 mm作用，可见在此熔滴尺寸下，熔滴在电弧排斥力作用基本都只发生了轴向压缩而没有发生排斥偏转。
表2 脉冲电流试验数据表
序号 峰值时间t峰/ms脉冲峰值I峰/A脉冲基值I基/A基值时间t基/ms 1 3 140 30 20 2 3 180 30 20 3 3 220 30 20 4 3 260 30 20 5 5 220 30 20 6 7 220 30 20
首先测量熔滴在脉冲下降开始，到稳定垂顺状态的时间，来分析脉冲参数对电弧力调控效果的影响。从试验1～4的高速摄像序列测量熔滴回落时间，可以得出脉冲方波峰值电流对熔滴过渡的影响，测量结果如图5所示。由高速摄像图片及图5分析可知当基值电流一定时，随着峰值电流的增大，熔滴在高电流脉冲下所受到的斑点力越强，熔滴排斥压缩程度越高，电流切换到基值后，熔滴回落至垂顺状态所需时间越长。
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测量对比试验3，5，6的熔滴回落时间，可分析脉冲峰值时间对熔滴过渡的影响。当其他条件一定时，脉冲峰值越长，熔滴从排斥压缩状态回落至垂顺状态所需时间越长。随着脉冲峰值时间增加，熔滴受排斥压缩程度越高，当脉冲峰值时间为7 ms时，电弧排斥力作用时间过长，熔滴被过度排斥以至于熔滴已经整体粘连到焊丝上，这时熔滴回落时间将明显延长，不利于激发熔滴振荡。
图4 不同脉冲参数下的CO2焊熔滴动态行为
图5 峰值电流对熔滴回落时间的影响
基于以上熔滴由排斥压缩到稳定垂顺状态的分析，在CO2气体保护焊中采用脉冲电流调控电磁力控制熔滴状态，乃至激发熔滴振荡，峰值电流要相对较大，并充分压缩熔滴，从试验结果来看220 A电流比较合适;而峰值时间要相对较短，从结果来看3 ms比较合适。图6为从试验3高速摄像序列测量的熔滴位移振荡曲线。图中0时刻为脉冲上升沿开始时刻，此时刻熔滴在自由垂顺的平衡状态，以此平衡位置记为位移零点。由图可见，熔滴在脉冲峰值的电弧排斥力下被排斥压缩，熔滴质心的最大压缩位移达到了0．45 mm，峰值电流结束转为基值时，熔滴在自身表面张力和重力共同作用下，开始从最大压缩状态回落并首先达到一个最大拉伸状态，这是典型的熔滴振荡过程，熔滴振幅随焊逐渐衰减直到熔滴达到稳定平衡状态。由图6中可以计算得到熔滴振荡的周期约为13 ms。熔滴在由最大排斥状态开始向下运动过程中速度可达200 mm/s，此时熔滴动量如果被充分利用则可以有效促进熔滴过渡。如在熔滴开始向下振荡时同步附加激光脉冲或其它形式外力，则可利用此熔滴振荡动量促进过渡，减小所需要的激光脉冲功率。
图6 电弧力调控下CO2气体保护焊熔滴振荡
在试验数据第4组中，由于峰值电流持续时间短，熔滴与焊丝基本保持在同一直线上，大电流下熔滴沿焊丝轴向被压缩而不发生偏转，电流减小后熔滴迅速沿轴向回弹，如图4所示，因此熔滴回落时间很短，并且在回落过程中拥有较大动量。如果在熔滴开始回弹瞬间施加外力，则可利用熔滴振荡动量促进熔滴过渡。
3 结论
(1)建立了CO2气体保护焊熔滴过渡能量模型，分析了不同尺寸的熔滴在不同焊接电流下的形态，揭示了电弧排斥力对熔滴形态的影响规律，理论上预示了采用电磁力调控激发CO2气体保护焊熔滴振荡的可能性。
现场试验采用的静压PHC管桩直径400 mm、壁厚95 mm，试验桩编号为S1、S2，桩长分别为13和18 m，桩长范围内主要土层为粉质黏土，S1桩底土层为粉质黏土，S2桩底土层为粗砾砂.试验桩FBG传感器采用桩身内植入埋设工艺，S1桩身埋设6个测点，S2桩身埋设8个测点.贯入过程桩身轴力分布曲线如图2所示.由图2可见，S1、S2试验桩桩身轴力整体趋势随贯入深度增加而减小.S1桩端进入粉质黏土层，桩端阻力为478.3 kN；S2桩端进入粗粒砂层，桩端阻力为631.5 kN，说明测试效果良好.
(2)采用脉冲电流进行CO2气体保护焊试验，结果表明，采用较大峰值电流(＞220 A)和较短的峰值时间(≤5 ms)的情况下，控制熔滴尺寸略大于焊丝直径，可控制熔滴在峰值期间被轴向压缩而不发生径向偏转，并在电流切换到基值瞬间熔滴时开始产生较强烈的轴向振荡。
参考文献
［1］ Xiao J，Zhang Y M．Current-independent metal transfer by pulsed laser irradiation part 1:system and verification［J］．Welding Journal，，95(3):93s－100s．
［2］ Zhang Y M，Liguo E，Kovacevic R．Active metal transfer control by monitoring excited droplet oscillation［J］．Welding Journal，1998，77(9):388s－395s．
［3］ Xiao J，Zhang Y M．Active metal transfer control by using enhanced droplet oscillation part 1:experimental study［J］．Welding Journal，，93(8):282s－291s．
［4］ Kenneth A，Brakke．Surface evolver manual［M］．Version 2．30，University of Minnesota，USA，:9 －11．
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