Effect of workpiece inclination on weld pool shape and weld forming in pulsed MAG welding
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摘要: 在相同MAG焊接参数条件下，采用单因素试验方法对不同倾角的工件进行了上坡焊和下坡焊工艺试验. 通过高速摄像技术以及图像处理技术提取了熔池边缘及尺寸等特征参数信息，并对熔池面积、后拖角等相关参数进行了修正. 分析了工件倾角对熔池宽度、长度、面积、后部面积、后拖角等特征参数以及焊缝成形的影响. 结果表明，当工件倾角超过30°时，工件倾角对熔池形态特征参数和焊缝尺寸有比较明显的影响，且该影响在上坡焊和下坡焊中的表现不同. 研究结果对减少非水平位置焊接产生的焊接缺陷和改善焊接工艺具有重要的指导意义.Abstract: In this paper, the uphill welding and downhill welding tests were carried out on workpieces with different dip angles under the same MAG welding parameters by single factor test method. The characteristic parameters such as edge and size of the molten pool were extracted by High speed camera and image processing technology and the area and rear drag angle of the molten pool was corrected. The influence of workpiece dip angle on weld pool width, length, area, rear drag angle and weld forming was analyzed. The results show that when the dip angle of the workpiece exceeds 30°, the obliquity of the workpiece has obvious influence on the morphological characteristic parameters and the size of molten pool and it is different in uphill and downhill welding. It is of great significance to reduce welding defects and improve welding process in non-horizontal position welding.
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0. 序 言
机器人焊接在压力容器、管道、造船等行业得到了广泛的应用[1]. 而在机器人焊接过程中不可避免的要在非水平位置进行焊接. 而在不同空间位置焊接过程中，因熔池液态金属受力状态不同，当工件倾角较大时容易发生熔池失稳，导致熔池流动和粘结不良，影响焊缝成形，容易产生焊瘤、驼峰焊道等焊接缺陷. 因此，研究工件倾角的变化对熔池形态和焊缝成形的影响对于减少在非水平位置焊接产生的焊接缺陷和改善工艺参数具有重要参考意义.
目前大部分关于非水平位置焊接的研究大多是针对仰焊、立焊、横焊等几个特殊位置的熔滴受力和过渡形式分析. 如Chen 等人[2-3]在平焊、横焊、立焊位置从熔滴直径、过渡方式和频率方面研究对熔滴过渡行为的影响；文献[4-7]对平焊、仰焊、立焊位置进行三维数值模拟，分析了焊缝的形成过程、熔滴过渡行为和熔池特征；再如文献[8]在倾角为5°时进行上坡焊和下坡焊试验研究了驼峰焊道的成因；文献[9-10]采用单因素试验方法，研究了工件坡度为3°，6°，9°时对焊缝尺寸的影响规律. 然而，对不同的工件倾角对熔池形态、焊缝成形影响进行的系统性的研究相对较少. 在熔化极气体保护焊(MAG)焊接参数恒定的情况下，分别在不同倾角的工件上进行了上坡焊和下坡焊工艺试验，采用高速摄影技术和图像提取技术对熔池的特征参数进行了提取，系统的分析了不同工件倾角对熔池形态和焊缝尺寸的影响.
1. 试验方法
1.1 试验过程
试验选用API X65作为母材，试板尺寸为150 mm × 80 mm × 8 mm.根据母材的焊接性和力学性能，选择焊丝型号为ER50S的ϕ1.0 mm实芯焊丝，保护气体成分为82%Ar + 18%CO2.
试验采用FANUC Robot M-10iA焊接机器人，焊机Fronius CMT Advanced4000，高速摄像机FASTCAM Mini UX100，在拍摄过程中采用滤光片组对电弧产生的强烈弧光进行过滤从而能拍摄到较为清晰的熔池图像[11]. 如图1所示，将试板装夹于变位机上保证工件的倾斜角度可调. A，B为高速摄像机，分别从焊缝的纵向和横向对熔池形态进行拍摄，且通过调整保证拍摄时镜头轴线与焊缝方向所成的角度一致.
试验采用脉冲MAG焊接方法进行焊接，在Matlab中编写程序对高速摄像机拍到的图像依次进行灰度化处理、中值滤波处理、图像增强和Canny算子边缘检测，提取熔池的边缘图像并通过Matlab程序计算熔池的特征参数. 将图片中焊丝的直径作为参考基准对图像进行标定，将图像中的像素点转化为实际长度. 图2为从焊缝横向和纵向拍摄处理前后的图片.
如图3所示，需要图像提取计算的熔池特征参数定义如下.
(1)熔池最大宽度W：通过计算横向图像中熔池垂直于焊接方向最大宽度BC所含的像素点数获得，W反映了焊缝的宽度.
(2)熔池最大长度L：通过计算熔池平行于焊接方向的最大长度所含的像素点数获得. 由于纵向拍摄时镜头垂直于焊缝方向，故纵向图像中提取的长度值接近于真实值.
(3)熔池面积S：对横向拍摄图像进行处理后熔池边界所包围的像素点数，可将边缘包含区域内所有熔池长度像素点求和获得，S和W，L综合反映了焊接的热输入分布、熔透状态及焊缝的成形尺寸. 但由于拍摄角度的影响，S需要进行修正.
(4)熔池后部面积Sback：横向图像中从最大熔宽处到熔池尾部所包含区域的面积，可将所包含区域内所有熔池长度像素点求和获得，Sback需要进行修正. 熔池后部面积所占总面积比例反映了熔池沿长度方向的对称性，也间接反映了液态金属的分布情况.
(5) 熔池后拖角α：经横向图象处理后熔池尾部最远点A与熔池最宽处两点B，C形成的夹角，反映了熔池的细长状态和尾部边缘曲率的变化，由式(1)计算，计算值需要进行修正
$$ \alpha = \arccos \frac{{2{{\left( {\sqrt {{\rm{A}}{{\rm{O}}^2} + {{({\rm{BC}}/2)}^2}} } \right)}^2} - {\rm{B}}{{\rm{C}}^2}}}{{2 {{\left( {\sqrt {{\rm{A}}{{\rm{O}}^2} + {{({\rm{BC}}/2)}^2}} } \right)}^2}}} $$ (1) (6)熔池形状复杂度系数定义为
$$ e = {C^2}/\left( {4\text{π} {S^2}} \right) $$ (2) 式中：C为熔池的周长；S为熔池的面积. 熔池形状复杂系数反映了熔池形状的规则性，反映了熔池区域单位面积的周长，可从宏观上描述熔池边缘的光滑度. e值越大，单位面积的周长越大，即区域较离散，则为复杂形状，越容易出现咬边、气孔、夹渣等焊接缺陷. 反之，则为简单形状，e值最小的区域为圆形，其值等于1.
1.2 熔池特征参数提取值的修正
试验中由于无法正向对熔池进行拍摄，而是从焊缝横向、纵向两个方向进行拍摄，故造成两个方向拍摄的图像中特征参数值不同，故需要对提取到的熔池特征参数值进行修正. 但由于纵向拍摄方向垂直于焊缝，所以从纵向图像中提取的熔池长度接近于实际值. 经过分析，横向图像中的长度值与纵向图像中的长度提取值之间存在的关系如式(3)、式(4)所示，其中μ，ε分别为上坡焊和下坡焊中对应的长度修正系数，
$L_\textit{z}^{up}$ ，$L_h^{up}$ 表示上坡焊纵向、横向长度提取值，$L_\textit{z}^{down}$ ，$L_h^{down}$ 表示下坡焊纵向、横向长度提取值.$$ {L_{\textit{z}}^{up} = \mu L_h^{up}} $$ (3) $${L_{\textit{z}}^{down} = \varepsilon L_h^{down}} $$ (4) 熔池的特征参数如后拖角、面积的计算都与长度值有关，故可利用图像中长度之间的修正系数μ，ε对特征参数值进行修正. 比如，熔池的面积是由熔池边界包围的所有像素点之和所得，每列像素点之和为熔池总面积，故可利用通过两个拍摄方向所得图像中长度之间的修正系数μ，ε对横向图像中长度方向的每列像素点进行修正，对其求和之后得到修正后的熔池面积. 同理，其他的特征参数也可用此关系进行修正.
2. 上、下坡焊接工艺试验
试验采用单因素方法，研究上坡焊和下坡焊工件倾角对熔池形态和焊缝尺寸的影响. 调节变位机使工件倾角达到目标值. 然后在试板上进行堆焊试验，焊接工艺参数如表1所示，采用高速摄像机对熔池形态进行拍摄.
表 1 焊接试验工艺参数表Table 1. Welding test process parameter送丝速度 vf/(m·min−1) 焊接电压 U/V 焊接速度 v/(mm·s−1) 焊丝伸出长度
L/mm气体流量 Q/(L·min−1) 7 23.2 5 15 18 2.1 上坡焊试验
图4、图5是在不同工件倾斜角度上坡焊时拍摄到的熔池图像和焊缝形貌.
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图 5 不同工件倾角时上坡焊焊缝形貌Figure 5. Photos of uphill welds with different workpiece inclination由图4、图5中可以观察到，工件倾角对熔池中液态金属的分布和形态有重要的影响. 上坡焊时，随着倾角增加，液态金属受重力影响流淌的现象越来越严重. 在平焊(0°)时，横向看熔池边缘为接近圆滑的漏斗状，熔池前部曲线曲率较小，熔池尾部曲线曲率较大. 在熔池尾部液态金属没有过多的堆积，随着焊枪行走，熔池尾部不断凝固，凝固线随之向前推移. 当倾角大于30°时，横向看熔池的形状开始有明显变化，熔池尾部的曲线向熔池外部凸出，尾部最远点A处曲率比平焊时有所减小，而熔池中间两侧向内部凹陷，尾部两侧曲线曲率增大. 倾角越大，凸出越明显. 纵向来看，液态金属在尾部有一定的堆积量，倾角越大，液态金属在熔池尾部的累积量越多. 在90°左右时累积量最多，故形成驼峰焊道或焊缝无法成形.
2.2 下坡焊试验
图6、图7为在不同工件倾斜角度时下坡焊拍摄到的熔池图像和焊缝形貌.
下坡焊时，当倾角大于30°时，横向看熔池的形状开始明显变化，熔池尾部曲线的曲率与平焊时相比有所减小，熔池尾部曲线向熔池内部推移. 纵向观察来看，液态金属在尾部没有过多堆积，而是向熔池前方焊丝正下方流动. 与上坡焊相比，下坡焊时由于熔池尾部液态金属向熔池中心位置流淌，造成电弧下方液态金属堆积，电弧变短，液态金属表面震荡现象加剧，从而造成焊丝端部与液态金属发生短路，焊接稳定性变差，飞溅量增大[12]. 如图5、图7所示，熔滴过渡时形成的飞溅明显多于上坡焊过程.
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图 7 不同工件倾角时下坡焊焊缝形貌Figure 7. Photos of downhill welds with different workpiece inclination3. 试验结果及分析
通过图像处理，可以得到熔池特征参数值. 待焊缝空冷后，分别在其前、中、后三个位置采用游标卡尺和焊缝量规HJC60测量焊缝的宽度和余高值，并在焊缝截面上测量熔深，取其平均值.
3.1 上坡焊试验结果与分析
熔池液态金属所受外力包括电弧力、气体吹力、熔滴冲击力、重力、工件支撑力和滞后张力[8]. 根据牛顿定律，在上坡焊时，为了保持熔池液态金属稳定不发生流淌，在焊缝方向和垂直于试板方向的合力必须处于平衡状态. 然而，随着倾角θ的增大，焊缝方向重力分量的值逐渐增大，当θ大于临界值时，焊缝方向的合力与焊接方向相反，此时熔池处于非平衡状态，液态金属易发生流淌.
图8为上坡焊不同工件倾角下熔池、焊缝特征参数变化曲线. 图8a为上坡焊过程中焊缝尺寸，即焊缝宽度、余高、熔深、弧坑高度及提取的熔池最大宽度、长度随着工件倾角的变化曲线. 其中，弧坑高度是指在焊接停止时不开启收弧程序，直接终止焊接过程形成的弧坑的表面高度尺寸，便于观察熔池的原始状态. 由图中可以看出，由图像处理提取的熔池宽度值和焊缝实际宽度值非常接近，最大相对误差为3.53%，验证了该边缘提取方法的可靠性. 随着工件倾角增大，熔池宽度逐渐减小，从9.36 mm(0°)减小到7.43 mm(90°)；而焊缝余高逐渐增大，从3.15 mm(0°)增加到5.1 mm(90°)，这是因为液态金属发生流淌熔池尾部液态金属堆积，固液界面润湿性不良，进而造成液态金属铺展困难，所以焊缝宽度减小而余高增大；弧坑高度值随着倾角增加逐渐减小，在平焊位置(0°)时为0.25 mm，随着角度增加，大约在7.5°时变为负值，即弧坑表面低于试板表面，这是由于金属的流淌，熔池前部因为没有足够的液态金属补充，且尾部已经凝固的金属及流体的表面张力阻碍了金属的继续流动，所以形成凹坑，在90°时达到最小值–1.5 mm. 熔池长度变化呈现出先增加后减小的趋势，从0°到60°范围内增大，在60°时达到最大值20.83 mm，这是由于熔池尾部液态金属的一定量的累积造成热量累积，所以使熔池尾部凝固减慢，表现为熔池拖长；但当角度大于60°以后熔池长度又减小，这是由于倾角增大，液态金属在熔池尾部大量累积，阻碍了液态金属继续向熔池尾部流淌，形成驼峰焊道，此时熔池长度不再增加，反而有所减小.
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图 8 上坡焊不同工件倾角下熔池、焊缝特征参数变化曲线Figure 8. Curves of characteristic parameters of weld pool and weld under different dip angles of workpiece in uphill welding图8b为图像处理提取得到的熔池总面积、熔池后部面积和后拖角随着工件倾角的变化曲线，由于倾角增大时宽度减小且余高增大，熔池总面积和后部面积都随着倾角增大呈现出逐渐减小的趋势；但熔池长度增加相对较快，热输入变得分散，综合作用下熔深有所减小；而长度减小时熔深又有所增加. 整体来看，后拖角是随着倾角增大而减小，熔池变得细长，故熔池尾部边缘曲线曲率逐渐增大，与图4所示一致. 图8c为熔池形状复杂性的变化曲线，形状复杂性系数随着倾角增加而增加，表明熔池形状发生畸变，熔池边缘变得不光滑，焊缝成型不良，在倾角大于60°之后易产生驼峰焊道或焊接缺陷.
3.2 下坡焊试验结果与分析
下坡焊过程中，当倾角θ较小时，焊缝方向所受合力与焊接方向相反，液态金属不会发生流淌；然而随着θ逐渐增大，沿焊接方向重力分量的值逐渐增大，液态金属所受合力变为沿着焊接方向，此时熔池液态金属易发生流淌现象.
图9为下坡焊不同倾角下熔池、焊缝特征参数变化曲线. 图9a为下坡焊过程中焊缝尺寸，即焊缝宽度、余高、弧坑高度测量值及图像提取的熔池最大宽度、长度随着工件倾角的变化曲线. 由图中可以看出，由图像处理提取的熔池宽度值和焊缝实际宽度值非常接近，最大相对误差为1.87%. 随着工件倾角增大，熔池宽度呈现出逐渐增大的趋势，从9.36 mm(0°)增加到11.55 mm(90°)；而焊缝余高呈现出逐渐减小的趋势，从3.15 mm(0°)减小到2 mm(90°)；弧坑高度值随着倾角增加逐渐增加，在平焊位置(0°)时为0.25 mm，随着角度增加高度逐渐增大，弧坑位置表面均高于试板表面，在90°时达到最大值3.10 mm，表明液态金属在电弧正下方发生了累积. 下坡焊时熔池尾部液态金属在重力的作用下向熔池前部流动，而熔池前部液态金属在熔滴冲击力及电弧压力等的共同作用下由熔池上层转向底部，大部分金属回流至熔池前部，只有极少部分液态金属以较慢的速度在熔池底部回流至熔池尾部，造成熔池尾部金属得不到及时补充，故形成了熔池前部高于熔池尾部的形状特征，如图7所示. 熔池最大长度变化呈现出减小的趋势，这是由于倾角越大熔池尾部金属向熔池前部流淌越严重，热量也随之向熔池前部转移，所以熔池尾部热量积累不足，熔池长度减小，在倾角为90°时达到最小值17.63 mm.
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图 9 下坡焊不同工件倾角下熔池、焊缝特征参数变化曲线Figure 9. Curves of characteristic parameters of weld pool and weld under different dip angles of workpiece in downhill welding图9b为图像处理计算得到的熔池总面积、熔池后部面积随着工件倾角的变化曲线，二者都是随着倾角增大呈现“M”型的变化趋势，即呈现出先增大后减小，又增大再减小的变化. 熔池面积先有微小增加，随着角度增大，流淌现象有所加剧，液态金属向下流淌堆积在电弧下方，导致熔池面积有所减小. 但倾角进一步增加，流淌现象更加严重，大量液态金属堆积在熔池中央，在电弧力等的作用下形成翻涌和环流，热量增加导致熔池向外扩展，宽度增加，故导致熔池面积增加，但倾角大于75° 后，飞溅增大焊接过程不太稳定，熔池面积又有所减小. 与上坡焊相比，下坡焊熔池面积整体偏大，故热输入较分散，熔深较小，且随着面积呈“M”形增加，熔深也相应有所减小. 后拖角随着倾角增大逐渐增大，表明熔池尾部边缘曲率随之有所减小，与图6所示的变化一致.
图9c为熔池形状复杂性的变化曲线，形状复杂性系数随着倾角增加呈现出“W”形的变化趋势，曲线的转折点熔池面积变化的转折点一致. 这是由于熔池面积增加，宽度也增加，形状复杂性系数变化微小，但随着倾角增大，熔池面积减小，宽度继续增加，形状复杂性系数开始减小，宽度继续增大，在熔池面积、宽度、长度综合影响下，形状复杂系数开始增大而后又减小，当角度在75°左右时达到最小值. 然后面积又开始减小，形状复杂系数开始增大，熔池形状发生了轻微的畸变，边缘变得不光滑. 但是与上坡焊相比，下坡焊熔池形状复杂系数整体偏小，熔池边缘光滑性较好，焊缝成型良好，没有出现驼峰焊道等缺陷.
4. 结 论
(1)通过Matlab图像处理技术提取了熔池的特征参数，上、下坡焊熔池宽度值最大提取相对误差分别为3.53%，1.87%，并利用修正系数μ，ε对上、下坡焊熔池特征参数的提取值进行了修正.
(2)上坡焊时，当倾角超过30°时，熔池的形状开始有明显变化. 随着倾角增大，熔池长度有所增加，宽度减小，熔池总面积逐渐减小. 液态金属在尾部有的堆积量增多，在熔池前部形成凹坑. 在角度大于60°后焊缝基本无法正常成形.
(3)下坡焊时，随着倾角增大，熔池长度减小，宽度有所增加，熔池总面积呈现“M”形的变化趋势. 液态金属向熔池前方流动，形成了熔池前部高于熔池尾部的形状特征. 与上坡焊过程相比，下坡焊过程中电弧下方液态金属量堆积，液态金属表面震荡现象加剧，飞溅量增大.
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图 5 不同工件倾角时上坡焊焊缝形貌
Figure 5. Photos of uphill welds with different workpiece inclination
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图 7 不同工件倾角时下坡焊焊缝形貌
Figure 7. Photos of downhill welds with different workpiece inclination
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图 8 上坡焊不同工件倾角下熔池、焊缝特征参数变化曲线
Figure 8. Curves of characteristic parameters of weld pool and weld under different dip angles of workpiece in uphill welding
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图 9 下坡焊不同工件倾角下熔池、焊缝特征参数变化曲线
Figure 9. Curves of characteristic parameters of weld pool and weld under different dip angles of workpiece in downhill welding
表 1 焊接试验工艺参数表
Table 1 Welding test process parameter
送丝速度 vf/(m·min−1) 焊接电压 U/V 焊接速度 v/(mm·s−1) 焊丝伸出长度
L/mm气体流量 Q/(L·min−1) 7 23.2 5 15 18 
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