摘　要：应用具有自由表面的流体稳定性理论，解释了高速焊接时驼峰焊道的产生机理，并通过对熔池形成过程的实时图像采集对该理论进行了验证。
理论分析和试验结果均表明，采用自由过渡的熔滴过渡形式进行焊接，工件始终处于焊接电弧的加热下，在高速焊接时，熔池不能及时冷却，熔池明显拉长，由扰动引起的振动波长大，当熔池的拉长达到一定程度时，会发生液体金属的失稳和颈缩的现象，造成驼峰焊道。在此基础上提出，可以采用短路过渡代替高电压下的自由过渡，利用短路过渡时电弧周期性的熄灭可以减小对熔池的加热量，防止熔池过长而失稳。试验结果表明，采用短路过渡焊接可以有效地防止驼峰焊道的产生，提高焊接速度。

关键词：高速焊接　熔池　稳定性　焊缝成形

0　序　言

　　焊接作为工业生产的重要环节，其加工速度对总的生产率有着举足轻重的影响。为提高生产效率，增强市场竞争能力，生产企业对提高焊接速度提出了越来越迫切的要求。但是，焊接速度的提高会带来一些与常规速度焊接时不同的问题。其中最主要的是焊缝成形差，出现焊道咬边的现象，速度进一步提高时出现“驼峰”焊道(humping)［1，2］。作者在过去的工作中曾对高速CO2焊接时焊道咬边的产生机理进行了研究［3］。在本文中，仍将以高速CO2焊接为对象，对“驼峰”焊道的产生机理进行理论分析与试验研究，并在此基础上对防止出现这一缺陷的方法进行尝试。

1　驼峰缺陷的形貌特点

　　所谓“驼峰”焊道，是指焊缝金属沿焊接方向上的分布严重不均的焊缝成形缺陷。图1为典型的驼峰焊道的外观，图2为该焊道的横截面照片，其中图2a为驼峰的“峰顶”截面，图2b为“谷底”截面。可以看出，虽然焊缝熔深和熔宽变化不大，但焊缝金属截面发生了极大的变化。另外，值得注意的是，驼峰缺陷沿焊缝的分布比较规律，因此可以说这一现象并不是因为焊接条件和参数的偶然变化引起的，而是由高速焊接时熔池的特殊受力情况决定的。

图1　驼峰焊道外观


图2　驼峰焊道的横截面

2　焊缝成形与熔池稳定性的关系

2.1　焊接熔池的稳定条件

　　焊接熔池形状及最终焊缝成形是熔池所受各种外力联合作用的结果，如电弧力、重力、表面张力等。高速焊接时熔池的特点主要是形状细长，熔池自由表面大，此时表面张力对焊缝成形的影响显得尤为突出。应用具有自由表面的流体稳定性理论，可以较好地理解驼峰焊道的产生机理。作为定性的分析，可以将焊接熔池简化为只由表面张力维持的一段液柱，如图3所示。

图3液柱的失稳原理

　　设液柱表面有一微小扰动，并设压强正方向为指向液体内部，则在截面A和B上的液体内部压强可写为如下形式［4］：
(1)
(2)

式中　PA，PB——液体内部压强；　 σ——表面张力系数；　 rA，rB——自由表面在焊缝横截面上的主曲率半径；　 RA，RB——自由表面在焊缝纵截面上的主曲率半径。

　　在图3中，设扰动波长为λ，液柱平衡时半径为a，若λ/a很小，则RA，RB都远小于a，即有RA＜＜rA，RB＜＜rB，此时在截面A和B处液体的压强可以近似为：
(3)
(4)

即在A截面造成负压PA，在B截面造成正压PB，液体将从B流向A，从而减小扰动造成的液体表面变形，使液面恢复到平衡状态；但若λ/a很大，则RA，RB都远大于a，因此在式(1)、(2)中σ/RA,σ/RB项可忽略，即式(1)和式(2)近似为：
(5)
(6)

又由于rAPB，这样就在液体内部造成一个压强差，液体将由A向B流动，使rA继续减小，rB继续增大，因而压强差进一步增大，液体流动加速，造成液柱在截面A处发生颈缩直至破断。

2.2　高速焊接时熔池失稳的原因

　　在通常焊接速度下，熔池宽而短，体积较小，其固有频率