在高温钨极氩弧（GTAW）焊接过程中，通过电极与基材之间的接触状态实现大角度送丝时液态桥和电极插入转移的闭环控制

《Journal of Manufacturing Processes》：Closed-loop control of liquid bridge and wire insertion transfer in large angle wire feeding GTAW using contact state between wire and base metal

　　•调整焊丝位置对于提高焊缝形成质量更为有效。•混合电压-力信号感知可以有效识别LB-WIT模式。•LB-WIT闭环控制系统可以提高LB-WIT模式的稳定性，并提升焊缝形成质量。

引言
电弧增材制造（WAAM）已成为生产金属部件的关键方法之一，它具有流程简化、生产周期缩短和材料节省等优点[1][2][3][4]。在WAAM技术中，基于非自耗钨极气弧焊（GTAW）开发的钨极气弧增材制造（GTA-AM）具有更高的成形精度和质量，使其成为最突出的WAAM方法之一[5][6][7][8]。传统的GTAW采用侧向送丝方式，焊接炬相对较大，通常使用前向或后向送丝。因此，将GTAW炬集成到机器人系统中具有挑战性，限制了机器人的工作空间和可及性，这妨碍了复杂几何形状部件的GTA-AM[9][10][11][12]。为了克服这些限制，研究人员开发了大角度送丝GTAW技术。大角度送丝GTAW炬采用一种送丝配置，即焊丝以相对于基材较大的角度引入。这种大角度送丝方式显著减小了整体炬的尺寸，提高了机器人GTAW系统的可及性[13][14]。由于焊丝与钨电极之间的距离减小，焊丝直接进入电弧的高温区域，大大提高了熔化效率和沉积率。先前的研究表明，该工艺的焊接效率可以接近金属惰性气体（MIG）焊接[15]。此外，焊丝直接插入电弧的高温区域使得焊丝能够吸收更多的电弧能量，从而提高了沉积效率。结果，基材的热输入减少，焊接热变形降低，焊缝质量得到改善[16]。尽管具有这些优势，大角度送丝GTAW也面临一些挑战。由于焊丝与钨电极距离过近，焊丝尖端形成的熔滴容易污染钨电极，导致工艺不稳定甚至焊接操作中断[17]。在大角度送丝GTAW中，焊丝以几乎垂直的方向进入熔池。当焊丝熔化速度低于送丝速度时，焊丝尖端可能深入熔池并对池底产生显著冲击力。如果熔池完全穿透或池底较薄，焊丝可能会刺穿基材，严重恶化焊缝质量。相反，当熔池下方的基材足够厚时，焊丝无法进一步穿透，其前进运动受阻。在送丝器持续送丝的情况下，焊丝可能会刮擦或扰动熔池表面，在机械约束不足的区域甚至可能发生焊丝断裂或爆炸性喷射[18]。因此，在大角度送丝GTAW中严格控制熔滴转移（MT）模式至关重要，以确保工艺稳定性和沉积质量。

在传统的GTAW中，MT模式通常分为三种类型：熔滴转移（DT）、液桥转移（LBT）和焊丝转移（WT）。在本研究中，借鉴Liu等人的方法并针对大角度送丝GTAW进行了改进，将MT模式分为五种类型：无熔滴转移（DFT）、熔滴接触转移（DCT）、液桥转移（LBT）、焊丝插入转移（WIT）和焊丝撞击转移（WHT），如图1所示[19]。由于大角度送丝GTAW炬中焊丝与钨电极距离较近，熔滴往往在脱离焊丝前就接触钨电极，从而污染电极，因此DFT模式很少观察到[20]。详细来说，DCT发生在熔滴脱离焊丝前先接触熔池的情况下，允许熔滴流入熔池。LBT的特点是在焊丝与熔池之间形成稳定的液桥，使熔融金属连续流入熔池。WIT发生在焊丝在熔池内熔化而未接触熔池底部的情况下。在这五种转移模式中，大熔滴DCT的转移频率较低，焊缝质量较差，并且容易污染钨电极[21]。WHT可能会刮擦熔池，甚至刺穿熔池或导致焊丝断裂或爆炸性喷射，从而中断工艺[22]。LBT提供最佳的焊缝质量，连续的熔融金属流动确保了最佳的焊缝连续性和均匀性[23]。然而，在实际制造中，液桥容易受到干扰而不稳定[24]。小熔滴DCT和WIT则具有较好的成形质量，是工业生产中最常用的MT模式[25][26][27]。由于WIT和LBT具有相似的焊缝形成特性和沉积质量，本研究将这两种MT模式统称为液桥-焊丝插入转移（LB-WIT）。因此，本研究致力于通过开发和实施适当的控制策略来实现稳定的LB-WIT。

为了在送丝焊接过程中实现稳定的LB-WIT，已经投入了大量研究精力来控制MT模式。最直接的方法是通过调节焊接参数来控制MT模式。研究人员广泛研究了工艺参数对各种送丝焊接和增材制造（AM）过程中MT模式的影响，为MT模式控制提供了基础。Song等人揭示了送丝速度对“TIG + AC”双丝交叉WAAM中MT行为的影响[28]。Chen等人使用数值模拟研究了送丝速度对等离子弧增材制造（PA-AM）的影响[29]。Nguyen等人研究了焊丝位置对MT的影响，发现当焊丝尖端与基材之间的距离为4毫米时发生DFT，而当焊丝与基材接触时则实现LBT[30]。Chang等人研究了电子束焊接（EBW）中焊丝位置对MT的影响，实验验证当焊丝与基材之间的距离为0-1毫米时可以实现稳定的LBT[31]。Zhao等人分析了金属蒸汽流动对MT的影响，并通过工艺参数优化获得了电子束增材制造中的最佳MT模式[32]。Jia等人研究了水冷对MT的影响，报告称较高的冷却速率加快了MT模式之间的转换[33]。Chen等人研究了GTAW中电弧长度对MT的影响，发现电弧长度增加会导致DT过程中熔滴尺寸变大[34]。Wang等人研究了焊接参数对垂直送丝等离子弧增材制造（PA-AM）中MT特性的影响，证明送丝速度、电弧电流和等离子气体流量都会显著影响MT行为[35]。Zhang等人研究了侧耦合变极性PA-AM中的MT，并观察到了不同送丝高度下的不同MT模式[36]。Jiang等人研究了环形激光束同轴送丝激光增材制造（L-AM）中的MT，发现MT模式随距离变化而变化[37]。

除了优化焊接参数外，研究人员还开发了各种工艺改良措施来改善MT行为并增强LBT的稳定性。Miao等人研究了带旁路热丝电流的等离子弧焊接（PAW）中的MT，证明通过调整主电流与旁路电流的比例可以控制MT模式[38]。Liu等人通过焊丝振荡改进了LB-WIT，从而扩大了稳定LB-WIT的工艺窗口[19]。Silwal等人分析了焊丝振荡和热丝送丝对GTAW中MT的复合影响，报告称焊丝振荡有效促进了MT，而热丝送丝的贡献相对有限[39]。Dong等人提出了一种斜耦合电弧-焊丝电弧工艺，并分析了其背后的MT机制。虽然优化焊接参数和工艺改良可以改善MT行为并扩大LBT的工艺窗口，但它们在增强抗干扰能力方面的效果仍然有限。闭环控制为此挑战提供了一个有前景的解决方案[40]。Zou等人研究了焊丝和熔滴对焊接电弧以及焊丝与基材之间电压信号的影响，并阐明了相关机制[41]。迄今为止，已经对GTAW及相关制造过程中的MT特性和机制进行了广泛的研究。许多研究试图通过优化焊接参数和开发改良工艺来改善GTAW中的MT。然而，这些方法基于开环控制策略，需要精确的参数选择且对外部干扰缺乏适应性。因此，当发生工艺干扰时，期望的LB-WIT模式可能会轻易转变为不希望的MT模式。Liang等人开发了一种基于吸收电子的双通道吸收电流监测方法，用于电子束增材制造（EBM）中识别MT模式，并通过调节基材高度实现了LBT的闭环控制[42]。Liang等人验证了闭环控制稳定LB-WIT的有效性和优越性。然而，由于热源的特性不同，他们研究中提出的传感方法和控制策略是专门为EBW设计的，不能直接应用于GTAW。

为了解决大角度送丝GTAW中实现稳定LBT的挑战，本研究提出了一种基于实时监测焊丝电压和机械信号的的新型闭环控制方法。检测到的MT模式用于调节焊丝位置，从而控制MT行为。由于LBT和WIT具有相似的成形特性，所提出的控制系统不试图区分它们。相反，控制目标定义为保持工艺在LB-WIT模式内。实验结果表明，在LB-WIT模式下的稳定运行可以有效确保高质量沉积和工艺的稳健性。

**实验系统**
为了通过电压和力信号反馈调节焊丝位置来实现GTAW中LB-WIT的闭环控制，建立了如图2所示的实验平台。该平台包括三个子系统：焊接系统、数据和图像采集系统以及闭环控制系统。

**焊接参数对大角度送丝GTAW中MT特性的影响**
GTAW中的MT行为强烈依赖于送丝速度、焊接电流和焊丝位置。为了研究这些参数的影响，设计了一系列GTAW实验，系统地改变了送丝速度、焊接电流和焊丝位置。然后观察并分析了不同参数条件下的MT特性。

**基于电压和力信号的MT混合感知**
仅基于单一信号的感知不足以有效识别LB-WIT。因此，本研究开发了一种混合感知系统，包括电压信号感知子系统和焊丝力感知子系统。这两种感知方法的结合能够可靠地识别LB-WIT。

**LB-WIT闭环控制系统的设计**
前述部分通过实验验证了三个焊接参数——送丝速度、焊接电流和焊丝到钨电极的距离——对MT行为的影响。所有这三个参数都直接影响MT模式。然而，在闭环控制系统中，调整焊丝到钨电极的距离是最合适的控制策略。主要原因是调整送丝速度会改变填充金属的沉积率，从而影响MT模式。

**结论**
本研究旨在通过闭环控制提高大角度送丝GTAW中LB-WIT的稳定性。主要结论总结如下：(1) 送丝速度、焊接电流和送丝位置都是影响熔化过渡（MT）行为的关键参数。送丝速度直接决定了送丝填充率，而焊接电流和送丝位置主要影响送丝熔化率。与其他参数相比，送丝速度的变化对熔化过渡过程的影响更为显著。

本研究中提出的控制方法的有效性仅针对2毫米厚的Q235钢板进行了验证，从而证明了熔化过渡过程闭环控制的可行性。未来的研究将致力于将这一策略扩展到采用不同材料系统的药焊（GTAW）和增材制造工艺中。此外，还应系统地研究所提出的控制方法对合金成分、微观结构演变以及最终材料性能的影响。

作者贡献声明：
刘金生：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化处理、验证、方法论研究、数据分析、概念化设计。
高洪明：撰写——审稿与编辑、指导工作、资源调配、方法论研究、资金获取、概念化设计。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢：
本项工作得到了黑龙江省春燕创新团队计划（CYCX24008）的支持。

刘金生 | 高洪明