脉冲等离子毕业论文

摘 要新型等离子 MIG 焊,在国外有了较大的进步,国内却较少在这方向上进行研究。 Plasma 一 MIG 焊是利用等离子电弧和 MIG 电弧在同一个焊枪中燃烧,以获得焊缝熔深和熔宽合理分配,并且具有高的焊接质量和焊接效率的一种先进焊接方法 。Plasma 一 MIG 焊接时在可焊厚度和焊缝宽度方面都具有很大的优势。其焊接过程具有独特的优点：焊丝熔化速度快、无飞溅、焊接过程稳定，焊缝成形美观、气孔少、接头质量高，能量集中。本课题设计一并研制了由两台电源组成的等离子一MIG 专用焊接电源,两台电源分别具有不同的电源外特性,满足了为等离子电弧和 MIG电弧供电的需求。随着脉冲弧焊电源的发展，特别是对一些难焊的、热敏感性高的材料和难于施焊的场合，脉冲焊均显出独特的优越性。本文根据脉冲等离子弧焊和MIG 焊特点设计出脉冲等离子-MIG 焊，通过对设备的调试，完善，应用于脉冲等离子-MIG 焊的焊接工艺实验。结果表明,在焊接中,焊枪准确到位,焊缝成形好,焊缝过渡平滑,焊接质量高;焊接速度快,生产效率高。本文利用单片机技术，设计脉冲相位控制器。以单片机为内核，A/D 转换器、运算放大器组成相位控制器，可以使焊接电压成为在一定恒压基础上，进行一定频率和幅值交化的脉冲电压。同时脉冲控制器设计为两路输出，按照推挽式设计，可进行双丝焊焊接。为了有效的分析熔滴过渡和电弧行为及其变化对焊接电流、电弧电压的影响，在焊接过程中又采用了示波器对其进行同步采集。关键词:脉冲,等离子-MIG 焊,相位控制ABSTRTA new -plasma-MIG welding -has been adopted in abroad quickly.but it has few use in our country.which uses plasma-arc and MIG arc burning in the same blowtorch ,so that weld -penetration and melting-width arc properly distributed,and we can get high welding quality and efficiency.plasma-MIG welding have big superiority in penetration and welding joint width aspect , the welding process has unique advantages: wire melting speed, no spatter, stable welding process, the appearance of weld joint, low porosity, high quality,energy concentration .a special power system used for Plasma 一 MIG welding was designed and developed.the power system included two inverter power sources with different external characteristic,they can meet the requirement of plasma arc and MIG arc.with the development of pulsed arc welding, especially some difficult to weld, sensitive to heat materials and the situation difficult to weld the pulse welding show the unique superiority .According to the characteristics of pulse plasma arc welding and MIG welding ,design a set of pulse plasma-MIG arc welding automatic phase,including the arc welding power source, welding torch, gas supply system, cooling system, mechanical walking mechanism and process control system.Through debug and perfect the equipment,finally applied to pulse plasma -MIG welding welding experiments.The result of system indicates that the face of weld is smooth,and the quantity is good.The velocity of this system is quick, and the efficient is high.with the keyboard as the man-machine communication interface，with the one chip computer as the kernel,A/D converter,an operational amplifier phase controller,The controller can make the voltage change in frequency and amplitude on the base of a certain value.Furthermore,the controller is designed for duplex output according to push-pull mode,which can be applied for double-wire weldingBesides ，applied to the oscilloscope analyze the droplet transition,arc behavior and its effect on welding current and voltageKeywords:pulse plas;ma-MIG welding;Automatic phase control目 录1 绪论 .11.1 引 言 .11.2 等离子弧焊接 .21.2.1 等离子弧焊接方法的特点 .21.2.2 等离子弧焊接电源 .21.2.3 等离子弧的类型 .31.3 MIG 焊介绍 .31.3.1 熔化极氩弧焊（MIG）的原理、工艺特点 .41.3.2 MIG 焊的熔滴过渡 .41.3.3 脉冲 MIG 焊 .41.4 等离子-MIG 焊 .51.4.1 等离子 MIG 焊的产生及基本形式 .51.4.2 等离子 MIG 焊原理及特点 .61.4.3 国内外研究现状、发展动态 .71.5 脉冲弧焊电源的特点及应用 .71.5.1 脉冲弧焊电源的基本原理 .81.5.2 脉冲电源可调工艺参数 .8l.6 本文研究目的和主要内容 .91.6.1 研究目的和内容 .91.6.2 采取的研究方案 .91.6.3 实验方案 .101.6.4 前期验证性试验 .121.6.5 可行性分析 .142 脉冲等离子-MIG 焊的相位控制组成 .152.1 脉冲等离子-MIG 焊的相位控制组成 .152.1.1 脉冲等离子 MIG 焊电源 .152.1.2 MIG 焊接电源 .162.1.3 脉冲等离子 MIG 焊相位控制器原理及功能 .162.1.4 脉冲等离子 MIG 相位控制器硬件 .182.1.5 相位控制器组成及调试 .192.2 相位控制器与焊机的连接 .202.2.1 控制系统 .222.3 送丝系统 .232.3.1 小车行走机构 .252.3.2 供气系统和水冷系统 .262.4 等离子一 MIG 焊接枪体的结构 .262.4.1 复合焊枪的设计 .273 脉冲等离子一 MIG 焊接工艺实验 .2831 脉冲等离子一 MIG 焊接试验原理 .283.2 脉冲等离子 MIG 焊相位控制器功能性验证试验 .283.3 试验条件 .293.3.1 等离子焊接工艺实验 .293.3.2 等离子焊工艺参数 .293.4 脉冲频率对焊接过程的影响 .293.4.1 实验过程与分析 .303.2 MIG 焊接工艺实验 .313.2.1 MIG 焊接参数 .313.2.2 实验过程分析 .313.3 脉冲等离子 MIG 复合电弧焊接工艺 .323.3.1 复合电弧波形 .323.3.2 复合电弧特性 .333.4 复合焊焊缝成形情况 .344 结论 .354.1 实验结论分析 .354.2 实验过程中遇到的问题 .36参考文献 .37附录 1：英文原文 .38附录 2:英文译文 .5811 绪论1.1 引 言自从 1881 年俄国人 Nikolai Benardos 发明了碳弧焊以来 1,近 100 多年来已经有几十种电弧焊方法出现。其中应用比较广泛的有埋弧自动焊、CO 2气体保护焊、钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、等离子弧焊等。20 世纪50 年代以来,又有一些新的焊接方法如电子束焊、激光焊等高能流密度焊接方法出现,并获得了广泛的应用。目前,在工程中应用的各种焊接方法,大多还是采用单一电弧来完成焊接的。但是,随着人们对焊接效率和焊接质量要求的不断提高,这种常规的焊接方式已经受到限制。从某种角度上讲,焊接效率主要是由单位时间内填充金属的熔敷速度来衡量的。对于单一电弧的焊接方法而言,常用的提高熔敷速度的措施是增加焊接热输入和提高焊接速度。但随着热输入的过度增加,会导致过大的焊接变形,而且容易引起组织粗大、焊缝韧性降低等一系列问题。而且过大的焊接速度也容易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷。解决这一问题的有效途径就是采用双电弧方法进行焊接。这种方法最明显的优点就是能在比较小的热输入下获得很高的焊接效率。因此,它特别适用于各种合金钢和有色金属的焊接。目前,国内外所研究和使用的双电弧焊接方法有三种主要类型有：采用多丝多弧焊、改变保护介质及利用复合热源等。复合热源的特点是将两种或两种以上单一焊接方法集于一体，取其所长从而形成新的更为先进的焊接方法。等离子 MIG 焊也是复合热源的一种焊接方法，等离子一 MIG 焊接是高能束与传统 MIG 焊相结合的新技术。该工艺可以看作是熔化极惰性气体保护焊(MIG)与等离子弧焊的结合, 由于等离子电弧是压缩电弧,与激光束一样属于高能束热源，其电弧刚度大,保证了较大的焊接熔深.加之电弧的辅助搅拌作用，使得焊缝中的气体有充分的时间逸出,防止了焊接缺陷的产生.而同时存在的 MIG 电弧,保证了焊缝填充金属的提供,使焊接能够高效进行，因此它特别适用于各种合金钢和有色金属的焊接。等离子 MIG 焊由荷兰 Philips 研究实验中心 w.G.Essers 和.A.C.Liefken 等人于 1972 年最早提出的。它采用的复合电弧由一个等离子弧和一个 MIG 电弧构成。由于这种方法所需要的焊接电源和枪体都比较复杂,目前,除荷兰 Philips 公司外,还没有其它公司推出定型的焊接设备。国内也尚未见将这种设备应用于工程的报道。2等离子一 MIG 焊接又称等离子 GMAW 焊接。,由于这种设备所产生的两个电弧要同时作用在一个熔池上,焊接枪体要同时完成电弧压缩、水冷却、离子气流和保护气流提供、起弧及稳弧等复杂的过程,其设计有很大的难度。1.2 等离子弧焊接1.2.1 等离子弧焊接方法的特点1957 年美国人.R.M.Gage 发明了压缩等离子弧焊枪,并首次在材料焊接中应用了这项技术,这种方法的原理简图见图 1.1。等离子弧焊使用压缩电弧,焊接时，靠机械压缩、热压缩和自磁压缩效应使电弧能量高度集中,大幅度提高了电弧的温度和能量密度,从而获得更高的焊接质量。经喷嘴压缩的等离子弧,其能量密度相当于钨极氢弧焊电弧的 3 倍以上,温度也要高得多。等离子电弧是仅次于激光和电子束的高能流密度热源。等离子电弧和激光束(LB)和电子束（EB)一样,可以进行“小孔法”焊接。也可以在很小功率下完成微熔化焊接。由于等离子弧具有压缩效应,可使电弧断面成为深而窄的形状,其热影响区和焊接变形小。该方法焊接效率高,节省焊接材料,适合于绝大多数金属的焊接。1.2.2 等离子弧焊接电源3等离子弧是一种非线性负载,其静特性曲线工作部分呈平或上升特性 13-14。根据这种静特性,等离子弧焊接电源大多选用具有陡降或垂直陡降外特性的焊接电源。从使用的电源种类来说,常用的有硅整流式弧焊电源、晶闸管式弧焊电源等。近年来,随着逆变式弧焊电源性能的不断完善,在等离子弧焊接中也取得了一些应用 15-16。等离子弧焊接通常采用正接法,即工件接正极,钨极接负极,这样可以使电极的发热量最小17。等离子弧焊接很少采用反接法,由于采用这样接法时,枪体中的钨极容易发生严重过热。但在等离子弧堆焊工艺中有关于反极性等离子弧的报道 18。等离子焊接一般不使用普通的工频交流电源。1.2.3 等离子弧的类型1)等离子弧的类型根据电极接法不同，等离子弧可以分为转移弧、非转移弧、联合型弧 3 种 3（如图 1-2） 。(1) 非转移弧：等离子弧产生在电极和喷嘴表面之间，连续送入的工作气体穿过电弧空间之后，成为从喷嘴内喷出的等离子焰来加热熔化金属。(2) 转移弧：电弧首先在电极与喷嘴内表面间形成。当电极与焊件间加上较高电压后，电极与焊件间产生等离子弧，即电弧转移到电极与焊件间。(3) 联合型弧：转移弧和非转移弧同时存在就称为联合弄弧。主要用于微弧等离子焊接和粉末材料的喷焊。1.3 MIG 焊介绍41.3.1 熔化极氩弧焊（MIG）的原理、工艺特点1）原理:采用连续等速送丝可熔化焊丝与焊件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属，形成熔池和焊缝的焊接方法2。原理图如图 1-4。为防止外界空气混入到电弧、熔池所组成的焊接区，采用了 Ar、He 等气体惰性保护。 2）MIG 焊主要具有以下工艺特点 30,31 MIG 焊几乎可以焊接所有的金属，焊接中氧化烧损少，只有少量的蒸发损失，焊接冶金过程相对比较单纯。 生产效率高，焊接变形小。连续送丝的 MIG 焊允许使用的电流密度较高，母材的熔深大，填充金属熔敷速度快。 对氧化膜不敏感，依靠强劲的阴极破碎作用去除氧化膜，提高焊接质量。 可以获得含氢量较低的焊缝金属。 可以通过短路过渡或脉冲进行全位置焊接，焊道之间不需要清渣。1.3.2 MIG 焊的熔滴过渡MIG 焊一般采用平特性电源配等速送丝系统，根据焊丝及焊接规范的不同，其熔滴过渡方式主要有短路过渡、大滴过渡、喷射过渡。 1.3.3 脉冲 MIG 焊1）脉冲 MIG 焊扩大了电流的使用范围 脉冲 MIG 焊通过脉冲参数的配合，可以在较小的电流下实现稳定的喷射过渡，这样可以焊接薄板，且母材熔透情况比短路过渡焊接好，生产率高和焊接变形情况都比TIG 焊好。更有意义的是可以使用较粗的焊丝来焊接薄板，这给焊接工艺带来很大5方便。首先粗丝送丝相对更为容易，对软质焊丝（铝、铜等）最为有利。其次，粗丝的挺直性好，焊丝指向不易偏摆，容易保持在焊缝中心线上。此外，粗丝的售价比细丝低，可降低焊接成本，并且比表面积小，可使产生气孔的倾向性降低。2）可控制熔滴过渡和熔池尺寸，有利于全位置焊接 进行空间位置焊缝焊接时，由于脉冲电流大，使熔滴过渡具有更强的方向性，有利于熔滴沿电弧轴线顺利过渡到熔池中。由于脉冲平均电流小，所形成的熔池体积也会小一些，再加上脉冲加热和熔滴过渡是间断性发生的，所以熔池金属即使处于立焊位置也不至于流淌，保持了熔池状态的稳定性。3）可有效地控制热输入量，改善接头性能 对于热敏感性较大的材料，通过平均电流调节对母材的热输入或焊接线能量，使焊缝金属和热影响区的过热现象降低，从而使接头具有良好的品质，裂纹倾向性降低。此外，脉冲作用方式可以防止熔池出现单向性结晶，也能够提高焊缝性能。1.4 等离子-MIG 焊1.4.1 等离子 MIG 焊的产生及基本形式1）等离子 MIG 焊的产生等离子 MIG 焊是利用等离子弧和 MIG 电弧在同一焊枪中燃烧,以获得焊缝熔深和熔宽合理分配并且具有高的焊接质量和焊接效率的一种先进的焊接方法。与等离子弧焊比较,其优点是:焊丝受等离子弧预热,熔化功率大 ,焊接速度高。熔化功率和工件上的输入热量可以单独调节,熔化极直流电源,采用直流反接时有去除氧化膜的阴极破碎作用,所以这种方法适用于焊铝、镁及其合金。2）等离子 MIG 焊的基本形式熔化极等离子弧焊有两种基本形式。如图 1 一 1 为水冷喷嘴式。水冷喷嘴在强烈的直接水冷条件下,喷嘴温度可以保持相对较低的水平,这样便可以承担较大