（机械电子工程专业论文）基于单片机控制的电弧螺柱焊机的研究.pdf

摘要 摘要 螺柱焊接技术是为提高焊接质量和效率发展起来的一项专业焊接技术，它可以 代替铆接或钻孔螺丝紧固等方法，广泛应用于汽车、造船、机车、航空、机械、锅 炉、化工设备、变压器及大型建筑结构行业，具有生产效率高、焊接质量好、可靠 性和重复性好、节能无污染等优点。 本文在研究电弧螺柱焊焊接机理，以及各种焊接参数对焊接效果影响的基础上， 开发出一套电弧螺柱焊焊接设备，可以实现瓷环保护电弧螺柱焊、短周期螺柱焊和 气体保护电弧螺柱焊。此焊机以c 1 6 7 c r 为控制芯片，该芯片是西门子公司c 1 6 6 系 列1 6 位单片机的成员，c p u 性能优良，具有丰富的外设资源和增强型的i o 驱动能 力，集成了焊接过程中要求的通用计时模块、a d 模块、p w m 模块等，开发容易且 具有很大的扩展空间。 本课题开发出的电弧螺柱焊机采用可控硅三相全控整流，提供焊接主电流，先 导电流由三相整流桥产生。硬件控制电路主要由可控硅驱动设计、焊枪控制、先导 电流控制、故障诊断等几部分组成。在硬件调试完成以后，通过软件编程，基本上 实现了本课题的研究目标。 通过工艺试验，进一步验证了焊机的可用性，并且对焊接样品进行了工艺检验， 包括外观检验、弯曲检验，以及对焊接样品进行了金相分析。 为了迸一步分析电弧螺柱焊焊接机理及焊接电流对电弧形态的影响，对短周期 螺柱焊的焊接过程进行了高速摄像。通过电流波形与电弧形态的同步结合，清楚地 看清了螺柱焊接过程中先导电流和主电流电弧产生、运动和发展的过程和规律。为 丰富电弧螺柱焊的研究提供了坚实的基础。 关键词螺柱焊：短周期；c 1 6 7 c r ；工艺试验：高速摄像 a b s t r a c t a bs t r a c t s t u dw e l d i n gi sas p e c i a l i t yt e c h n o l o g yw h i c hc a l li m p r o v ew e l d i n gq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y s t u dw e l d i n g ，i n s t e a do f r i v e t sa n dd r i l l i n gh o l e s ，h a si n c r e a s e de n o r m o u s l yi n t h ea u t o m o t i v e ，s h i p b u i l d i n g ，l o c o m o t i v e ，a v i a t i o n ，m e c h a n i c s ，b o i l e r , c h e m i c a li n d u s t r y , t r a n s f o r m e ra n dc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y s t u dw e l d i n gi so f h i g he f f i c i e n c y , g o o dw e l d i n g q u a l i t y , r e l i a b i l i t y , r e p e a t a b i l i t y , n o n p o l l u t i o n t h ep r i n c i p l eo fa r cs t u dw e l d i n ga n dt h ei n f l u e n c eo fa l lw e l d i n g p a r a m e t e r so n w e l d i n ge f f e c ta r es t u d i e da n da na r cs t u dw e l d i n gm a c h i n ei si n v e n t e di nt h i sp a p e r s t u d w e l d i n g w i t l lc e r a m i cf e r r u l e s h o r t - c y c l es t u dw e l d i n ga n ds t u dw e l d i n gw i 廿1s h i e l dg a s c a nb er e a l i z e di nt h i sp a p e rt o o c 1 6 7 c r , t h a ti si san e wd e r i v a t i v eo f t h es i e m e n sc 1 6 6 f a m i l yo ff u l lf e a t u r e ds i n g l e c h i pc m o sm i c r o c o n t r o l l e r s ，i sa p p l i e da st h e m i c r o c o n t r o l l e ro f t h ew e l d i n gm a c h i n e ，i tc o m b i n e sh i g hc p u p e r f o r m a n c ew i t hh i 曲 p e r i p h e r a lf u n c t i o n a l i t ya n de n h a n c e di oc a p a b i l i t i e sa n di n t e g r a t e sg p tm o d u l e ，a d m o d u l e ，p w mm o d u l ee r ew h i c h a r er e q u i r e di nt h ew e l d i n g p r o c e s s ，t h e r e f o r e ，c 1 6 7 c r c a nb ed e v e l o p e de a s i l ya n de x t e n d e dl a r g e l y t h r e e p h a s es i l i c o nc o n t r o lr e c t i f i e rc i r c u i ti sa p p l i e dt ot h ea r cs t u dw e l d i n gm a c h i n e i nt h i sp a p e r , w h i c hs u p p l i e st h em a i nc u r r e n ti nw e l d i n g p r o c e s s t h ep r i o rc u r r e n ti s s u p p l i e db yt h r e e - p h a s er e c t i f i e rb r i d g em o d u l e t h eh a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i tc o n s i s t so f t h y r i s t o rd r i v e rc i r c u i t ，w e l d i n gg u nc o n t r o lc i r c u i t ，p r i o rc u r r e n tc i r c u i t ，f a i l u r ed i a g n o s i s c i r c u i te t c t h er e s e a r c ho b j e c ti sa c h i e v e db ya n dl a r g ea f t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb e i n g d e b g g e d t h eu s a b i l i t yo fw e l d i n gm a c h i n ei sf u r t h e rv a l i d a t e db yt e c h n i c se x p e r i m e n t s ，a n d w e l d i n gs a m p l e sa r ev e r i f i e db ya p p e a r a n c et e s t ，b e n dt e s t m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i si s d o n e t h e h i 曲一s p e e dc a m e r ah a sb e e na p p l i e di nt h ew e l d i n gp r o c e s so f s h o r t - c y c l es t u d w e l d i n g ，w h i c hi sh e l p f u lt of u r t h e ra n a l y s ew e l d i n gp r i n c i p l eo fa r cs t u dw e l d i n ga n dt h e i n f l u e n c eo fw e l d i n gc u r r e n to na r cs h a p e b ys y n c h r o n i z i n gt h ec u r r e n tw a v e f o r mw i m a r cs h a p e ，t h ep r o c e s sa n dl a wt h a tp r i o rc u r r e n ta r ca n dm a i nc u r r e n ta r co c c u r , m o v ea n d d e v e l o pi sc l e a rt os e e c o n s e q u e n t l y , i tp r o v i d e ss o l i d b a s i st oe n r i c ht h er e s e a r c ho f a r c s t u dw e l d i n g k e y w o r d ：s t u dw e l d i n g ；c 1 6 7 c r ；t e c h n i c se x p e r i m e n t ；h i g h - s p e e dc a m e r a i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查鱼鱼 日期 关于论文使用授权的说明 问工j o 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：一查喳鱼 导师签名 日期：塑：翌 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 将金属螺柱或类似的其他金属紧固件( 栓、钉等) 焊到工件( 一股为板件) 上 去的方法叫螺柱焊【l 】( s t u dw e l d i n g ) ，创始人是n e l s o n 2 1 。螺柱焊可以代替铆接或 钻孔螺丝紧固等方法，广泛应用于汽车、造船、机车、航空、机械、锅炉、化工设 备、变压器及大型建筑结构行业【5 “5 3 j 。其优点是生产效率高，焊接质量好，可靠性 和重复性好，节能无污染等。国外8 0 以上的螺柱用螺柱焊机焊接，用它来代替繁 重的手工焊操作，生产率可提高3 4 倍。目前，西欧国家对螺柱焊的需求以1 5 的 速度增长，随着人们对螺柱焊方法认识的深化，螺柱焊技术将会更快发展d - q 。 螺柱焊接紧固件不仅效率高，而且可以通过专用设备对接头质量进行有效的控 制，能够得到全断面熔合的焊接接头 2 7 】，从而保证接头的导热性、导电性和连接强 度【2 9 j 。在焊接排列较为密集的紧固件群时，采用螺柱焊可使紧固件之间距离达到最 小，对于需要防渗漏的螺柱的连接，采用螺柱焊其密封性将更有保证。此外，这种 焊接方法还具有省材料、节能、操作简便、劳动条件好、适用范围广等优点。 在建筑行业中，利用电弧螺柱焊接技术焊接锚栓，效率高，且容易实现标准化 作业，保证焊接质量。伴随着钢一混凝土组合结构的发展m j ，螺柱焊技术在钢结构 中被广泛采用【3 2 】。由异型钢筋制成的带头的螺柱和变形钢筋被嵌入在混凝土中，描 述其表现的测试结果在各种刊物中都可以找到【4 9 1 。在汽车制造业中主要是薄板焊 接c 1 9 1 ，轿车车身所使用的镀锌钢板，其焊接性较差【2 呲1 1 。使用螺柱焊接技术可以高效、 图1 1 螺柱焊在不同领域中的应用 f i g 1 - 1t h ea p p l i c a t i o n so f s t u dw e l d i n gi nd i f f e r e n td o m a i n s 北京工业大学工学硕士学位论文 高质量的完成焊接任务。图1 1 显示了螺柱焊在各种领域中的应用情况。 在某些特殊领域，螺柱焊技术也有很大的应用价值。由于电弧螺柱焊技术易于 操作，可以由机器人或焊接经验很少的宇航员在太空中进行焊接，m a s u b u c h ik 等 人l l 列在试验室模拟真空环境，采用电容储能电弧螺柱焊方法，对碳钢和航空领域中 常用的铝合金进行了焊接试验，试验结果证明电弧螺柱焊技术在卫星运行轨道上应 用的可行性。对于电弧螺柱焊的水下焊接，很多研究者做了有意义的探索研究工作， 取得了较大的成功，值得提出的是，电弧螺柱焊在一定深度的水下进行焊接，即使 采用湿法焊接也可以得到满意的焊接质量【i 研。 为了提高焊接质量的稳定性，s t r i g e lr o b e r t am 【1 7 1 等人对锚栓在工形梁上的螺柱 焊接问题做了大量研究工作，证明螺柱焊接头在混合梁上所起的作用，同时也指出， 不适当的焊接程序可能导致接头的失败。c h a m b e r s h a r r ya 【墟l 对影响焊接的多种因素 等方面对螺柱焊进行了大量研究，主要包括螺柱与母材的径厚比、母材表面状态、 磁偏吹问题、保护瓷圈、螺柱与母材材料的匹配、设备性能及状态等多方面因素， 也可以归结为材料、工艺及设备三个方面的因素。 实现电弧螺柱焊接，必须具备的设备有焊接电源、焊接时间控制器以及螺柱焊 枪。一般来讲，平特性和降特性电源均可【2 5 1 1 4 4 1 。 螺柱焊根据其使用的焊接电源不同，分为三种基本形式【“，如图1 2 所示。 图l _ 2 螺拄焊分类 f i g 1 - 2t h ec l a s s i f i c a t i o no f s t u dw e l d i n g 第一种是稳定电弧螺柱焊，螺柱端部与工件表面间产生稳定的电弧过程，电弧 作为热源在工件上形成熔池，同时螺柱端被加热形成融化层，在压力作用下将螺柱 端部浸入熔池，并将液态金属全部或部分挤出接头之外，从而形成再结晶的塑性连 接或再结晶与重结晶混合连接接头。这种螺柱焊的电源一般是弧焊整流器、焊接逆 变器或直流弧焊发电机。稳定电弧螺柱焊通常称作电弧螺柱焊( a r es t u dw e l d i n g ) 。 电弧螺柱焊的电弧放电是持续而稳定的电弧过程，焊接电流不经过调制，焊接过程 中焊接电流基本上是恒定的。 第二种是不稳定电弧螺柱焊，与上述方法不同之处在于供电电源是电容器组， 第1 章绪论 电容器在螺柱端部与工件表面间的放电过程是不稳定的电弧过程，即电弧电压与电 弧电流瞬时在变化着，焊接过程是不可控的。这种不稳定电弧螺柱焊通常称作电容 放电螺柱焊或电容储能螺柱焊，其特点是焊接过程短、热影响区小、生产率高、焊 缝质量好，适用于直径小于等于8n 1 1 n 的碳钢、不锈钢、铝、铜等材料的螺柱焊接【2 3 】。 第三种电弧螺柱焊的基本形式是电弧电流经过波形控制的电弧螺柱焊，通常称 为短周期螺柱焊( s h o r t c y c l es t u d w e l d i n g ) 或短时间螺柱焊( s h o r t t i m e s t u dw e u ) i n g ) 。这种螺柱焊的电源一般情况下是两个并联的电源先后给电弧供 电。 实际上短周期螺柱焊是普通电弧螺柱焊的一种特殊形式。但是由于二者焊接接 头形成的本质不同，所以可以划分为一种新的方法。二者的焊接过程都是由短路一 提升一焊接一落钉一带电顶锻几个过程组成，但是焊接时间短周期螺柱焊是普通螺 柱焊的十分之一或几十分之一【l o l 。和普通电弧螺柱焊相比，短周期螺柱焊有很多特 点：首先，焊接过程不用陶瓷环等保护措施。其次，所用螺柱不用特殊加工成锥形 或凸起，可以焊平头钉。第三，螺柱直径与被焊工件壁厚之比可以达n 8 1 0 。第四， 更容易实现自动化，焊接质量稳定性好。 三种基本方法各有不同的特点及不同的最佳应用领域。但也有共同之处，即为 了保证接头质量都要求螺柱浸入熔池，熄弧后仍然保留几毫秒带电加压时间。 本课题主要研究开发一种基于单片机控制的电弧螺柱焊，可以实现陶瓷保护式、 气体保护式和短周期螺柱焊。 1 2 螺柱焊技术发展现状 1 2 1 国外螺柱焊技术发展现状 普通电弧螺柱焊的应用始于1 9 3 9 年【6 1 ，国外螺柱焊的发展大体上划分为三个阶 段洲。 第一阶段是2 0 世纪4 0 年代后期到7 0 年代中期，是螺柱焊接技术发生与发展成 为一种成熟的焊接工艺阶段。从1 9 4 7 年到1 9 7 4 年大部分文献报导的是螺柱焊在工 程上的应用及简单的产品介绍，7 0 年代中期美国、德国及前苏联相继集中发表了讨 论螺柱焊机控制原理及规范参数对接头质量影响的文章，标志了螺柱焊接工艺的成 熟，这一阶段的特征是：手动的电弧螺柱焊接方法和电容放电螺柱焊接方法的广泛 应用，但此时螺柱焊生产效率低，成本高。 第二阶段是从上世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期，此1 0 年是国际上螺柱焊长足 发展与技术水平发生跳跃的1 0 年。1 9 7 4 年美国薄金属工业杂志以螺柱焊的设计 思路为题指出了带自动送料系统与多枪单元是当前的发展方向。之后澳大利亚、德 北京工业大学工学硕士学位论文 国t u c k e r 公司及美国n e l s o n 公司相继推出了具有手工、半自动及全自动多种 模式的短周期拉弧式螺柱焊机。这一阶段的特征是螺柱焊接技术实现了自动化，即 带自动送料系统及多枪单元的螺柱焊方法在这一阶段完成商品化。以电弧螺柱焊为 基础的短周期拉弧式螺柱焊接方法的推出是本阶段的最主要的成就，它克服了拉弧 式电容储能螺柱焊的弊病，成为当时及当今主导的螺柱焊接方法。 螺柱焊发展的第三个阶段是上世纪8 0 年代中期以后。其特征是计算机技术、机 器人技术与逆变技术在螺柱焊接系统中的成功应用，使螺柱焊技术提高到了一个新 的水平，1 9 8 5 年之前所有螺柱焊机的电源除了储能电容外就是二极管整流抽头式及 s c r 整流式，作为短周期拉弧式螺柱焊接法，因为焊接时间短，如果采用上述电源 则不可能进行闭环控制。普通整流电源，从取信号到反馈回去所需时间大于焊接时 间。作为单个的螺柱焊接接头只能进行规范优化，无法抗拒外界各种干扰，连网路 电压波动的补偿都解决不了。计算机技术及逆变技术的应用，顺利地解决了螺柱焊 接的质量保证系统问题。9 0 年代是螺柱焊接电源摆脱了普通整流电源及电容组电源 而进入了逆变电源的应用时代。 1 2 2 国内螺柱焊接技术的发展 整体水平看，我国螺柱焊的应用还处于起步发展阶段，国内与国际先进水平相 差了二十几年，并且品种单一，通用螺柱焊机占绝大多数【2 4 】。专用焊机大部分靠进 口，特别是汽车行业。国家计委“九五”科技攻关项目轿车车身用螺柱焊接成套设 备国产化科技攻关于1 9 9 7 年9 月通过了国家阶段鉴定，开发出了四种成套设备， ( r z n 7 1 0 0 0 a 、r z n 7 1 0 0 0 a a 、r z n 5 1 0 0 0 b 、r z n 5 1 0 0 0 b b 型) 均带自动送料 系统及多枪单位，i g b t 逆变电源微机控制有良好的人机界面，有r o b o t 接口及群 控接1 2 1 ，属于短周期拉弧式。具有国内领先及国际先进水平，这套技术本身缩短了 与国际水平的差距，将为国内螺柱焊接技术打开新的局面。 据有关资料介绍，我国目前螺柱焊机生产厂家只有十几家p ，。电容放电螺柱焊机 有r s r l 6 3 0 、1 0 0 0 、1 6 0 0 、2 5 0 0 、3 1 5 0 几种型号【3 j ，可焊接中3 一中1 2 m m 螺柱， r s r 系列电容螺柱焊机适用于碳钢、不锈钢、铜、铝等金属螺柱与相应材质薄板的 焊接【2 2 1 。广泛用于电器开关设备、造船、汽车制造、装饰等工业领域。电弧螺柱焊 机有r s n l 6 3 0 、1 0 0 0 、1 6 0 0 、r s n 2 2 5 0 0 、3 1 5 0 几种型号，可焊接中3 中3 0 m m 螺柱( 栓钉) 。这些焊接设备基本上能满足手工螺柱焊的市场需求。 我国生产的电容放电螺柱焊机的技术性能和可靠性可与进口产品相媲美，有些 指标甚至优于进口产品，例如电容充电时间己达到2 s ，而进口产品大多为4 s ，所以 有些用户已由购置进口产品转而使用国产焊机。但从总体上看，我国螺柱焊接技术 与国外相比，仍有不少差距。 国产电弧螺柱焊机的额定最大焊接电流达3 1 5 0 a ，可焊中3 0 m m 栓钉，居世界前 第1 章绪论 列。这类焊机与进口产品相比，其焊接电源都是用晶闸管控制，并可连续调节焊接 电流。从调节和稳流性能以及可靠性方面考核，差别不大。在控制方面，进口产品 都是用微机控制的，而国内则处于研发阶段，还未正式上市。至于焊枪，进口产品 寿命较长，设有阻尼装置。 总之，进口焊机在控制、焊枪、体积、重量及外观质量等方面优于国产焊机， 但价格也不菲，近似是国产焊机的3 倍吼 1 2 3 螺柱焊技术的发展趋势 随着科学技术的发展，焊接已从作为简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展 成为制造行业中的一项基础工艺和尺寸精确成品的生产手段【1 2 1 。保证焊接产品质量 的稳定性和极大提高劳动生产率已是焊接生产亟待解决的问题，焊接过程自动化是 解决这些问题的必由之路，因此焊接自动化己成为焊接生产技术的生长点之一，越 来越得到科技界和企业界的重视。螺柱焊也是如此，一些工业发达国家，如7 0 年代 的联邦德国就初步实现了螺柱焊接的机械化、自动化生产。 螺柱焊接的自动化经历了单点式半自动、单点式全自动、多点式半自动和多点 式全自动的发展过程。在这个发展过程中，包括电源、焊枪、自动送料装置、控制 系统等组成部件和整体结构都已几经升级换代，技术性能有了长足的进步，尤其是 工作的稳定性和可靠性有了很大的提高。为适应实际生产的全方位需要，国外已推 出各种系列的自动螺桂焊机，包括进行大批量生产的自动流水作业线，但应用最多 的还是台式单点自动或半自动螺柱焊接装置，其品种之齐全、功能之完善，制作之 精巧，的确有许多值得我们借鉴的地方。 目前国际上螺柱焊接技术的现状和趋势是【2 4 j ： 1 、电容储能螺柱焊、电弧螺柱焊和短周期螺柱焊几种螺柱电弧焊接方法同时并 存，其中带自动送料系统的拉弧式电容贮能螺柱焊增长缓慢。而最有发展前途的短 周期拉弧式螺柱焊接方法的比例逐渐增长，手动方式的电容放电式及保护式电弧螺 柱焊接在下降。由于手动方式的灵活性，所以电容放电式及陶瓷环保护式电弧螺柱 焊接方法永远不会被淘汰，特别是电容储能式手动螺柱焊接技术在焊接不锈钢薄板 时( 如电梯) 及镀锌薄板( 1 0m _ r n 以下) 背面无痕迹，这一点有其优势是其它方法 不可代替的【3 1 1 1 4 2 1 。带自动送料系统的自动化短周期螺柱焊接法尚有其最严重的局限 性。此外，螺柱长度亦受到限制，因为大直径长螺柱特别是异形螺柱等紧固件自动 送料系统无法适应。所以大直径长螺柱或异形螺柱至今仍然采用陶瓷环保护或气体 保护的手动式常规电弧螺柱焊接方法。 2 、进一步完善自动送料系统，研究接头形成机理及过界条件，扩大短周期拉弧 式螺柱焊接的可焊直径范围( 比如达到巾1 6 r a m 或更大) 并进行商品化，是目前国际 上的发展重要动向之一，螺柱焊的空间遥控技术研究，水下螺柱焊的研究及螺枉焊 北京工业大学工学硕士学位论文 视觉定位系统的完善是其发展方向之二。 1 3 本文研究内容 本文主要是要研制一台可以实现陶瓷环保护、气体保护和短周期螺柱焊的电弧 螺柱焊焊接设备，采用可控硅全控全桥整流提供电源，通过硬件和软件控制系统控 制可控硅开通和关断，实现对焊枪的控制，以完成焊接工序。本课题主要完成的工 作有： 1 ) 通过焊机面板，设置焊接电流、焊接时间、焊接方法以及显示焊接过程中出 现的故障； 2 ) 确定单片机电流给定与实际电流输出关系曲线；调整p i 控制器，确定合理 的控制电压输出曲线；确定p i 控制器各参数对焊接效果的影响； 3 ) 调试焊机，通过软件编程实现上述三种焊接方法； 4 ) 进行工艺试验，调整焊接参数，使焊接效果理想化，并对焊接结果进行外观 检测、弯曲检测，以评估焊接的质量；对焊缝进行金相分析，分析熔池形状对于焊 接质量的影响； 5 ) 通过高速摄像进一步讨论短周期螺柱焊的焊接过程和焊接机理。 1 4 本章小结 本章介绍了螺柱焊的定义、特点以及应用领域，并对螺柱焊进行了分类，分别 阐述了几种螺柱焊的技术特点以及相互之间的区别。螺柱焊在我国的起步要晚于欧 美等国家，所以在技术和工艺上与之还有一定的差距，本文从螺柱焊在国外的发展 状况和国内的发展状况分别进行了阐述，进行了对比，并且指出螺柱焊技术的发展 方向以及急需解决的问题。进而引出本文研究的意义以及将要研究的内容。 第3 章电弧螺柱焊硬件系统设计及调试 第2 章螺柱焊焊接过程研究及高速摄像 2 1 螺柱焊的焊接过程 2 1 1 陶瓷环保护式电弧螺柱焊焊接过程 普通电弧螺柱焊电弧的发生与焊条电弧焊时焊条的引弧原理是相同的，都是短 路提升引弧【1 】【5 4 1 。陶瓷环保护电弧螺柱焊焊接过程如图2 1 所剥5 0 1 ，操作者首先将陶 皿避皿雌丛 a )b ) c )d )c ) 图2 - 1 瓷环保护电弧螺柱焊的焊接过程 f i g2 - 1t h ew e l d i n gp r o c e s so f a r cs t u dw e l d i n gw i t h c e r a m i cf e r r u l e 瓷环套于螺柱端部，用焊枪的支架定位螺柱与工件的短路点，如图2 1a ) 所示。扣动 扳机后焊枪中的电磁力提升机构使螺柱上升引弧，如图2 1b ) 。当提升机构的电磁铁 释放时，弹簧加压使螺柱浸入熔池，如图2 1d ) 。断电冷却形成接头，如图2 - 1e ) 。 螺柱的提升高度即螺柱的行程是在焊枪中焊前设定的。 实际生产中，焊接条件的确定一般参照设备使用说明书厂家推荐的数据通过试 验来确定，同时亦可以按照经验公式估训1 ) ： i = ( 5 0 1 0 0 ) d ，( a ) f 1 - 1 、 t w = ( 5 0 1 5 0 ) d ；( m s ) ( 1 2 1 式中d s = 螺柱直径( m m ) 另外可供参考的参数范围如图2 2 所裂3 0 1 。 螺柱焊接电源要求具备下降特性的电源外特性以及良好的动特性【4 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 壤 粤 稻 敬 0 , 2 0 4 0 6o 盘1 r ol 芷1 4l 五 焊接时同i 懈 图2 - 2 普通电弧螺柱焊的焊接参数 f i g 2 - 2t h ep a r a m e t e ro f a r cs t u dw e l d i n g 2 1 2 短周期螺柱焊焊接过程 由于短周期螺柱焊是电弧螺柱焊的一种特殊形式，所以其焊接过程与普通电弧 螺柱焊一样，即由短路一提升焊接一落钉一带电顶锻几个过程组成。同样作为热 源的电弧是稳定燃烧的电弧，不像电容放电螺柱焊的电弧瞬时都在变化，但电弧电 流确是经过波形调制的。 短周期螺柱焊采用双电流控制的方法1 5 1 + 3 j ，即在焊接开始时，利用- d , 电流进 行引弧，持续凡毫秒后，触发大的焊接电流，在母材上形成熔池，最后完成焊接。 焊接过程的电流变化如图2 3 所示 2 9 1 。其中，引弧小电流触发的先导电弧因为电流 较小，所以所起的作用主要是清理工件表面、预热焊接区和引发焊接电弧。可控的 图2 - 3 短周期螺柱焊焊接过程及电流、电压及螺柱位置时序图 f i g ，2 3t i m i n go f s h o r tc y c l es t u dw e l d i n gp r o c e s s ，c u r r e n t , v o l t a g ea n ds t u dp o s i t i o n 第3 章电弧螺柱焊硬件系统设计及调试 焊接电流对于焊接质量的提高起到很大作用。 其焊接过程是：首先螺柱下落与工件定位短路，启动焊枪开关，螺柱与工件间 通电。螺柱提升，引燃小电弧，此时电弧电流为先导电流，小电流清扫螺柱端部与 工件表面。延时数十毫秒后大电流自动接通，大电流发生，工件形成熔池，螺柱端 部形成溶化层。螺柱端部浸入熔池，电弧熄灭，同时焊枪的电磁铁释放弹簧压力，最 后形成接头，焊接结束。 2 1 3 气体保护螺柱焊焊接过程 气体保护电弧螺柱焊方法的基本原理与陶瓷保护电弧螺柱焊相同，主要的区别 在于使用保护气体代替陶瓷环以保护焊接电弧，缩短焊接时间和提高焊接电流。保 护气体不能像陶瓷环那样起到限制和包容焊接金属的物理作用，因此，气体的流速 和其导入焊接区域的方法对于焊接质量是非常重要的。焊接气体的流通要先于焊接 周期的开始，保护气体会保护电弧和熔化的金属直到熔池变冷和坚固。 电弧螺柱焊的焊接加热过程是稳定的电弧燃烧过程，像有保护的普通电弧焊一 样，为防止空气侵入熔池恶化接头质量而要求保护，电弧螺柱焊一般采用氩气保护， 像t i g 焊一样由氩气通过喷嘴形成围绕电弧的保护罩，因为螺柱焊不存在熔滴过渡 以及接头基本上是塑性连接，熔池没有冶金过程，所以不采用c 0 2 气。 2 2 螺柱焊的影响因素 2 2 1 螺柱的凸出长度 凸出长度是螺柱在陶瓷环外突出的长度，螺柱的这部分可以被燃烧掉或者熔化 成为焊接填充物1 引。凸出长度短会造成大量的飞溅，并且使焊缝高或者不均匀。它 是一个物力测量的参数，可以通过螺柱和陶瓷环在螺柱焊枪中的位置测量出来。 图2 4 为瓷环保护式电弧螺柱螺柱焊焊枪头的组合图，其中p 即为螺柱的凸出 长度。 2 2 2 螺柱的提升高度 提升高度是焊枪将螺柱抬离板材的距离1 8 】。焊接开始前，螺柱和板材是接触的， 抬升机构产生一个空气隙，电流流过气隙产生电阻，此电阻产生电弧热以熔化螺桂 和板材。 如果没有气隙存在，电流将无法产生足够热量熔化金属。提升高度短，将使熔 化的金属流过电弧间隙，导致焊接不完全。提升高度过长，将增加电弧爆断和偏弧 北京工业大学工学硕士学位论文 1 ：夹头 2 ：螺柱 3 ：支脚组合块 4 ：瓷环卡头 5 ：标准支撑杆 6 ：螺丝 l ：抬升 p ：凸出长度 图2 - 4 焊枪头组合图 f i g 2 - 4d i a g r a mo f g u ns e t u p 的几率。提升高度是在螺柱焊枪上设置的一个物理参数，在焊接开始时要测量一下， 它应该根据螺柱和陶瓷环放置在非传导的表面上的情况和焊接周期的初始化进行设 置和测量，以防止产生没有完全熔化的焊接。 螺柱的提升高度和凸出长度有密切的关系。以s k l 2 焊枪为例，将其活塞长度调 整为5 m m ，如图2 - 4 所示，则提升高度【1 1 】 l = 5 m m - p ( 1 - 3 ) 通常情况下，抬升高度l 大约为1 5 r a m ，也就是说凸出长度为3 5 m r n 。 2 2 3 螺柱焊焊接时间 焊接时间是指在薄板上焊接的维持时间【1 8 i ，短时间大电流可以产生足够的热量， 并且可以防止熔透板材。在同一块板材上，长时间小电流可以产生柔顺的焊接区域。 焊接时间可以在控制系统的时间设置指示器上设置。 2 2 4 螺柱焊电流强度 电流强度是指从电源流过由于提升螺柱而造成的气隙的电流大小“8 1 。电流强度 增加，焊接热量也增加。和时间设置一样，螺柱尺寸大就需要更大的电流强度，电 流强度也是在控制系统的焊接参数设置显示器上设置。 2 2 5 板材厚度 板厚至少应为螺柱直径的三分之一，螺柱才可以产生很强的拉伸强度和抗剪强 度”s 】。尽管如此，负载大时，即使螺柱直径与扳厚的比例合理，也可能会引起不可 第3 章电弧螺柱焊硬件系统设计及调试 接受的扭血和弯随。适合二分之一螺柱直径的最小板厚已经被指定和推荐在p c i 设 计手册中。在任何嵌入式的板材设计中也应该被考虑板材的弯曲。 2 ，2 6 板材清洁度 螺柱被焊的区域应尽可能的干净【1 s 】。夹装接地线的板材的两面也都应该被清洁 干净，以建立良好的电流通路，即使存在少量的铁锈和氧化皮也是有害的，和任何 有害的覆盖物、镀锌层、油脂和潮湿一样，厚的氧化皮和大片的铁锈都应该被除去。 焊接和接地点可以用砂轮、钢丝刷、轮子、去毛刺器或立铣刀非常迅速地清理掉。 注意，使用固体的打磨轮或打磨片清除镀锌板效果不好，打磨片或打磨轮只是 使锌充满和扩散至整个板材，使焊接区域看上去光亮清洁，但实际上没有达到清除 的目的。带小孔的打磨片和去刺器是除掉镀锌层的一个比较好的选择。当螺柱表面 被覆盖上镀锌层时，在螺柱装恰和焊接之前，制造商应该把焊接底部的镀锌层去除 掉。 2 2 7 镀锌 即使镀锌层能够导电，螺柱也不应该在镀锌的板材上焊接n 8 1 。锌是一种污染物， 影响焊接的冶金特性，使得焊接结果变脆。应该在螺柱已经被焊接在板材以后才镀 锌，而不是之前镀锌。镀锌以后，还应该考虑钢的氢脆化带来的影响，它的产生有 很多原因，当螺柱被弯曲一个很小的角度时，它都能引起螺柱杆严重的脆化。钢氢 脆化产生是由于完成焊接的板材不合理的酸洗，或者由于酸洗时间过长，或者由于 酸洗完成后没有完全的清洗；或者由于电镀时间过长，或者由于温度太高；或者是 由于应用的焊接螺柱的强度比板材的强度高。 为了防止弯曲的螺柱杆在弯曲区域的脆化，螺柱在镀锌板材上的弯曲半径应该 是a c i 建筑协议提供的参数的西到六倍。 2 2 8 焊接的边沿距离 螺柱距离板材边缘的距离不应该低于螺柱直径加1 8 英寸( 3 r a m ) ，距离每个边 缘的距离至少应该是1 到1 5 英寸( 2 5 m m - - 3 8 m m ) 1 8 1 。 2 2 9 接地及偏弧 由于偏孤，边沿距离和接地线的放置可以影响焊接质量，偏弧是焊接电弧相对 于接地点和被焊接板材的电磁偏斜【1 8 1 。图2 5 显示了偏弧对接地和边沿形式的典型 影响。 北京工业大学工学硕士学位论文 对于大型的钢材，例如粗大的横梁，这种影响不太值得注意，但是对于相对于较 小的嵌入式的板材就会出现问题。典型的来说，由于在螺柱相反的方向缺少焊接填 充物，电弧偏斜反方向的焊接强度和质量就会受到影响。图2 - 6 显示了偏弧引起的典 型焊接效果。 ，- o r 彳哪 毡 e d g f fe f 。僦t 图2 - 5 接地和工件上磁场扭曲的影响 f i g 2 - 5e f f e c to f ( a ) g r o u n dc o n n e c t i o n , a n dc b ) w o r k p i e c e0 1 1d i s t o r t i o no f m a g n e t i cf i e l d l 1 l i il , al l 图2 - 6 电弧偏吹时造成螺柱收缩角度 f i g 2 6s h r i n k a g ea n g l em a d eb ya r cb l o w 例如，焊接板材可以用四根分离的地线连接于其四角，用螺栓将其与焊台卡住， 四根地线在与焊接系统单一的地线用螺栓相连。这种方法可以把整块板材变成地， 那么小板材上电弧偏斜的几率就能降低到最低。在更大的矩形的板材上，两条地线 ( 在板材两个相对方向的边沿) 就可以产生良好的电流通路。 地线的连接机构可以用c 型的螺栓装卡具、快速弹簧卡具、或者控制杆卡具装 配在焊接平台上，并与螺柱焊焊接系统的地线相连，所有的这些装卡类型都已经成 功地得到验证。因此使用比所焊板材更大的铜或钢板材作为焊台，并使其中心地与 底部相连，将消除偏弧的影响或使其影响降低到最低。 第3 章电弧螺柱焊硬件系统设计及调试 应该把焊接飞溅、焊浆以及瓷环碎片从焊接板材上清除掉，以保证螺柱表面与 焊接板材完全地接触，这些将保证良好的导电性和电流流动性，也可以通过一些试 验为某些典型形状的板材选择良好的电流流通路径。当合适的接地方法确定后，偏 弧就会降低到最低，结果就会产生恒定一致的高质量焊接，焊接排斥率降低，维修 成本也会降低。 2 2 1 0 陶瓷环 陶瓷环也称作保护套圈【”，它的使用起到以下几种作用。首先，它包含溶化金属 的熔池，并在螺柱外围形成填充物形状。第二，焊接时，它控制住了大量的电弧光 和大量的火星迸发。第三，瓷环被设计成特殊的通风样式，以保证在引弧时，螺柱 末端熔化，并通过通风口将焊接区域的焊接气体排出以除氧，因此，可以防止氧气 进入焊接区域。 陶瓷环可以广泛地应用于各种外形的被焊物体中，使螺柱能够焊接在圆筒状、 棒、板材边缘、沟槽、立柱、矩形和正方形机构的管状边缘。除了平焊，这些不同 的构造也可以采用其他的焊姿。 保持瓷环干燥很重要，如果吸入太多潮气，焊接时就会立即将潮气变成水蒸气， 造成大量的熔化金属被排出。除了由于爆炸带来的可能性危险外，焊接还带有气孔， 强度弱。已经潮湿或者吸收了潮气的陶瓷环需加热至1 2 1 进行烘干，直到除去潮气 为止。 瓷环的包装盒要标注有警告标志，表示他们含有硅，可能有害健康。因为陶瓷 环是由未加工的耐火土制成，带有粘合剂，并在高温下烧制而成，在焊接过程中， 没有多余的硅材料。如果仅仅是焊接破裂的碎片，他们也基本上是惰性的、无机的 材料，例如烧制的矿物材料和石块，可以很容易安全地除去。对于焊接操作者或者 附近的人来说，要清理大量的瓷环碎片，这对身体造成很大的危险。 2 2 1 1 焊接位置 所有基本构造和直径的焊接螺柱，平焊时都能容易的进行焊接【1 8 1 。通常的规则 下，直径超过1 9 m m 的螺柱都可以竖直地焊接在焊接板材上，并且焊接强度一致。 当焊接在板材的竖直方向上时，大于等于1 6 m m 的螺柱要使用特殊的陶瓷环。对于 焊接直径为2 2 m m 的螺柱，当竖直方向上焊接时，可以使用一种特殊的陶瓷环，但 是在板材竖直方向上焊接这个直径的螺柱时，需要非常细致地控制条件。 所有直径的螺柱也都可以进行仰焊。很显然，焊接过程中，仰焊会引起焊接火 星掉落的大量增加，需要合理的操作保护手段。螺柱制造商可以提供保持焊接火花 的附件。图2 7 显示了几种焊接位置，分别为平焊、立焊和仰焊。 北京工业大学工学硕士学位论文 立焊 手撵 瓣 熔 2 3 高速摄像引言 图2 - 7 螺柱焊的几种焊接位置 f i g 2 - 7w e l d i n gp o s i t i o n sf o rs t u dw e l d i n g 测试和分析是焊接生产和研究中最基本的工作 3 9 1 。由于焊接过程具有参数多、 变化速度快和影响因素多等特点，因而如何准确全面地测试、分析焊接参数是研究 和控制焊接过程、确保焊接质量、提高焊接生产科学管理水平的极其重要的研究课 题。高速摄像、数据采集和处理系统的出现为这一研究提供了重要的手段。高速摄 像能快速高效地记录焊接电弧形态瞬时变化过程，目前已经逐步替代高速摄影，成 为研究者的新宠。 电弧电流和电压信号从物理量方面反映着电弧中发生的物理变化过程，采集和 分析这些数据有利于焊接电弧过程的分析。如果把高速摄像的图像信息与电弧电参 数的信息融合在一起，就能多方位地展示电弧中的物理过程。 另外，目前在国内对于螺柱焊技术的研究还不是很深入，尤其在螺柱焊机理的 研究以及电弧螺柱焊的电弧变化规律等方面至今仍没有系统的书籍和文献发表，所 以对电弧螺柱焊进行高速摄像，可以帮助我们更好的分析螺柱焊接过程、电弧变化 规律以及电参数对于电弧形态的影响。 第3 章电弧螺柱焊硬件系统设计及调试 2 4 高速摄像原理 熔滴通常处于焊接电弧的包围之中，被强烈的电弧弧光所掩盖【4 0 1 。为了显示焊 接熔滴的产生及其运动过程，用通常的人像或景物摄录像方式难以摄取到熔滴图像， 为此，就要设法削弱电弧弧光及采用背景光源的照明形式，以造成焊丝端部和熔滴 的阴影像效果，然后摄取该阴影像及其运动过程。在熔滴过渡过程的高速摄像中， 为了能够清晰地摄取熔滴过渡过程的阴影图像，首先背光与弧光的亮度应该有一个 合适的比例，否则仅靠调整曝光参数或采取滤光等其它措施，熔滴阴影像则难以显 现出来或显示不清。在焊接熔滴过渡的高速摄像观察中，一般选用激光和碘钨灯等 高亮光源作为背景光源。 在本课题中，焊接过程不会出现熔滴过渡的情况，电弧在螺柱端部产生，熔化 螺柱端部和板材，当螺柱下压时，将两者焊接在一起。通过高速摄像可以清晰地看 清电弧的产生、运动和发展的规律和特点。 图2 8 显示了高速摄像的示意图。 在背景光源的照射下，通过摄像机镜头捕捉螺柱外形，调整摄像机的焦距使螺 柱在监视器上达到最佳的清晰度。电流传感器选用闭环霍尔电流传感器，将焊机地 线从其中心穿过，以检测焊接电流。 图2 - 8 高速摄像示意图 f i g 2 8d i a g r a mo f h i g h - s p e e dc a m e r a 2 5 短周期螺柱焊的高速摄像 在电弧螺柱焊的几种焊接方式中，考虑到保护形式，最佳的焊接方法是短周期 螺柱焊。 北京工业大学工学硕士学位论文 为了得到好的高速摄像效果，短周期螺柱焊选用m 6 螺柱，焊接时间6 0 m s ，焊 接电流1 0 0 0 a ，摄像机选择5 0 0 0 幅秒，电流传感器的测量电阻为2 4q 。高速摄像 机采用的是美国m o t i o na n 舭s i ss y s t e m sd i s i o np h o t r o nl t