（机械设计及理论专业论文）新型低能量输入电弧焊接系统及其过程控制研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着汽车工业的发展需要，汽车所用板材越来越薄，薄板的焊接需 要降低能量输入。根据汽车薄板的焊接工艺要求，提出了新型低能量输入焊接法， 即n l e i 焊接法。其基本思路为：首先设定焊丝的运动曲线，使其周期性的做前 进一回抽的往复运动，焊接过程不需在线调整，然后使焊接电源配合焊丝的运动 输出相应的电流、电压波形，实现稳定的推拉丝短路过渡，达到降低焊接过程能 量输入的目的。 根据这一思路，设计了基于推拉丝短路过渡的低能量输入电弧焊接系统，简 称n l e i 焊接系统。该系统由焊接电源和送丝系统两部分组成，并由软件实现焊 接过程的控制。焊接电源的控制核心采用数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，充分 利用d s p 运算速度快、精度高、数据处理能力强、i o 口资源丰富等优势，用软 件编程实现复杂焊接过程的控制，减少了复杂的硬件控制电路，使焊接设备向柔 性化控制方向发展；送丝系统由交流伺服电机及其控制系统组成，可以根据实际 需要灵活的编制焊丝前进一回抽运动曲线；通过送丝机接口电路实现了焊接电源 和送丝系统的连接，保证了焊接过程中二者的通讯与协调。 针对n l e i 焊接法推拉丝短路过渡的特点，设计了专门的波形控制方案，包 括送丝控制和电流波形控制两方面。预先离线设定焊丝运动曲线，在实际焊接过 程中通过电流波形与焊丝运动进行配合完成焊接。试验证明，二者配合良好，焊 接过程稳定可靠。 设计了专门的弧长调节模糊控制方案，以平均电压的变化及其变化率为输 入，以燃弧脉冲峰值电流的校正量为输出，通过调整焊丝的熔化来对弧长的变化 进行调节。通过试验表明，所设计的弧长调节模糊控制方案，能根据弧长的变化 进行自动调整，使弧长保持在一个稳定的范围内，具有较强的适应能力，保证了 焊接过程的稳定。 分析了n l e i 焊接法推拉丝短路过渡过程，对比了传统短路过渡和推拉丝短 路过渡的熔滴受力情况。与传统短路过渡依靠较大短路电流产生电磁收缩力使液 体金属形成颈缩和短路小桥过热爆断相比，n l e i 法熔滴过渡是在较小短路电流 下主要依靠焊丝回抽拉断熔滴，从而大大降低了焊接过程能量输入。 分析了燃弧脉冲峰值电流i a o 和短路后期电流i h 的参数匹配对于实现焊接参 数和焊丝运动协调控制的影响。通过试验得到了k 和i h 的参数匹配区间，在这 一区间内，可以实现焊接参数和焊丝运动的协调工作，获得稳定的焊接过程。 通过对焊接过程熔池能量输入的计算与检测，找到了n l e i 焊接法推拉丝短 北京工业大学工学博士学位论文 路过渡的能量分配规律：由于电阻热的影响，短路后期能量q 对于熔化焊丝有 重要作用，是熔化焊丝能量的重要组成部分，而对于加热熔池的贡献很小；由于 电弧热的影响，燃弧脉冲峰值能量q 。是加热熔池的最主要能量来源，对于熔化 焊丝形成熔滴也起着重要的作用。 根据该规律可知：n l e i 焊接法推拉丝短路过渡除了通过短路后回抽焊丝拉 断熔滴，从而靠外加能量完成熔滴过渡降低能量输入外；还可以通过选择不同的 参数匹配方式，采用较低燃弧脉冲峰值电流i l d 、较大的短路后期电流k 来实现 进一步降低焊接过程能量输入的目的。 采用n l e i 焊接法，对薄板钢铝异种金属焊接进行了探索性研究，通过分析 接头的界面组织，测试接头的力学性能，发现采用n l e i 法可以得到性能良好的 薄板钢铝异种金属焊接接头。 探讨了焊接工艺参数及合金元素锌对于钢铝异种金属接头性能的影响：焊枪 位置对于焊接钢铝异种金属搭接焊缝非常重要，稍有偏差就会造成焊接失败，焊 枪位置以选在正对焊缝中闻处为最佳；焊接速度越快，温度梯度越大，线能量越 低，金属间化合物层厚度越小，但是焊接速度过快时会影响焊缝金属的润湿，造 成焊接失败，当送丝速度为2 1 6 m m i n 时，焊接速度选在0 4 m m i n , - - 0 5 m m i n 为 宜；锌很好的起到了促进焊缝金属在钢板上润湿铺展的作用，在一定范围内锌层 越厚对铝和钢的焊接越有利。 关键词：低能量输入；推拉丝短路过渡；能量分配；异种金属焊接：镀锌钢板和 铝合金 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h es h e e tm a t e r i a lu s e di n a u t o m o b i l ei st h i n n e r ，s ot h ew e l d i n go ft h i np l a t en e e dr e d u c i n gh e a ti n p u t a c c o r d i n gt ot h ew e l d i n gp r o c e s sr e q u i r e db yt h i np l a t eu s e di na u t o m o b i l e ，an b * j w l o we n e r g yi n p u tw e l d i n g , n a m e dn l e lw e l d i n gw a sp u tf o r w a r d t h ef o l l o w i n ga r e t h ep r i n c i p l e s f i r s t , t h em o v i n gc t r v eo ft h ew e l d i n gw i r ei sp r e s e tt om a k et h ew i r e m o v e df o r w a r da n db a c kp e r i o d i c a l y t h ep r o c e s so fw e l d i n gd o n tn e e do n - l i n e a d j u s t m e n t , a n dt h ep o w e rs u p p l yi sm a d et op r o v i d eh o m o l o g o u sw a v e f o r m so ft h e c u r r e n ta n dv o l t a g ec o r r e s p o n dw i t ht h em o v e m e n to ft h ew e l d i n gw i r e n l e l w e l d i n gc a ni m p l e m e n ts t e a d yp u s h - p u l ls h o r t - c i r c u i tl x 嘧u s f e ra n d m e e tt h ed e m a n do f r e d u c i n gw e l d i n ge n e r g yi n p u t a c c o r d i n gt on l e lw e l d i n g ，a u t h o rh a sd e s i g n e dan l e ia r cw e l d i n gs y s t e m b a s e do np u s h - p u l ls h o r t - c i r c u i tt r a n s f e r t h es y s t e mc o n s i s t so faw e l d i n gp o w e r s u p p l ya n daw i r ef e e d i n gs y s t e m , a n di m p l e m e n t st h ec o n t r o lo f t h ew e l d i n gp r o c e s s b ys o , w a r e t h ec o n t r o lc e n t e ro ft h ew e l d i n gp r o c e s si sb a s e do nd i g i t a ls i g i l a l s p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 w h i c hi sah i g hs p e e da n dp r e c i s i o nd s p w i t l la b u n d a n c e o ff op o r t s h a r d w a r ec i r c u i ti ss i m p l i f i e db yu s i n gs o f t w a r et oc o n t r o lc o m p l i c a t e d w e l d i n gp r o c e s s w i r ef e e d i n gs y s t e mi sb a s e do na cs a v o a c t u a t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e m ，t h ep u s h - p u l lm o v i n gc l ：l r v eo f t h ew i r ec a nb ep r o g r a m m e ds m a r t l ya c c o r d i n g t ot h ea c t u a ln e e d s t h ec o n n e c t i n go f w e l d i n gp o w e rs u p p l ya n dw i r ef e e d i n gs y s t e m b yi n t e r f a c ec i r c u i te - n ! i u r e s t h ec o m m u n i c a t i o na n dc o o r d i n a t i o ni nt h ew e l d i n g p r o c e s s t h ew a v e f o r mc o n t r o lp r o j e c ti sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o lo fw i r ef e e d i n g a n dc u r r e n tw a v e f o r m b yc o r r e s p o n d i n gw i t hc u r r e n tw a v e f o r ma n dt h ew i r e m o v e m e n ti nt h ea c t u a lw e l d i n gp r o c e s s ，t h ew e l di sa c h i e v e d t h ee x p e r i m e n tp r o v e s t h a t ，t h ec o o p e r a t i o ni sg o o da n dt h ew e l d i n gp r o c e s si ss t a b l ea n d r e l i a b l e a f u z z yc o n t r o lp r o j e c tu s e dt oa d j u s tt h ea r c1 e n g 凼i ss p e c i a l l yd e s i g n e dt a k i n g t h ec h a n g ea n dt h ec h a n g er a t eo ft h ea v e r a g ev o l t a g ea st h ei n p u t , a n dt h ec o r r e c t i o n v a l u eo ft h ep u l s ee u r e n td u r i n ga r cp e r i o da st h eo u t p u t i nw e l d i n gp r o c e s s ，t h ea r c l e n g t hi ss t a b l ew i t ht h eh e l po f t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m n l e ip u s h a n d p u l ls h o r t c i r c u i tt r a n s f e rp r o c e s si sa n a l y z e d i nt r a d i t i o n a l s h o r t - c i r c u i tt r a n s f e rp r o c e s s ，t h ed r o p sa r et r a n s f e r r e db yd e e t r o m a g n e t i s mf o r c e 北京工业大学工学博士学位论文 u n d e rt h eb i gs h o r t - c i r c u i tc u r r e n t c o m p a r e dw i t ht h a t n l e ip u s h - p u l ls h o r t - c i r c u i t n a m f e rc a nr e d u c ee n e r g yi n p u t , b e c a u s ei td e p e n d so np u l lo ft h ew e l d i n gw i r et o s n a pt h ed r o pu n d e rt h es m a l ls h o r t - c i r c u i tc u r r e n t 1 h ep a r a m e t e rm a t c h i n go fa r c i n gp u l s ep e a kc u r r e n t ( i 印) a n dt h ee v e n i n g s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ( 1 h ) i sv e r yi m p o r t a n t n er a n g eo fp a r a m e t e rm a t c h i n gi sg a i n e d b ye x p e r i m e n t s i nt h i sr a n g e , t h ec o o r d i n a t ec o n t r o lo fw e l d i n gp a r a m e t e ra n d w e l d i n gw i r em o v e m e n tc a nc o m e t r u ea n dt h es t e a d yw e l d i n gp r o c e s sc a nb eg a i n e d 叻ee n e r g yd i s t r i b u t er e g u l a r i t yi nn l e lw e l d i n gp u s h - p u us h o r t - c i r c u i tt r a n s f e r i sd i s c o v e r e db yc a l c u l a t i n ga n dm e a s u r i n gt h ee n e r g yi n p u ti nt h ew e l d i n gp 0 0 1 1 1 砖 e v e n i n gs h o r t - c i r c u l te n e r g yw h i c hi st h ei m p o r t a n ti n g r e d i e n to f m e l t e dw e l d i n gw i r e e n e r g yh a si m p o r t a n te f f e c ti nm e l t e dw e l d i n g w i r e b u ti th a sl i t t l ee f f e c to nh e a t i n g w e l d i n gp 0 0 1 b e c a u s eo ft h ea r c i n gh e a t , a r c i n gp u l s ep e a ke n e r g yi st h em a i n l y e n e r g ys o u r c ei nh e a t i n gw e l d i n gp o o l ，a n di th a si m p o r t a n te f f e c to nh e a t i n gw e l d i n g w i r et o o a c c o r d i n g t ot h em l e s ，n e l lw e l d i n gh a st w ow a y st or e d u c et h ee n e r g yi n p u ti n w e l d i n gp r o c e s s 耽ef i r s ti st h ep u l l i n go f t h ew e l d i n g w i r et os n a pt h ed r o pu n d e rt h e s m a l ls h o r t c i r c u i tc u r r e n t 弧es e c o n di su s i n gl o w e ri a pa n dh i g h e rk a i mt o a p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o ya n dg a l v a n i z e ds t e e lf o ra u t o m o b i l e i n d u s t r y ，t h ed i s s i m i l a rj o i n tb e t w e e ng a l v a n i z e ds t e e ls h e e ta n da l u m i n u ma l l o y d u r i n gn l e lw e l d i n gh a sb e e na n a l y z e d i ti sp r o v e dt h a td i s s i m i l a rm e t a lo v e r l a p j o i n t 谢t hg o o dp r o p e r t yc a n b eg a i n e db yu s i n gn l e lw e l d i n g b ym e a l l so fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n a l y s i so f t h ed i s s i m i l a r j o i n t s ，t h ep a r a m e t e r so f n l e lw e l d i n gp r o c e s sw e r eo p t i m i z e d w h e nw e l d i n gs p e e d i si n c r e a s e d 。t h ei n t e r m e t a l l i cl a y e rb e t w e e nt h ew e l dm e t a la n dg a l v a n i z e ds t e e li s d e c r e a s e d w h e nh e a ti n p u ti si n e r e a s e d , t h et h i c k n e s so fi n t e r f a c el a y e ri n c r e a s e s w h e nw i r ef e e d i n gs p e e d2 1 6 m r a i n , w e l d i n gs p e e do 4 - 0 5 r a m i n , w e l d i n gt o r c hi n t h em i d d l e ，c o n t i n u o u s ，u n i f o r ma n db e s ts h a p e j o i n tw a sf o r m e d b yt h ea n a l y s i so ft h e 、e f f e c to fd i f f e r e n tt h i c k n e s sz i n cl a y e ro nt h ej o i n t , z i n c e l e m e n te f f e c t i v e l yp r o m o t e sm o l t e na l u m i n u mw e t t i n gt h es t e e ls h e e t , w h i c hi sg o o d t od i s s i m i l a rj o i n t sb e t w e e na l u m i n u ma l l o ya n dg a l v a n i z e ds t e e lw h e nt h ez i n cl a y e r i st h i c ke n o u g h k e y w o r d s ：l o we n e r g yi n p u t ；p u s h - p u l ls h o r t - c i r c u i t ；e a e r g yd i s t r i b u t e ；d i s s i m i l a r m e t a lw e l d i n g ；g a l v a n i z e ds t e e ls h e e ta n da l u m i n u ma l l o y - i v 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。 关于论文使用授权的说明 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：墨盥导师签名：锺幺监日期：兰纽 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所 有的产品，从几十万吨的巨轮到不足1 克的微电子元件，在生产中都不同程度的 依赖焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可 靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度“j 。 近年来，伴随着经济一体化和技术全球化的出现，制造业的竞争越演越烈。 焊接技术，作为一种重要的加工手段，已经成为诸如汽车、集装箱、造船等许多 领域中企业提高核心竞争力的最重要因素，特别是其作为组装工艺之一，通常被 安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用 2 - 5 j 。正因 如此，在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。在工业化最发达的美国， 焊接被视为“美国制造业的命脉，是美国未来竞争力的关键所在” 3 j o 汽车工业经过一百多年的发展，已经成为全球性的支柱产业，汽车也成为人 们生产、生活中不可或缺的要素之一。汽车重量的6 5 以上是采用钢材、铝合 金、铸铁等材料并通过铸造、锻压、焊接等加工方法完成的。其中，焊接加工是 汽车车体与零部件制造链中的一个关键环节，与冲压、涂装和整车装配等构成了 汽车制造的四大主要生产部i - - j t 6 j 。 汽车工业是用高新技术牵动国民经济整体水平的典型产业。基础工业的水平 与汽车制造技术具有密切的联系。同时，汽车产品的车型众多、成形结构复杂、 零部件生产专业化、标准化以及汽车制造在质量、效率、成本等方面的综合要求， 都决定了汽车制造中的焊接加工是一个多学科、跨领域、技术集成性强的生产过 程。因此，汽车制造业的需求对焊接科学技术的巨大牵动以及焊接科学技术对汽 车这一支柱产业的重要支撑作用构成了基础制造技术与相关产业之间依存与互 动的发展史和不断进步的动力 6 1 。 1 2 薄板气体保护焊在汽车工业中的应用 汽车的发动机、变速箱、车桥、车架，车身、车厢等六大组成部分都离不开 焊接技术的应用。各种焊接方法“覆盖”了从白车身、车架、底盘到悬挂系统、 制动系统、转向器、离合器、变速器直至车轮轮圈等部件的成形加工。薄板结构 由于重量轻、工艺性能好、连接方便等特点，因而广泛应用于各种类型汽车的制 造当中。薄板焊接是汽车制造链中一项重要的加工环节，相应的焊接方法，如电 北京工业大学工学博士学位论文 阻焊、气体保护焊、螺柱焊、钎焊、摩擦焊、高能束焊等都得到应用【7 1 。图1 1 是对于汽车主要部件焊接加工方法应用的简要描述。 图1 - 1 汽车主要部件焊接加工方法示意图 f i g 1 1t h ew e l d i n gm e t h o ds c h e m a t i cd i a g r a mo f a u t o m o b i l ep a r t s 由于气体保护焊具有生产量大、自动化程度高、高速、低耗、焊接变形小、 易操作的特点，所以对汽车车身薄板覆盖零部件诸如消声器、净化器、车门、拼 板和桥壳等特别适合，在汽车生产中有很多应用【8 1 。图1 2 为适用于气保焊的代 表性汽车部件。 图i - 2 适用于气保焊的代表性汽车部件 f 培1 - 2t h ea u t o m o b i l ep a r t sw h i c ha d a p tt ob ew e l d e db yg m a w 随着科技的进步，汽车所用的板材种类和厚度发生了极大的变化，要求在焊 接过程中降低能量输入，所用的气保焊方法随之也得到了发展、变化，下面介绍 一些用于汽车薄板焊接的低能量输入电弧焊法。 第1 荤绪论 1 2 1t i g 焊 t i g 焊采用惰性气体进行保护，对于一般易氧化、氮化的活泼金属、高熔点 的黑色金属都能迸行焊接，应用面很广。其焊接电流在1 0 - 5 0 0 a 的范围内，电 弧都很稳定，电弧电压仅有8 1 5 v 。填充金属是通过电弧间接加热，因而对热输 入量的调节很容易，可以进行薄板全位置焊以及精密焊接等。也是进行单面焊双 面成型的理想方法，所以在多层焊时往往用来作为打底焊。由于填充焊丝不通过 焊接电流，不存在熔滴过渡问题，焊接过程没有飞溅，焊缝成型美观【9 】。 t i g 焊电弧稳定，可以用来焊接薄壁结构零件，对于焊接铝等有色金属比较 理想。近年来又陆续发展出了脉冲t i g 焊、交流t i g 焊等，更适于焊接薄板铝 合金，适合用于汽车制造。但由于焊接速度慢、生产效率低，对其大量应用产生 了极大的限制。 1 2 2c 0 2 短路过渡焊接 早期的汽车材料以“钢结构”为主，主要采用传统的c 0 2 短路过渡焊接方 法。短路过渡过程为短路燃弧状态交替变换( 图l 一3 ) ，燃弧阶段电弧热直接加 热焊丝与母材，而短路阶段只在焊丝伸出部分( 干伸长) 因导电而产生电阻热。 可见，在短路过渡焊时，对母材及焊丝的加热过程都有周期性的特点。这就保证 了薄板材料在燃弧电流时加热熔化，而在短路时熔池凝固，得到较小的熔深，有 利于薄板焊接【9 1 。 图1 3 短路过渡过程与电压、电流关系 f i g 1 - 3t h e r e l a t i o no f c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m sa n ds h o r t - c i r c u i tt r a n s f e r 但是，c 0 2 焊应用中主要存在着两个主要的缺点：飞溅大和焊缝成形不好。 为了解决这些问题，国内外专家学者采用对c 0 2 焊接设备输出的电流和电压波 形进行控制，即波形控制方澍1 0 - 1 2 。实践证明波形控制是非常有效的，但也由于 北京工业大学工学博士学位论文 焊接设备的限制，存在这样或那样的不足。随着电力电子技术的发展，i g b t 和 m o s f e t 应用于逆变式弧焊电源，实现了2 0 k h z 及其以上的响应频率，为精确 控制熔滴过渡过程的电流、电压波形奠定了硬件基础。同时由于计算机技术的发 展，微机和数字信号处理器与焊接工艺过程控制的结合，先进控制思想的引入， 使c 0 2 焊波形控制效果发生了质的飞跃。从此c 0 2 焊波形控制完成了从粗放型 控制向精确型控制的转变，焊接效果得到突破性的改善。 目前短路过渡c 0 2 焊被广泛应用于低碳钢、低合金钢的薄板焊接，具有高 效、节能、低氢、低成本、变形小以及可以进行全位置焊接等优点，易于实现自 动化，是汽车工业中主要的气保焊方法之一。但是，该方法不适合用来焊接铝及 铝合金。 1 2 3 脉冲m i g 焊 连续直流m i g 焊射滴过渡的焊丝熔化系数高、熔滴温度低、焊接烟尘少和 基本上无飞溅等优点十分诱人。可是这时熔滴过渡的电流区间会太窄，所以熔滴 过渡形式难以可靠使用。因此许多学者都在寻找替代方案。 另外，m i g 焊可用的熔滴过渡形式有短路过渡和射流过渡。短路过渡因其 易产生未焊透和飞溅大，不能可靠的应用在重要之处，而射流过渡临界电流较大， 如m 1 2 m m 钢焊丝的临界电流为2 3 0 a 左右。这么大的电流不适合用于焊接薄板 和全位置焊。所以也需要一种更理想的焊接方法。 研究发现脉冲m i g 焊是一种十分合适的焊接方法，具有很多优点：熔滴直 径大致等于焊丝直径，焊丝的熔化效率高；焊接烟雾少，降低了合金元素的烧损， 改善了施工环境；焊接飞溅小；弧长短，电弧指向性好，适合于全位置焊接；扩 大了m i g m a g 焊射滴过渡的使用电流范围。从射流过渡临界电流往下一直到几 十安均能实现稳定的射滴过渡，适合于薄板焊接【l ”。 脉冲m 1 g 焊既可以焊接钢，又可以焊接铝、镁等有色金属。特别是在汽车 铝合金焊接中有广泛应用。铝合金脉冲m 1 g 焊在不同的应用环境，表现出许多 不足之处，近年来，针对这些缺点，又陆续推出了一些新的方法 1 2 3 1 双脉冲m i g 焊一般脉冲m i g 焊接中，脉冲频率范围在5 0 - - - 3 0 0 h z 之间，以一个脉冲过渡一个熔滴的原则，控制焊丝熔化。对于铝合金而言，一个 脉冲一个熔滴的脉冲参数范围较宽，这个特点使0 5 3 0 h z 范围的低频率调制型 脉冲焊法( 双脉冲) 成为可能。该方法采用强弱两种电流脉冲交替出现的形式， 图1 4 为双脉冲焊接的典型电流、电压波形。 i 船- 嬲黜 一f i a v s 工 上l ， t l u 0 g a y s u 赢 t s r 1， t t 图1 - 4 双脉冲焊接的典型电流、电压波形 f i g 1 - 4 t h e t y p i c a lc u r r e n t a n dv o l t a g e w a v e f o r m s o f d o u b l e p u l s e g m a w 双脉冲m i g 焊有很多优点；通过焊接速度调整低频调制频率，在得到漂亮 鱼鳞状焊缝外观的同时，能保证较高的焊接生产率；熔池在强弱脉冲电流作用下， 发生规律性的振动，于是改善了焊缝结晶状态、减小了气孔、降低了裂纹的敏感 性。需要特别强调的是，与一般的脉冲m i g 焊接相比，双脉冲焊接法在强脉冲 群期间的强大电弧可以使接头两边都熔化而防止熔化不良，弱脉冲期间的弱小电 弧使熔池温度相对降低而防止焊穿，在焊接过程中通过强弱脉冲变换降低了能量 输入【怍1 6 1 。图1 - 5 为双脉冲焊在奥迪a 8 中的应用。 图1 - 5 双脉冲焊在奥迪a 8 中的应用 f i g 1 - 5 t h e d o u b l e p u l s e g m a w f o r a u d i a 8 1 2 3 2 变极性脉冲m i g 焊( v p p m i g ) 直流脉冲m i g 焊在实际焊接中一般 采用焊丝接正的方法( d c e pp m i g ) 焊接。d c e pp m i g 焊的熔深较大，可以减 少焊缝熔合不良，电弧的稳定性好，但在焊接薄板时( 特别是2 m m 以下) ，会 引起工件烧穿。焊丝接负时的直流m i g 焊称为d c e nm i g 焊，其特点是电弧 能量更多地用于焊丝的加热，因此，焊缝的熔深较浅、焊丝的熔化速度较 快。但这种方法的主要问题是电弧的稳定性差，焊缝成形不好，容易出现 焊缝熔合不良、凸焊道等焊接缺陷，另外d c e n m i g 在焊接时对工件没有 北京工业大学工学博士学位论文 阴极雾化作用，不适合于焊接铝合金材料。d c e pp m i g 焊与d c e nm i g 焊 的焊接现象如图i - 6 所示【”l 。 d c e pp m i g d c e n m i g 焊接过渡状态 厶a 大滴过渡 溶池状态 寸盈 焊接熔化速度 和d c e pm i g 基本相同 d c e pm i g 的i 5 倍 阴极雾化有 无 焊接薄板时的问题下塌、咬边、烧穿 熔合不良、凸焊道 焊接薄板的方法v p p m i g = d c e pp m i g 4 - d c e nm i g 图i 一6d c e pp m i g 焊与d c e nm i g 焊的焊接现象 f i g 1 - 6t h ew e l d i n gp h e n o m e n o no f d c e pp m i ( 3 a n dd c e nm i g v p p m i g 焊是2 0 世纪9 0 年代出现的一种新的焊接方法，可以看作是d c e p p m i g 焊与d c e nm i g 焊组合而成，因而v p p m i g 也具有二者的一些特点。在 焊丝为正时采用d c e pp m i g ，在焊丝为负时采用d c e nm i g ，组成交流p m i g 焊。v p p m i g 焊的焊缝熔深比d c e pp m i g 焊的焊缝熔深浅，而焊丝熔化系数比 d c e pp m i g 焊的焊丝熔化系数大。通过控制e n 比率( d c e n 与d c e p 的时间 比率) ，可以有效的控制电弧的能量输入，这种焊接工艺特性正好符合铝合金薄 板的焊接要求，是一种解决铝合金薄板焊接问题比较理想的气保焊方法，尤其在 薄板搭接时对装配间隙值具有很强适应能力。 但是，由于焊接设备、工艺参数匹配都很复杂，目前世界上仅有日本o t c 公司及北京工业大学掌握此项技术 1 8 - 2 4 】。最近的研究表明，当e n 比率为5 0 或 以上时，焊接过程不稳定，焊缝质量变差，不适于焊接i m m 及其以下厚度的板 材。这说明v p p m i g 焊通过极性变换来调节能量是有一定范围的 2 4 j 。 1 2 4 电弧钎焊 随着现代化工业的发展，应用抗腐蚀镀层板材的领域越来越广。在众多的钢 第1 章绪论 铁防腐方法中，镀锌是一种非常有效且便宜的方法。 锌的熔点约为4 2 0 ( 3 ，挥发温度为9 0 8 ，这不利于焊接，当电弧刚一接触 到镀锌板，镀锌层就会挥发。锌的挥发和氧化会导致气孔、未熔合及裂纹，降低 抗腐蚀性能，甚至影响电弧稳定性 2 5 】。因此，焊接镀锌板材最好是减少能量输入 量。目前常用的方法是采用电弧钎焊，即使用钎焊材料( 目前最常用的为铜基焊 丝，如c u s i 3 ) 来焊接镀锌板 2 6 - 3 ” 采用低熔点的铜基焊丝c u s i 3 代替碳钢焊丝，焊接时能量输入低，母材不会 熔化；同时锌的蒸发降致最低，提高了焊缝的抗腐蚀性能，另外铜基焊缝本身也 耐腐蚀，飞溅很少，焊缝易机械加工。这些优点都确保了能够对镀锌板进行更好、 更有效的焊接。表1 1 为材料的熔点及沸点。 表1 - 1 焊接材料的熔点及沸点 t a b l e 1 - 1t h em e l t i n gp o i n ta n db o i l i n gp o i n to f w e l d i n gm a t e r i a l 材料 熔点沸点 锌( z n ) 4 2 0 9 0 8 钢( s o 1 5 8 3 2 7 5 0 c u s i 3 9 5 0 由于钎焊丝中铜的含量高，熔点相对降低，在焊接过程中可以采用相对较低 的能量输入，使得焊丝熔化，母材不熔化，这样的接头实际上是钎焊接头。为了 降低能量输入，焊接时常采用短路过渡或者脉冲焊一脉一滴的熔滴过渡形式。 镀锌钢板电弧钎焊同普通电弧熔焊相比，所需电弧能量较低，对薄板和薄壁 容器进行钎焊时交形量很小，焊接热影响区小，焊缝美观，在生产中得到广泛应 用。图1 7 为实际焊缝外观图。图1 8 为电弧钎焊( 图a ) 与电弧熔焊( 图b ) 所 得焊缝对比，图a 的焊缝美观，背面镀锌层烧损较少。 图1 7 电弧钎焊在奥迪a 1 广r 中的应用 f i g 1 - 7t h em i g b r a z i n gf o r a u d ia 订 北京工业大学工学博士学位论文 图1 - 8 电弧钎焊与电弧熔焊所得焊缝对比 f i g 1 8t h ew e l da p p e a r a n c eo f m i gb r a z i n ga n dm i gw e l d i n g 1 3 薄板钢铝异种金属焊接 随着时代的发展，人们对汽车提出了更高的要求，不仅要求安全可靠、乘坐 舒适，而且要求绿色环保、节约能源。铝合金板、高强钢板和复合材料等在汽车 工业中大量使用，新的克莱斯勒s 系列车就是由钢、铝、镁和复合材料构成，如 图1 - 9 所示【3 2 1 。 图1 9 多种材料设计的克莱斯勒s 系列车 f i g 1 - 9 t h e k r e i s l e r sc a r w h i c h f a b r i c a t e d b y m a n y k i n d so f m a t e r i a , i 在汽车工业中，采用“钢+ 铝”双金属连接结构的产品越来越多。由于铝及 铝合金的密度小、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性。将钢与铝 第1 章绪论 及铝合金连接成为异种金属结构，可以充分利用材料的固有性能、节省材料、减 轻重量，具有独特的优势和良好的经济效益。如何将薄板钢铝异种金属连接在一 起成为性能可靠的接头，是汽车工业中面临的一个问题 3 3 - 3 5 】。 1 3 1 钢铝焊接性 在目前的工业应用中，钢和铝的连接主要是采用铆接、螺栓连接等机械连接 方法，这种接头重量大，接头形状受限，主要应用于搭接接头。焊接主要采用固 相焊的方法，例如摩擦焊、扩散焊或爆炸焊等，这些方法主要应用于厚板的连接， 在汽车使用的薄板中，难以应用，另外它们还有一个共同的缺点，就是难以自由 选择接头形式，因而实际应用范围较窄【3 6 都】。 采用电弧焊等热连接的方法连接钢与铝及铝合金，成本低、接头形式灵活， 但有几点困难：钢( 1 5 8 3 ) 和铝( 6 6 0 ) 的熔点相差悬殊；钢和铝的线膨胀系数、 导热性和热容量相差太大，促使了热应力的产生：铝的表面存在难熔氧化膜，会 在焊缝中形成夹渣；焊接钢与铝及铝合金时，常常在过渡区形成金属间化合物f 删。 从铁铝相图可知( 图l 一1 0 ) ，钢与铝的焊接，具有以下特点 4 5 1 ： p 三 a g 昌 t 耐叠h t ) e r e e n a l u m i n u m 图l - 1 0 铁铝相圈 f i g 1 - 1 0f e - a ip h a s ed i a g r a m ( 1 ) 铁与铝既能形成固溶体、金属间化合物，又能形成共晶体。 ( 2 ) 铁在固态铝中的溶解度极小，室温下铁几乎不溶于铝。 ( 3 ) 在焊缝中含微量铁的铝，冷却过程中会出现金属间化合物f e a l 3 的晶粒， 在6 5 5 能形成a i + f e a l 3 的共晶体。 北京工业大学工学博士学位论文 ( 4 ) 随着铝中含铁量的增加，还会出现化合物f e 2 a l v 、f e = 2 a 1 5 等，其中只有 f e 2 a 1 5 在一定温度下能熔化，不熔化的化合物给焊接带来很大困难。 ( 5 ) 由于铁与铝或铝合金处于化合物状态，使焊缝的强度和硬度提高，塑性 下降，导致结合区呈脆性，并且具有结晶长大及破坏接头的倾向。表1 2 为铁铝 金属间化合物的物理性能 表1 - 2 铁铝金属闯化合物物理性能 t a b l e 1 2t h ep h y s i c a lp e r f o r m a n c eo f f e - a 1i n t e r m e t a _ l l i c s a l 原子显微硬度 密度p 二元接头 结构 百分含量 ( h v ) ( g c m 3 ) f e _ a , l 2 5 有序的体心立方 2 5 0 q 5 06 6 7 f e a 】 5 0 有序的体心立方 4 0 0 - , 5 2 05 3 7 f e z a i ，6 3复杂的体心立方 6 5 0 - 6 8 0 未知 f c a 2 6 6 6 7 复杂的斜方结构 1 0 0 0 1 0 5 0 4 3 6 f e 2 a l s 6 9 7 7 3 2 正斜体心立方结构 1 0 0 0 - 1l 4 1 l 复杂的单斜 f e a l 3 弘- 一6 8 2 旧8 0 3 9 5 体心立方结构 制作钢与铝及铝合金焊接接头的主要障碍是这两种金属的相互化学作用，这 种相互作用会导致在过渡界面区上形成不可逆的金属间化合物。接头以后的行为 完全取决于金属间化合物层的数量、分布性质和性能【幅档】。许多强度试验数据的 分析，以及强度与过渡区金相组织的关系都说明，钢与铝接头的金属阃化合物层 厚度越小，强度越高。钢铝接头中金属间化合物层的厚度不超过1 0 p e n 时，