（材料加工工程专业论文）27simn液压油缸环缝窄间隙脉冲埋弧焊工艺研究.pdf

摘要 针对目前2 7 s i m n 液压油缸的焊接质量和生产效率有待提高的现状，参考国 内外埋弧焊的应用情况和发展趋势，本文提出采用一种新的焊接工艺窄间隙脉 冲埋弧焊来实现对2 7 s i m n 液压油缸的焊接。其中，脉冲电流的输出是通过采用 本课题组研制开发的脉冲控制器控制直流弧焊电源来实现的。 采用普通埋弧焊、窄间隙埋弧焊以及窄间隙脉冲埋弧焊三种焊接方法对 2 7 s i m n 钢进行焊接试验。通过对比焊接用时讨论窄间隙脉冲埋弧焊对焊接效率 的影响。窄间隙脉冲埋弧焊与普通埋弧焊相比，焊接单位试件所用时间减少 1 8 m i n ，焊接效率提高了3 6 。说明了窄间隙脉冲埋弧焊确实能大幅度提高焊接 效率。采用光学显微镜分别对三种焊接方法的焊接接头进行显微组织观察，分析 焊缝及热影响区的显微组织结构特点并结合拉伸试验、冲击试验和弯曲试验综合 分析了焊接接头的力学性能。窄间隙脉冲埋弧焊与普通埋弧焊相比，抗拉强度有 大幅的提高。窄间隙埋弧焊和窄间隙脉冲埋弧焊接头的“比较塑性”要强于普通 埋弧焊。普通埋弧焊焊缝区冲击吸收功大于窄间隙埋弧焊和窄间隙脉冲埋弧焊的 冲击吸收功。普通埋弧焊热影响区的冲击功只有5 4 j ，窄间隙脉冲埋弧焊热影响 区与普通埋弧焊热影响区相比，冲击吸收功提高了高达2 2 2 。发现与普通埋弧 焊和窄间隙埋弧焊相比，窄间隙脉冲埋弧焊具有最高的焊接效率，其焊接接头具 有最优的综合力学性能。 本文还研究了窄间隙脉冲埋弧焊的脱渣问题。分别从焊剂的选择、坡口的设 计及焊道排列形式、焊接工艺参数等方面进行讨论。结合现有理论及焊接试验优 化以上各个参数来提高焊缝的脱渣性能。 关键词：脉冲；窄间隙埋弧焊；焊接：力学性能；显微组织 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o p o s e dan e ww e l d i n gp r o c e s s ，n a r r o wg a pp u l s es u b m e 唱e d 盯c w e l d i n g ，t 0w e l d2 7 s i m nh y d r a u i i co i lc y l i n d e ra i m i n ga ti m p r o v i n gt h ew e l d i n g q u a l 时锄dp r o d u c t i o ne m c i e n c yo fi t r e f e r r i n gt oa p p l i c a t i o n 锄dd e v e l o p m e n tt 佗n d o fn a r r o wg a pp u l s es u b m e 唱e da r cw e l d i n g t h ep u l s ec u n c n tw a sd e v e i o p e db yt h e p u l s ec o n t r o i l e rc o n t r o l i i n gt h ea r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ei nt h et c s t 2 7 s i m ns 钯e l 、糯w c l d e db ys a w ，n a n wg 印s u b m e 唱e d 眦w e l d i n g 锄d n 姗wg a pp u l s es u b m e 唱e da r cw e i d i n g ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u n c eo fn a r r o wg 印 p u l s u b m e 唱e da r cw e l d i n go nt h ew e l d i n ge m c i e n c yw 嬲d i s c u s s e dt h r o u g h c o m p a r i n gm et i m ec o n s u m e df o rw e i d i n g t h et i m et h a tt h en 盯r o wg a pp u l s e 叭b m e 够da 心w e l d i n gs p e n to no n es p e c i m e nw 觞18 m i nl e 镐t h 狮s a w 锄d w e l d i n ge f f i c i e n c yw 雒i n c 陀硒e db y3 6 w h i c hs h o w e dt h a tw e l d i n ge 衔c i e n c yc 锄 b ei m p r 0 v 酣 l a 唱e i yb yu s i n gn a r r o wg a pp u l s es u b m e 唱e da 佗w e l d i n g t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l d e dj o i n t s 、) l 娜o b s e r v e d 锄d 锄a l y z e db yu s i n go p t i l m i c r o s c o p e t h e 佗a s o n sf o rd i f 诧r c n tm e c h 锄i c a lp r o p c r t i e so fw e l d i n gj o i n t sw e 陀 锄a l y z e db yt h em i c r o s 仉j c t u r ec h 盯a c t e r i s t i c so f w e l da n dhaz 豁w e 邪t e n s 订et c s t i m p tt e s t 锄db c n d i n gt c s tc o m p r c h e n s i v e l y t e n s i l es n e n g t l lo fn a r r o wg a p b m e 唱e da r cw e l d i n gj o i n t sw 弱c o n s i d e r a b l yb e u 册t h 锄t h a to fs a wj o i n t s t h e c o m p a 佗dp l a s t i c i t ) ，o fn a r r o wg a ps u b m e 略e da r cw e l d i n ga n dn 椭wg a pp u l s u b m e 唱e da r c 、e i d i n gj o i n t sw 私b e t t c rt h 锄t h a to fs a w t l l l ei m p ta b s o 叩t i o n p o w e r o fsa wj o i n t sw 嬲l a 玛e rt h a nt h a to fn a r r o wg a pp u l s es u b m e 唱e da r cw e l d i n g j o i n t s n ei m p a c ta b s o r p t i o np o w e ro fs u b m e 唱e da r cw e l d i n gh a zw 嬲o n l y5 4 j t h ei m p ta b s o r p t i o np o w e ro fn a 小) wg 印p u l s es u b m e r g e da r cw e l d i n gh a zw 舔 i n c 他a s e db y2 2 2 c o m p a r i n gw i t hs a w w ef o u n dt h a tn a r r o wg a p p u l s es u b m e 唱e d a r cw e l d i n gh a dt h eb e s tw e l d i n ge 伍c i e n c y 锄dj o i n t sh a dt h eo p t i m a lc o m p r c h e n s i v e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h i sp a p e ra l s os t u d i e dt h es l a gr c m o v a lp r o b i e mi nn 帅w g a pp u l s es u b m e 唱e d a r cw e l d i n g t h ep r o b l e m 、v a sd i s c u s s e d 行o mt h ec h o i c eo ft h ef l u x ，g r o o v ed e s i g n ， b e a da r r 锄g e m e n t 锄dw e i d i n gp a r a m e t e r s t h ep a r 舯e t e r sa b o v ew e r co p t i m i z e dt 0 i m p r 0 v et h es l a gr e m o v a lw i t ht h et h e o r i e sa n dw e l d i n g t e s t s k e yw o r d s ：p u l s e ，n 啪wg a ps u b m e 唱e da 尬w e i d i n g ，w e l d i n g ，m e c h a n i c a l p r o p e n e s ，m i c r o s 饥j c t u 他 第章绪论 1 1 工业背景 第一章绪论 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国。经过建国6 0 年来的建设和发展，国 产煤矿机械已经实现门类齐全、成龙配套，成为推进我国煤炭工业现代化建设和 技术进步的关键产业【1j 。煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产 的重要问题。因此，以液压支架( 图1 1 神东5 米支架) 为主要设备的综合机械 化开采的诞生和发展是煤矿生产发展史的一次重大革命，不仅从根本上改善劳动 和安全条件，也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基础，使煤炭生产面貌彻底 改观。液压支架由油缸、阀件与一些金属构件构成，以高压液体为动力，在采煤 作业过程中负责支撑和控制顶板，具有强度高、移动速度快、支护性能好、安全 可靠等特性。其中，液压油缸是液压支架的主要部件，其加工质量直接决定着支 架的安全性和使用寿命。由于大长度的钢管价格昂贵，生产厂家一般都是将长度 较小的钢管用焊接的方法连接起来，组成一个长度较大的液压油缸。在支架工作 过程中，液压油缸是很重要的受力部位，因此其管节连接处的焊接质量就非常令 人关注【2 1 。 一o o 二一! ，一 - 、一o- 图1 1神东5 米支架 第章绪论 目前，c 0 2 焊是液压支架生产厂家连接液压油缸管节所采用的主要焊接方 法。其特点是：不仅焊接效率较高而日成本较低。但由予液压油缸市场需求最4 i 断增加，生产厂家迫切希望提高焊接生产效率。而在实际焊接生产过程中主要通 过提高焊接速度或者熔敷效率来提高生产效率。要提高这两者，必须加大焊接电 流。由于是环缝焊接，在焊接过程中焊件随变位机不停转动，若单纯靠加大焊接 电流来提高焊接速度就会产生一系列的焊接缺陷，出现熔敷金属流淌，驼峰等现 象，导致焊缝成形不良。外观成形差，其内部质量就难以保证。这样一来，焊接 质量与焊接效率之间的矛盾无法调和，要想改变此现状，必须寻找到一种既能提 高生产效率又能保证焊接质量的焊接方法。此外，与国外同类产品相比，我国液 压支架油缸的焊接质量也有待提高。为了缩小我国煤机制造业与国外之间的差 距，也迫使我们找到一种能够在现有基础上提高焊接质量的替代方法。同时，采 用c 0 2 焊焊接产品时，还存在着生产条件差等问题( 见图1 2 ) ，从改善工人劳动 条件的角度来讲，寻找替代方法也是很必要的。本文将探讨一下在提高焊接速度 的同时能够提高焊接质量的更优的焊接工艺方法，这在国内煤机行业还属于比较 新的尝试。 图1 2目前液爪汕缸焊接的生产条f ，l 第一章绪论 1 2 埋弧焊较c 0 2 焊的优势 1 2 1c 0 2 焊的特点 1 c 0 2 焊优剧3 】 1 ) c 0 2 焊是一种既高效又节能的焊接方法。同时考虑到高生产率和焊接材 料价格低廉等特点，c 0 2 焊的经济效益是很高的。 2 ) 用粗丝焊接时可以使用较大的电流，实现射滴过渡。焊件的熔深很大， 可以不开或开小坡口。另外，该方法基本上没有熔渣，焊后一般不需要清渣，节 省了许多工时，因此可以较大的提高焊接生产率。 3 ) 用细丝焊接时可以使用较小的电流，焊接热输入小，热量相对集中，以 短路方式实现过渡，此时对焊件采用非持续加热，获得了燃烧相对稳定的电弧， 适合对薄板进行焊接。同时焊接变形也很小，甚至可省掉焊后矫正工序。 4 ) 因为c 0 2 焊是一种低氢型焊接方法，成形后的焊缝含氢量非常低，抗锈 能力较强，所以焊接低合金钢时，冷裂纹倾向降低，也不易产生氢气孔。 5 ) c 0 2 焊采用明弧焊接，可对电弧和熔池进行实时监控，这对实现焊接过 程的机械化和自动化十分有利。 6 ) c 0 2 焊所使用的气体和焊丝造价低廉，在国内此种焊接设备己大批量生 产，这都为该方法的广泛应用创造了有利的客观条件。 2 c 0 2 焊的不足 1 ) 焊接过程中会产生较多的金属飞溅，飞溅会导致焊缝的外形较为粗糙， 尤其是当焊接参数匹配不当时，飞溅现象更加严重。 2 ) 不能焊接易氧化金属材料，也不适于在风速较大的地方施焊。 3 ) 焊接过程弧光较强，尤其是采用大电流焊接时，电弧的辐射较强，故要 特别重视对操作人员的劳动保护。 4 ) 与焊条电弧焊相比，设备比较复杂，需要有专业队伍负责维修。 1 2 2 埋弧焊的特点 1 埋弧焊的优点 1 ) 焊缝质量好一方面埋弧焊的电弧被掩埋在颗粒状焊剂及其熔渣之下， 电弧及熔池均处在渣相保护之中，对外界的隔离作用好；另一方面埋弧自动焊大 大降低了焊接过程对焊工操作技能的依赖程度，焊接过程稳定，焊缝化学成分和 力学性能的稳定性较好。 2 ) 生产率高埋弧焊过程中焊剂和熔渣的隔热保护作用使电弧热辐射损失 第一章绪论 较少，金属飞溅损失也受到有效控制，电弧热效率大大提高，有利于提高生产率。 另外，埋弧焊时焊接电流可达1 0 0 0 a 以上，电流密度也很大。这样埋弧焊的电 弧功率、熔深及焊丝熔化速度都相应很大，熔敷速度快。埋弧自动焊在特定条件 下，可实现l o 2 0 m m 钢板单面焊双面成形。埋弧自动焊的最高焊接速度可达 6 1 5 0 m l l ，而焊条电弧焊则不超过乱8 m ，若采用双多丝埋弧焊或带极埋弧焊， 速度会更快。 3 ) 节省焊接材料和电能埋弧自动焊可获得较大的熔深，故埋弧焊对工件 坡口的要求很低，减少了焊缝中焊丝的填充量，也节省了因加工坡口而浪费掉的 焊件金属。另外，由于焊剂的保护，焊接时金属烧损和飞溅极少，又没有类似焊 条电弧焊焊条头的损失，节约了焊接材料。埋弧焊的热量集中，热利用率高，也 就减少了在单位长度焊缝上所消耗的电能。 4 ) 改善劳动条件埋弧自动焊实现了焊接过程自动化，操作简便；电弧在 焊剂层下燃烧，没有弧光的有害影响，放出的烟尘也较少。这样就减轻了操作者 的劳动强度，改善了劳动条件。 2 埋弧焊的缺点 1 ) 施焊位置受到限制埋弧焊依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，而且熔 池体积大，液态金属和熔渣的量多，在非平焊位置时焊剂不易保持，液态金属和 熔渣也易流淌。因此，埋弧焊主要适于水平或倾斜度不大的位置焊接。也有采用 特殊机械装置，将焊剂保持堆敷在焊接区，实现埋弧横焊、立焊和仰焊：还有使 用磁性焊剂的埋弧横焊与仰焊，但这些应用均不普遍。 2 ) 不适于焊接易氧化的金属材料埋弧焊使用的焊剂主要成分为m n o 、s i 0 2 等金属及非金属氧化物，具有一定氧化性，故难以焊接铝、镁等氧化敏感性强的 金属及其合金。 3 ) 不适于焊接薄板和短焊缝埋弧焊电弧弧柱的电位梯度较大，电流小于 1 0 0 a 时电弧稳定性较差，不适宜焊接厚度在l m m 以下的薄板。由于埋弧自动焊 机比较复杂，灵活性差，焊接短焊缝的生产率还不及焊条电弧焊，因此埋弧自动 焊只适于长焊缝的焊接。 1 2 3 埋弧焊较c 0 2 焊的优势 1 ) 焊缝质量好首先，由于焊剂及其熔渣对埋弧焊的焊接电弧以及熔池金 属具有双重保护作用。这样一方面，保护层对外界空气的隔离效果很好，使得焊 接过程免受其中有害成分的影响，因此焊缝金属中的含氮量、含氧量极少。另一 方面，因保护层的隔热效果良好，使得焊缝金属的冷却速度降低，熔池金属凝固 较慢，液态金属和熔化焊剂间的冶金反应充分，减少了焊缝中产生气孔、裂纹的 4 第一章绪论 可能性【4 】。其次，利用焊剂可促进焊缝金属脱氧还原反应。其中的合金元素对焊 缝金属还有合金强化的作用，获得的焊缝金属力学性能优良、致密性高。再次， 埋弧自动焊自动完成焊接过程，摒除了因焊工操作不当对焊接过程稳定性带来的 不良影响，因此焊缝的化学成分和力学性能较好。因此埋弧焊焊缝质量较好。而 在c 0 2 焊中，随着焊接速度的提高，c 0 2 气体的保护效果也会大大降低。空气中 的有害气体就会进入尚未成形的焊缝，造成焊缝缺陷，从而对焊缝质量产生不良 影响。 2 ) 提高生产效率与c 0 2 焊相比，普通埋弧焊可以使用更大的焊接电流和 更大直径的焊丝，改善了电弧的穿透能力，并明显提高了焊丝的熔化速率，从而 提高焊接效率。并且在埋弧焊接过程中，电弧热辐射损失因焊剂和熔渣的隔热保 护作用而减少，有效控制了因金属飞溅而带来的损失，很大程度上改善了电弧热 效率，这些均在一定程度上提高了生产效率。 3 ) 节约焊接材料和电能埋弧自动焊可获得较大的熔深，故埋弧焊的工件 对坡口的要求相对较低，既节省了焊缝中焊丝的填充量，也减少了因加工坡口而 消耗掉的焊件金属。另外，由于焊剂的保护，焊接时金属烧损和飞溅极少，节约 了焊接材料。埋弧焊的热量集中，热利用率高，也就减少了在单位长度焊缝上所 消耗的电能。 4 ) 改善工人工作环境c 0 2 焊采用明弧焊接，会对焊工产生辐射伤害。且 焊接过程中金属飞溅较多，容易灼伤焊工。在埋弧焊中，焊剂层比较厚可以阻挡 住电弧和飞溅，可进一步消除弧光的飞溅物对焊工的危害，具有很好的防护效果， 从而改善了焊工的劳动条件。埋弧焊焊接过程中由于没有飞溅物，焊缝表面光洁， 焊后无需修磨焊缝表面，省略了辅助工序。 1 3 脉冲埋弧焊的发展及特点 1 9 5 9 年，e r d m 锄j e s n i 乜e r 和w e i n s c h e n k 【5 6 】等研究人员首次提出使用脉冲电 流控制焊条熔化的理论。其后不久，a n d e r s 0 n m ，n e e d h a m l 8 9 】和j a c k s o n 【1 0 】以及其 他一些业内人士把脉冲的思想应用于气保护电弧焊( g m a w ) 中，开拓了弧焊电源 及工艺发展的新领域。 国外很早就有专家对脉冲埋弧焊进行研究。但由于埋弧焊焊接过程中，弧光 是不可见的而且很难监测熔渣内的焊接现象，因此关于脉冲埋弧焊的成熟理论并 不多见。b a g 拶鲫s k i i 【l l j 发现脉冲电流埋弧焊可以使合金化效果得到改善。 h i d e r b 瑚d t 【1 2 j 提出在埋弧焊中应用脉冲电流可以同时获得直流和交流埋弧焊的 优势并且能够有效避免二者的不足。他在一定的材料和焊接参数下，给出两个结 第一章绪论 论：首先，直流埋弧焊中，熔滴的自然过渡频率在很大程度上取决于采用焊剂的 电弧特性。其次，在埋弧焊中，只有当采用的脉冲频率与熔滴在直流时的自然过 渡频率很接近时，才能实现对熔滴过渡的控制。i v 锄h r i v n a k 通过平板堆焊试验 研究脉冲电流参数对于焊缝金属的凝固和结构转变的作用，得出了如下的结论 【l3 j ：焊缝金属的凝固潜热可以影响到焊缝金属和h a z 的显微组织；在最初脉冲 的焊缝组织中可以观察到再结晶和某些情况下的晶粒粗化；在采用含o 5 m o 焊 丝进行焊接时，焊接中m a 组元大部分被分解；脉冲埋弧焊在实际焊接工作中的 成功应用也证明了它的优越性，与普通埋弧焊相比，焊接收缩变形减少3 0 4 0 ， 并且焊缝金属的切口韧性也显著提高。国内对于脉冲电流影响埋弧焊熔滴过渡内 在机理的研究也比较少，多是关于脉冲埋弧焊焊接工艺研究的报道。天津大学郭 胜，刘琼4 】等人通过对脉冲埋弧焊工艺进行研究，发现脉冲埋弧焊在相同的热输 入量前提下能有效的搅拌熔池，增加焊缝熔深。可以在保证熔深和焊缝成形的前 提下提高焊接生产率。为有效消除焊机过载等不利影响，在保证熔深符合要求的 前提下，可以有效降低电流平均值和有效值。上海锅炉厂有限公司傅育文，王炯 祥【1 5 】等人与天津大学李桓教授合作，将脉冲埋弧焊技术应用于膜式水冷壁管屏拼 接当中取得了满意的效果：不仅将焊接速度由原来的1 o 1 1 i r i m i n 提高到 1 2 4 1 4 5m m i n ，即提高了1 3 屯5 ，还使焊接质量得到提升。焊接后焊缝成形 饱满，宽度b 和熔深h 更大，咬边与气孔现象明显降低。河北建筑工程学院王占 英【1 6 l 7 】利用脉冲埋弧焊技术焊接1 6 m n r 钢，试验结果表明，脉冲埋弧焊可有效降 低熔敷金属的成分偏析，细化晶粒，提高焊缝金属的冲击性能。天津大学李幸呈 1 1 8 1 9 】在其硕士毕业论文中提出了脉冲埋弧焊消除咬边缺陷的机理并通过石油储 罐横焊位置的脉冲埋弧焊试验与普通埋弧横焊中工艺参数和焊接结果的对比，验 证了此机理，拓宽了埋弧横焊的工艺参数范围。 随着对于脉冲埋弧焊研究的不断深入，业内的学者将脉冲埋弧焊优点总结如 下： 1 ) 有较宽的电流调节范围 随着被焊钢材合金元素含量和强度级别的提高，焊接电流的调节范围变窄。 当焊接电流低于电流调节范围下限时，会使生产效率大幅度降低；当焊接电流高 于电流调节范围上限时，会使焊缝成形恶化，脱渣困难，并降低接头质量。使用 脉冲电流的埋弧焊会扩大焊接电流的调节范围，方便了使用。 2 ) 有效的控制输入热量，改善接头性能 焊接高等级钢材时，由于母材热敏感性较大，因而对母材输入的热量有一定 的限制，若用普通的埋弧焊，所选用的焊接电流一般在电流调节范围内取较小值， 其结果是熔深较小，焊缝根部熔合不良是常见的缺陷。使用脉冲埋弧焊工艺后， 6 第一章绪论 既可使焊缝得到较大的熔深( 熔深基本上依脉冲电流幅值而定) ，又可控制总的 平均焊接电流在较低的水平。焊缝金属和热影响区金属的过热程度都比较小，从 而使焊接接头具有良好的韧性。 3 ) 为获得同样的熔深，在提高焊接速度的同时必须加大焊接电流，但一般 情况下会伴随焊缝成形的恶化，表现形式为焊缝横截面的中部凸起，表面成形粗 糙，焊趾处有咬边现象产生。这是高速焊时极容易出现的现象。在使用脉冲焊时， 熔池的液态金属在脉冲电流( 电压) 的作用下形成有规律的振荡，这种振荡会把 焊缝横截面中部的液态金属推向本应该出现咬边的焊趾处。因此，这种方法消除 咬边的作用便是顺理成章的了。 4 ) 增强了对熔池的搅拌作用 电流的脉动变化本身自然具备对熔池的搅拌作用，可有效干扰晶粒的正常生 长，对细化晶粒有明显作用，同时有助于消除气孔和夹渣等常见的焊接缺陷。从 焊道表面的鱼鳞纹即可看出这种作用。 现在变极性脉冲埋弧焊机已经问世，其功能十分强大。主要包括：能通过互 联网输入控制指令；通过监视器监视脉冲电流、电压波形；电源采用逆变技术， 节约能源，但此种设备价格十分昂贵。本课题组以单片机技术为核心，设计并制 造了用于埋弧焊系统的直流电焊机脉冲电流控制器。它可以直接与焊接电源连接 并且控制焊接电源，从而输出脉冲电流。由于其价格适中并且与焊接电源连接方 便，为脉冲技术在焊接工艺中的广泛应用提供了条件。 1 4 窄间隙埋弧焊国内外研究现状 自1 9 6 3 年1 2 月在铁时代杂志上首次发表了由美国b a t t e l l e 研究所开发的窄 间隙焊接技术以来【2 0 1 ，作为一种更加先进的焊接技术，它立即受到了全世界各国 焊接专家的高度关注，并相继投入了大量的研究。 日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会曾审议了窄间隙焊接的 定义【引】，并作了如下规定：窄间隙焊接是把厚度3 0 m m 以上的钢板，按小于板厚 的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法( 板厚小于2 0 0 m m ， 间隙小于2 0 m m ；板厚超过2 0 0 m m ，间隙小于3 0 m m ) 。经过半个多世纪的研究和 发展，人们对窄间隙焊接方法和焊接材料进行了大量的开发和研究，目前窄间隙 焊在许多国家的工业生产中都发挥着巨大的作用。 窄间隙埋弧焊( n g s a w ) 出现于2 0 世纪8 0 年代，窄间隙埋弧焊是在应用已 发明的焊接方法和工艺基础上，加上特殊的焊丝、焊剂向狭窄坡口内的导入技术 以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种专门技术1 2 2 1 。当焊件厚度超过5 0 m m 第一章绪论 时，若采用传统的“v ”型或“u ”型坡口埋弧焊，则焊接层数、道数多，焊缝金属 填充量及所需焊接时间均随厚度呈几何级数增长，焊接变形大且难以控制。窄间 隙埋弧焊就是为了克服上述弊端而发展起来的。国内可焊坡口最大深度己达 3 5 0 m m 【2 3 1 。 窄间隙埋弧焊的特点包括：焊接坡口窄，焊缝截面积小，填充金属量少，可 节省焊接材料和能源的消耗，提高焊接生产率。窄间隙埋弧焊的后层焊道对前层 焊道的重复加热，起到了对前层焊道的回火作用；焊接坡口变窄，焊接接头总的 焊接热输入量低，焊接接头热影响区域减小，因此焊接接头的力学性能得到了改 善，特别是对提高焊接接头的抗裂性能和冲击韧度效果比较显著；由于熔敷金属 量减少，焊接接头中氢含量有所下降，焊接接头的应力水平和变形量也有所降低 瞰2 5 j 。从而实现了高效率( 焊接效率可提高5 0 一8 0 ) 、低成本( 可节约焊丝3 8 一5 0 、焊剂5 6 6 5 ) 、高质量焊接。但是窄间隙埋弧焊在实际应用上也有较 大的困难，首先是在平行坡口内，可能产生侧壁熔合不充分现象；其次是要求使 用的焊剂能顺利的从窄间隙中排除熔渣。最后，选择合适的焊丝材料和直径及合 理的焊接工艺规范参数，确保焊缝的焊接质量【2 6 2 7 】。因此，能否在生产中使用该 工艺，关键就在于如何消除侧壁熔合不充分现象和研究改进焊剂，使形成的熔渣 容易脱落并排除。随着其关键技术接触式光电跟踪器日益成熟，其可焊间隙越来 越小，坡口深度也越来越深，使其优点更加明显，应用更广泛【2 8 2 们。 目前，日本、欧洲和苏联等国家和地区，已经广泛采用n g s a w 工艺用于碳 钢、低合金钢和高合金钢厚壁容器及其它重型结构的焊接；焊道熔敷方案的选择 与许多因素有关，n g s a w 焊接时，通常采用每层2 道( 或3 道) 的熔敷方式1 3 0 1 。 我国窄间隙焊接的应用起步比较晚【3 。从2 0 世纪8 0 年代中期，我国开始相继从国 外厂家引进了窄间隙埋弧自动焊接技术和成套设备用于锅炉和压力容器的焊接， 从此窄间隙埋弧焊工艺便优先应用于此类设备的制造中。武汉大学的张国栋等人 分析了窄间隙埋弧焊的技术难点，应用现状及其发展【3 2 - 3 3 1 。上海锅炉厂焊接技术 人员研究了窄间隙埋弧焊在特厚锻件焊接中的应用，通过工艺试验及工艺评定证 明窄间隙埋弧焊的优越性】。伍小龙等研究了厚壁容器的双丝窄间隙埋弧焊，结 果表明焊接接头具有良好的综合力学性能【3 5 1 。武汉大学的张国栋【3 2 】等人分析了 窄间隙埋弧焊的技术难点，应用现状及其发展。上海交通大学的卢庆华等人对细 丝窄间隙埋弧焊进行了工艺参数寻优，提供了有益的经验【3 3 】。这些研究均说明即 使在新型焊接设备不断出现的今天，相对某些行业的大中厚度板焊接，为满足高 焊接效率的要求，还是窄间隙埋弧焊更适合。 第一章绪论 1 5 探索窄间隙脉冲埋弧焊的意义 脉冲埋弧焊有较宽的电流调节范围；可以有效的控制热输入量，改善接头性 能；同时在脉冲电流( 电压) 的作用下，熔池的液态金属形成有的规律振荡会对 细化晶粒有明显作用并有助于消除气孔和夹渣等常见的焊接缺陷；有应用先例证 明，在脉冲埋弧焊中可以通过提高焊接电流提高焊接速度，焊接速度较普通埋弧 焊有明显提高。窄间隙埋弧焊坡口窄、焊缝金属填充量少，可以节省大量的焊材 和焊接工时，从而提高焊接生产率；由于窄间隙焊时热输入量较低，使焊缝金属 和热影响区的组织明显细化，从而提高其力学性能，特别是塑性和韧性。综上所 述，脉冲埋弧焊和窄间隙埋弧焊各有其自身独特的优势，但这两者的共同之处就 是有利于在提高焊接速度的同时提高焊接质量。因此考虑将这两种方法的优势结 合在一起，开发出一种新的焊接方法一窄间隙脉冲埋弧焊，以期达到更好的焊接 效果和经济效益。这对于提高我国中厚壁容器质量的竞争力和为企业争取更好的 经济效益具有重大意义。 1 6 课题概述 1 6 1 研究目的及意义 通过参考国内外先进焊接工艺的科研及生产状况，以及c 0 2 焊和埋弧焊工 艺的优缺点，本课题确定的研究目的是：探索开发一种新的焊接工艺一窄间隙脉 冲埋弧焊来焊接液压油缸各个管节之间的环缝，以期在提高焊接效率的同时提高 焊接质量。这项研究工作不仅对于改进现有埋弧焊焊接质量水平具有重要意义， 并且更具有广泛的工程实际应用价值。 1 6 2 研究内容 通过c 0 2 焊和埋弧焊工艺优缺点的对比，从理论上阐述用埋弧焊替代c 0 2 焊焊接液压油缸各个管节之间环缝的可行性及优越性。 进行焊接试验，首先用普通埋弧焊方法焊接组成液压油缸的各个管节。进一 步减小焊件坡口角度至窄间隙焊接坡口的标准，先用普通埋弧焊焊接方法焊接试 件，再把由天津大学自主研发的直流脉冲控制器接在焊接电源上、以使电源输出 脉冲电流，探索窄间隙脉冲埋弧焊在液压油缸焊接中的应用。 通过对比普通埋弧焊、窄间隙埋弧焊以及窄间隙脉冲埋弧焊的焊接用时讨论 窄间隙脉冲埋弧焊对焊接效率的影响。 9 第一章绪论 按照相应标准，分别在普通埋弧焊、窄间隙埋弧焊及窄间隙脉冲埋弧焊试件 焊缝和热影响区相应位置截取力学性能测试试样和金相试样，进行拉伸、冲击、 弯曲等力学性能测试及显微组织观察与分析。通过比较普通埋弧焊、窄间隙埋弧 焊及窄间隙脉冲埋弧焊焊接后试件的焊缝外观成形、力学性能及显微组织，探讨 窄间隙脉冲埋弧焊对于焊接质量的影响。 1 0 第二章试验设备与条件 第二章试验设备与条件 在埋弧焊中，一般选用具有下降外特性的弧焊电源【3 6 】，以保证电弧的稳定燃 烧。在本试验中，采用变速送丝调节系统匹配陡降外特性弧焊电源。利用脉冲控 制器，使弧焊电源呈脉冲式输出，从而形成直流脉冲埋弧焊方法。原理就是将脉 冲控制器信号转换为弧焊电源可识别的焊接电流给定信号，通过弧焊电源的遥控 控制接口或端子接入弧焊电源，快速交替改变电流给定值，以达到获得直流脉冲 焊接电流的目的。 2 1 普通埋弧焊试验设备及其连接方法 普通埋弧焊试验设备由郑州煤矿机械集团有限公司提供。焊接试件环缝的系 统主要由z x 5 1 0 0 0 型弧焊整流器、m z 1 0 0 0 型埋弧焊机机头、焊枪行走控制盒、 焊接变位机及焊接滚轮架等组成，下面将主要介绍几个部分。 2 1 1z x 5 1o o o 型弧焊整流器 本试验采用的焊接电源为z x 5 1 0 0 0 型弧焊整流器，具有如下特点：( 1 ) 优 化的设计确保稳定可靠。电源采用可控硅整流，能对网络波动进行迅速的自动补 偿，以保证电弧的稳定性，输出电流调节方便。( 2 ) 良好的动特性。三相电路最 小触发角保护控制方法，精心设计的控制电路较好地控制了电源的动特性。( 3 ) 多功能用途。可为炼钢、快速淬火，碳弧气刨、埋弧焊、手工焊提供直流输出。 其中z x 5 1 0 0 0 焊接电源的技术参数列于如表2 1 ： 表2 1z x 5 1 0 0 0 焊接电源的技术参数 电源输入电压( v )a c 3 x 3 8 0 频率( h z ) 额定输入容量( k 、队) 额定输入电流( a ) 负载持续率 电压输出范围( v ) 5 0 “ 9 7 1 0 0 夕8 1 4 0 0 1 0 0 0 第二章试验设备与条件 2 1 2m z - 1 0 0 0 埋弧焊机控制器 本试验采用成都振中电焊机厂生产的m z 1 0 0 0 型埋弧焊机的机头部分。控 制盒是机头的重要组成部分，现将控制盒技术参数列出如表2 2 ： 鲎丝鎏鏖( c i l l m i l l ) 2 0 2 0 0 送丝方式 变速等速 引弧方式 定点缓送 焊接速度( c m m i l l ) o ，2 0 5 适用焊丝直径( m m ) 由3 o 6 0 额定焊接电流( a ) 1 0 0 0 重量( k g ) 6 8 。_ - _ i - - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ 一_ 一l ： 2 1 3 普通埋弧焊设备连接方法 在本试验中，要充分利用z x 5 1 0 0 0 型弧焊整流器良好的电源动特性，又要 利用m z - 1 0 0 0 自动埋弧焊机机头控制盒在焊接过程中调节电流、电压，送丝及 抽丝的自动程序控制，所以需要对这两台设备进行正确连接( 如图2 1 ) 。 3 8 0 图2 - i 试验设备整体连接示意图 为了更好的固定试件，首先将试件用点焊固定，然后一端用变位机夹持，另 1 2 第二章试验设备与条件 一端放置在滚轮架上。这样在焊接过程中，焊接变位机带着焊件旋转，滚轮架也 会随着试件旋转，两端将试什固定好，减少焊接过程中产生的变形。其实物见图 2 2 。 图2 2 试件固定实物图 2 2 窄间隙埋弧焊及窄间隙脉冲埋弧焊试验设备及连接方法 此套焊接试验系统包括：由北京中电华强焊接工程技术有限公司提供的窄间 隙埋弧焊焊接专机、直流电焊机脉冲电流控制器、电信号采集及分析系统。焊接 专机主要设备有：l i n c o l ni d e a l a r cd c 10 0 0 可控硅多用途直流弧焊电源和 与之匹配的n a 3 埋弧焊机头( 机头重要组成部分窄间隙埋弧焊焊枪见图2 3 ) 、 焊枪行走控制盒、二维跟踪装置、焊接变位机等。下面将逐一对重要部分进行介 绍。 2 2 1 i d e a l a r cd c lo o o 型直流弧焊电源 美国l i n c o l n 电气公司生产的i d e a l a r cd c 1 0 0 0 型弧焊电源，主要用 于埋弧焊，按其功能可分为四个部分：主电路、操作电路、控制调节电路及保护 电路【3 7 】。 第_ 章试验设祷与条f ，f 图2 3 窄间隙埋弧焊焊枪 d c - l 0 0 0 型焊机具有良好的焊接电流调节性能、更快的焊接电流调节响应速 度和更优良的保护电路。所以，本试验中采用d c 1 0 0 0 作为埋弧焊的焊接电源。 在该直流脉冲自动埋弧焊接系统中，要使用d c 1 0 0 0 的远程控制端接收脉冲控 制器提供的焊接电流给定信号。d c 1 0 0 0 的远程控制端电路原理图如图2 。4 所示。 其中，主要的外部接线端子的标号及其功能，如表2 3 所示。其中i d e a l a r c d c - 1 0 0 0 型直流弧焊电源的技术参数如表2 4 所示。 i ： 7 f 2 i # 驾2 竹氆a 燮i徽 o u t l 、r r 0 0 h m l 一 _ l _ j 。f 。：掣r 竽掣肿，ir 十1 ：虹，f 踟k “ f 蔷咿：蓍f 捌ii 要1 宦羝： il 卫s 2 q 剥黼fl 】1 菡品群= 岫 1 4 第二章试验设备与条件 表2 3d c 1 0 0 0 外部接线端子的标号及其功能 标号功能 1 1 0 1 1 5 v a c ( 内部& 输出) g n d 输出电流触发控制 输出电流触发控制 焊接输出电流遥控给定控制 焊接输出电流遥控给定控制 焊接输出电流遥控给定控制 4 0 4 2v a c l l o 1 1 5 v a c ( 内部输出) 4 0 4 2 v a c 表2 - 4l d e a l a r cd c 1 0 0 0 型直流弧焊电源的技术参数 2 2 2n a 3 控制箱 n a 一3 控制箱用于直流埋弧焊电源。可用于预置焊接电流、电弧电压、送丝 速度等焊接参数；送进焊丝以及控制机头行走等。 2 2 3 直流电焊机脉冲电流控制器 变极性脉冲埋弧焊机已经研制成功，其实用功能非常强大，但此种设备价格 昂贵，因此限制了脉冲焊接技术在实际工业生产中的应用。为了解决这一问题， 使现有的自动埋弧焊机能够实现脉冲焊接，本课题组研制开发了一种以单片机为 核心的脉冲控制器( 图2 - 5 脉冲控制器外观) ，将其连接在直流自动埋弧焊系统 上就可实现脉冲埋弧焊焊接。可通过控制器的前面板分别调节脉冲电流或电压的 各个参数，具体包括：峰值电流或电压、基值电流或电压、脉冲频率和脉宽比等。 1 5 d d n 2 4 f g h 钉 c 铊 d 洲2 4 f g h 钔c 舵 第_ 章试验没备与条f ， 荇使用陡降特性电源匹配变速送丝系统，则可通过脉冲控制器调节和控制焊接电 流，电弧电压随焊接电流的变化而同样呈脉冲变化，其大小可通过调节亢流自动 埋弧焊机上焊接电源的外特性来实现：但若使用平特性电源匹配等速送丝系统， 则可通过脉冲控制器调节和控制电弧电压，焊接电流随电弧电压的变化而同样呈 脉冲变化，其大小可通过调节直流自动埋弧焊机上焊接电源的外特性实现【3 8 】。 采用数码管实时监控脉冲参数和控制器的运行状态。采用接口简洁的“黑匣 子”方式，来实现焊机的端子板与多种直流焊机的方便连接，其中与l i n c o l nd c 系列直流弧焊机( 如d c 4 0 0 、d c 6 0 0 、d c 10 0 0 、d c 15 0 0 等系列机型) 连接最为 快捷。图2 6 为焊接电源d c 1 0 0 0 型焊机。 图2 5 脉冲控制器图2 6 d c 10 0 0 电源 该控制器的功能原理图，如图2 7 所示。由单片机控制的直流电焊机脉冲电 流控制器，依据直流脉冲埋弧焊的实际工艺要求，通过自动产生频率及脉宽比均 可调的脉冲控制信号的方式来实现峰值电流( 或电压) 及基值电流( 或电雎) 的数 值，并通过光电耦合开关把信息传送到直流自动埋弧焊机外接端子板处，并以遥 控给定参数的方式控制电焊机的输出电流( 或电压) 。 通过在控制器上安置键盘及数码管，来增强操作的方便性以及直观性。直流 电焊机脉冲控制器为满足本课题试验的要求，以及应对在生产中灵活应用的需 要，设计并实现了如下的主要功能： 1 ) 峰值基值脉冲焊接电流( 或电压) 的控制输出：该控制器根据已设定的脉 冲参数，向电焊机交替送高峰值电流( 或电压) 控制信号和基值电流( 或电压) 控 制信号。以使直流自动埋弧焊机在焊接电流( 或电压) 输出端形成符合相应频率要 求的脉冲焊接电流( 或电压) 。将这种电流( 或电压) 控制输卜h 方式命名为控制模式 1 6 第二章试验设备与条件 l ( m o d e l ) o 2 ) 恒定峰值焊接电流( 或电压) 的控制输出：该控制器可以持续向电焊机输出 峰值电流( 或电压) 控制信号。这样便于生产、试验中调节峰值电流( 或电压) 并校 准给定值，以及保持在其它焊接工艺参数不变的前提下方便的独立比较峰值电流 ( 或电压) 的焊接效果。将这种电流( 或电压) 控制输出方式称为控制模式2 ( m o d e 2 ) 。 嫡塞指呆付上牵樽呆一 _ 懈码驱剥 - 一相描1 日 日 日日日 l 丁一 田 _ 。 。 l c 电源 d c5 、7 5 位8 段数码管 【o v - 叫 上 键盘 单片机 控制信号 晶振 门n 一光耦l 一 卜 一j - 一习 主输出， 从输出 f扩 峰值基值控制信号l 电焊机远程控制端 图2 7 控制器的功能原理图 3 ) 恒定基值焊接电流( 或电压) 的控制输出：该控制器可以始终向电焊机送出 基值电流( 或电压) 控制信号。与m o d e2 的作用类似，这便于生产、试验中对基 值电流( 或电压) 的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参数不变的情况下方便 的单独比较基值电流( 或电压) 的焊接效果。将这种电流( 或电压) 控制输出方式命 名为控制模式3 ( m o d e3 ) 。 4 ) 采用4 位八段数码管来直观地显示出脉冲控制器的运行状态：利用4 位八 段数码管，对控制器的工作参数及工作状态进行监视。其中前两位表示脉冲频率， 后两位表示脉冲脉宽比。 此外，脉冲控制器脉冲输出端的监视以及脉冲控制器的运行状态的显示，均 可利用脉宽比数码管( 第3 ，4 位) 的两个空闲小数点的组合显示来表达。小数点位 组合显示的具体操作方式如下：控制模式l ：第3 、4 位数码管小数点根据实际脉 冲控制参数交替闪亮；控制模式2 ：只有第3 位数码管小数点常亮；控制模式3 ： 只有第4 位数码管小数点常亮。基值峰值脉冲控制模式是在脉冲埋弧焊中主要采 1 7 第二章试验设备与条件 用的焊接输出模式，但通常分别把以上三种操作模式应用于实际进行的焊接试验 中，以便于对直流脉冲埋弧焊和普通埋弧焊( 恒定电流埋弧焊) 的焊接试验效果进 行比对。 直流电焊机脉冲电流控制器的主要参数如下： 焊接电流给定：2 个1 0 比w 电位器； 工作电压：+ 5 vd c ； 频率设计调节范围：o 1 9 9h z ； 占空比设计调节范围：5 。9 5 ； 频率设计调节分辨率：0 1h z ( 0 1 1 0h z ) ，lh z ( 1 0 9 9h z ) ； 占空比设计调节分辨率：l 2 2 4 电信号采集及分析系统 焊接过程中电弧电压、焊接电流瞬息万变，其中包含着丰富的信息。不同的 过渡形式，其电信号都有明显的差异。其中不仅包含了焊接电源性能的信息，而 且包含焊接质量的信息【3 9 舯l 。 本课题利用l a b v i e w 开发环境，通过程序设计实现了焊接电信号的同步采 集并用于焊接过程评价，为改进焊接工艺和改造焊接设