（机械电子工程专业论文）焊缝咬边形成机理及高速焊工艺研究.pdf

摘要 摘要 焊接速度是薄板高效焊接的重要工艺参数，制约焊接速度提高的主要障碍之 一是咬边缺陷的产生。 文中通过计算机仿真、t i g 定点焊接、t i g 自由电弧焊接、t i g 电磁压缩电 弧移动焊接、以及双弧移动焊接等实验，研究了熔池液体金属表面张力温度系数、 温度梯度、熔池液体流向以及熔池动态深宽比等因素对焊缝咬边形成的影响规律 及其预防措施等。 研究表明，熔池表面液体自熔合线向熔池中心流动是导致焊缝产生咬边的最 重要因素。当表面活性物质的存在( 例如钢中硫含量在o 0 2 0 0 4 左右) 使得熔 池表面张力温度系数由负值变为正值时，t i g 定点不填丝焊点均发生咬边现象， 而用含硫量极低的铁基金属( 如硫含量小于o 0 1 呦进行焊接时就不出现咬边。 温度梯度是影响焊缝咬边程度的最重要因素。在其他条件不变的前提下，焊 缝咬边程度随着温度梯度的增大而增大。大电流短时间t i g 定点焊接时的咬边 倾向和程度大于小电流长时间定点焊接时的咬边倾向和程度，大电流高速焊接时 的咬边倾向远大于小电流低速焊接时的咬边倾向。 增加熔化角可有效减小近熔合线区的液体流动阻力，降低近熔合线区凝固速 度，对抑制焊接咬边有明显作用。当有填充金属加入熔池时，在重力作用下抑制 了熔池金属向中心流动，降低了咬边程度。随着填充金属量的增加，咬边将最终 消除。 数值模拟和焊接实验表明，高速焊接条件下的熔池最大熔深截面滞后于最大 熔宽截面，使得焊缝的深宽比不能反映熔池冷却时的实际情况，故而依据最大熔 宽和最大熔深截面把熔池分为金属熔化的前段、熔池两侧金属开始凝固而熔池底 部仍在继续熔化加深的中段和液体金属凝固的后段。显而易见，咬边正是出现在 熔宽减小而熔深增加的中段。 文中提出熔池动态深宽比概念：焊接过程中熔宽最大处的熔池深宽比称为熔 池动态深宽比，其对准确描述高速焊接条件下的熔池行为具有重要意义。 焊接热源形态对焊接熔池温度梯度和动态深宽比有重要影响，对提高焊接速 北京工业大学工学博= ：学位论文 度有重要意义。数值分析和实验结果都表明，当电弧在电磁场作用下被压缩成椭 圆形( 在电弧运动方向被拉长而在垂直于电弧运动的方向被压缩) ，或者双弧热源 沿运动方向纵向排列焊接时，可有效降低熔池垂直于焊接方向的温度梯度，提高 熔池动态深宽比，抑制咬边产生，实现更高速度的焊接。 研究表明，采用u i 模式控制，在峰值电压3 6 v 条件下，直径1 2 m 焊丝， t p 小于2 1 m s 时，熔滴过渡过程不稳定；t p 为2 2 3 2 m s 时，可以实现稳定的 一脉一滴过渡方式；t p 高于3 2 m s 时，熔滴过渡趋于一脉多滴方式。 通过双丝焊接工艺实验及其工艺参数优化得到如下结论：在线能量相同或者 总电流相同的条件下，沿运动方向排列的双弧焊接比单弧焊接时具有更小的横向 温度梯度和更大的动态深宽比，减小了熔合线区域液态金属向中心流动的动力， 增大了熔池底部金属向熔合线区域的补充能力，降低了咬边倾向，提高了产生咬 边的临界焊接速度。 以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为控制核心，通过软件技术实现了焊接规范给定、脉冲 参数调节、焊接过程时序控制、焊接电流电压实时检测和显示以及焊接过程状态 检测与判断等功能，建立了两台电源可相互通信、协调工作、脉冲相位差可调的 双丝m i g m a g 焊接系统，实际焊接速度可达3 耐m i n 以上。 关键词高速焊；咬边；表面张力；温度梯度 i i a b s tr a c t w e l d i n gs p e e di sak e yp a r 锄e t e ro f h i g hs p e e dw e l d i n gw h e nj o i n i n gm i n s h e e t s u n d e r c mi so n eo f m em o s ti m p o n a n tp r o b l e m sw h i c hr e s 廿i c tw e l d i n gs p e e d b o t hc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sw e r ec o n d u c t e dt of i n dt h e r e l a t i o n sb e t w e e nu n d e r c u ta 1 1 ds u r f k et e n s i o nt e n l p e r a t u r ec o e 伍c i e n t ，t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ，t h ed i r e c t i o no fs u r f 如en o wo fw e l d i n gp 0 0 1 ，a n dd y n a m i cr a t i oo f d e 叫w i d m t h ep r e v e n t i v em e a s u r e sw e r eg i v e nt h r o u 曲也ee x p e r i m e m so f m o v e l e s sw e l d i n g ，w e l d i n gw i t hs i n g l ea r ca n dp r c s s i n ga r c 、i t he l e c t r i cm a g n e t i c f i e l da n dd o u b l ea r cw e l d i n g t h er e s e 盯d li n d i c a t e dt h a ts u r f k en o wd i r e c t i o no fw e l d i n gp o o ln e a rm e p e r i p h e r yi s 也em o s tr e l e v a n tr e a s o no fu n d e r c u to c c u 玎e d w h e nt h ee x i s t e n c eo f s u r f 犯ea c t i v ee l e m e m s ( e g m ec o m e n to fsi sa b o u to 0 2 0 0 4 i ns t e e l ) c h a n g e t h es i g no fs 删f a c et e n s i o nt e m p e r a l ec o e m c i e n t 舶mn e g a t i v et op o s i t i v e ，u n d e r c u t a l w a y so c c u r si nt i gm o v e l e s s 、v e l d i n g ，a n dn o to c c u r sw h e nt 1 1 ec o n t e n to fsi ni r o n i sv e r yl o w ( f o re x 锄p l e ，s i sl e s st h a no 0 1 ) t h et 唧e r a t u r eg r a d i e n ti s t 1 1 em o s ti m p o n a mf h c t o rw h i c hi n f l u e n c e sm e d e p mo fm d e r c u t 1 1 1 ed e 呻o fu n d e r c u ti sb i g g e r 、v i t hm ei n c r e a s i n go ft e n l p e r a t u r e g r a d i e n tw h e nt 1 1 eo t h e rp a r a m e t e r sa r el h es 锄e t h et e n d e n c ya r l dd e p 血o fu n d e r c u t a r eb i g g e ri n 恤ew e l d i n gc o n d i t i o 璐o fb i gc 雌n t 、i t l ls h o r tt i m et 1 1 a 1 1i n 也es m a l l c u r r e n tw i t hl o n gt i m ei nt i gm o v e l e s sw e l d i n g ，a n di ti sb i g g e r1 1 i l d e rh i 曲s p e e d w e l d i n g 撕m1 a r g ec u r r e n tt h a l lu 1 1 d e r l o ws p e e dw e i d i n gw i t hs m a nc u r r e n t b yn c r c a s i n gm o l t e na i l g l e ，t l l em o v e m e n tr e s i s t a l l c eo f1 i q u i dm e t a lo ft h ep o o l a n dt h ec 0 0 1 i n gs p e e dn e a rt h ep e r i p h e r yc o u l db ed e c r e a s e d ，w h i c hr c s t r a i n su n d e r c u t o b v i o u s l y f i l l i n gm e t a li n t 0 、e l d i n gp 0 0 1r e s t r a i n s 也em 0 1 t e nm e t a lm o v e i n g 丹o m p e r i p h e r yt o 也ep o o lc e r l t c r ，w h i c hr e d u c e st 1 1 et e n d e n c yo fu n d e r c u t ，a i l de l i m i n a t e s u n d e r c u tu l t i m a t e l y i tw a si n d i c a t e db ys i m u l a t i o na 1 1 de x p e r i m e n t s 也a tm eb i g g e s td e p t hc r o s s i i i 北京工业大学工学博士学位论文 s e c t i o ni ss e p a r a t e d 丘d mt h eb i g g e s tw i d t hc r o s ss e c t i o nb e c a u s eo fi n c r e a s e dw e l d i n g s p e e d t h er a t i oo fw e l dd 印t 1 1a n d 谢d t l li sn o ta b l et od e s c r i b et l l er e a lt i m ew e l d i n g p o o lc o n d i t i o n s ot h ew e l d i n gp o o lc a nb ed i v i d e d ，b ym et w os e c t i o n s ，i n t ot h r e e p a r t s ：t h en r s tp a ni sm e l t i n ga r e a ，吐l es e c t i o ni nf r o mo ft l eb i 鸥e s t 谢d t hc r o s s s e c t i o n t h em i d d l ep a 巩b e t w e e n 也eb i g g e s tw i d u lc r o s ss e c t i o na n d 也eb i g g e s t d e p 恤c r o s ss e c t i o n ，w h e r et 1 1 el i q u i dm e 诅ln e a r 也ep e r i p 呻i ss o l i d i f i e da i l dt l l e b o t t o mo f p 0 0 1i sm e l tc o n t i n u o u s l y a n dt l l et 1 1 i r dp a n ，b e h i n dt h eb i g g e s td e p t hc r o s s s e c t i o n i nw h e r et 1 1 eu n d e r c u to c c u r s an e wc o n c e p tn a m e dd y n 锄i cr a t i oo fd e p ma i l d 谢d t h 、v a sd e f i n e di n 也i s p a p e r ：t h er a t i oo f d e p t ha n dw i d mi nm eb i g g e s t 、v i d t hs e c 廿o no f w e l d i n gp 0 0 1 ni s s i g n i f i c a n tt od e s c r i b et h eh i 曲s p e e dw e l d i l l gp 0 0 1a c c u r a t e l y t h eh e a t i n gs o u r c ep a t t e ma f f b c t st h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dd y n a m i cm t i oo f d e p 幽a n dw i d t ho fw e l d i i l gp o o lg r e a t l y w h e na i la r ci sc o m p r e s s e dt oe l l i p s eb y e l e c t r i cm a g n e t i cf i e l da 1 1 dm ew e l d i i l gd i r e c t i o ni sa l o n g 1 em a j o ra ) 【i so fe l l i p s e ，o r d o u b l ea r c sa r ea r r a l l g e di nt 1 1 ew e l d i n gd i r e c t i o n ，也et e m p e r 舭g r a d i e mw i l lb e d c c r e a s e d 孕e a t ly ，a n d 也ed y n 锄i cr a t i oo fd 印ma i l d 晰d t i l 砸l lb ei n c r e a s e d s o1 1 1 e u n d e r c u ti sr e s t r a i n e d ，a n dt h ew e l d i n gs p e e dc a nb ei n c r e a s e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fu im o d ec o n t r o ls t r a t e g y ，w h e nt h ep u l s ev 0 1 t a g ei s3 6 v a n dt h ed i a m c t e ro f 埘r ei s1 2 m m ，t l l ed r o p l e tt r a n s f e r i sn o ts t a b l ew h e nt l l ep u l s e t i m ei sl e s st h a n2 1 m s ，a n d “o n ep u l s eo n cd r o p l e t i so b t a i n e dw h e nt 1 1 ep u l s et i m ei s b e t w e e n2 2 m s 一3 2 m s ，”o n ep u l s em o r ed r o p l e t s ”i so b t a i l l e dw h e n 恤p u l s et i m ei s l o n g e rt h a i l3 2 m s ni sd e m o n s t r a t e db yw e l d i n ge x p e r i m e n t sa 1 1 dp a r 锄e t e ro p t i m i z a t i o n ：t h e c 订t c i a lw e l d i n gs p e e dg e t sb i g g e r 血1 h l d e mw e l d i n gt h a ni ns i n 醇ea 托、e l d i n gu n d e r t l l es a m ew e l d i n gc u r r e m ，b e c a u s et l l ed y n 锄i cr a t i oo fd e p 出a n dw i d t hi sb i g g e r ，a 1 1 d 血et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti ss m a l l e ri nt a n d e mw e l d i n g 也a nt h a ti ns i n 9 1 ea r cw e l d i n g ad o u b l em i g m a gw e l d i n gs y s t e m 、v a 5b u i l tb a s e do ns i n g l ec h i p8 0 c 1 9 6 k c i t i sr e a l i z e db ys o f c w a r et oa d j u s tt h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，p r o g r a m ，m e a s u r ea n d d i s p l a yw e l d i n gv o l 诅g ea n d 吼u t e n t a n d 廿l et w op o w e rs o u r c e sc a nc o m m u n i c a t e i v a 1 1 d 、v o r ki nc o o r d i n a t i o n ，a n d 血ep h a s ea n g l ec a l lb ea d j u s t e d 丘o m0t o1 8 0 。t h e w e l d i i l gs p e e dc a l lb em o r em a n3 瑚m i n k e yw o r d sh i g hs p e e dw e l d i n g ；u n d e r c u t ；s u r f a c et e n s i o n ；t e m p e r a t u r e 簪a d i e n t v 一 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。 签名觯吼 关于论文使用授权的说明 k 厶二毡s 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：导师签名：鹾玺嚼簪钌 日期：幺：! 墨 肼 1 1 引言 第1 章绪论 伴随着经济一体化和技术全球化的发展，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，已经成为诸如车辆、造船、集装箱、钢结构等许多领 域中企业提高核心竞争力的最重要因索，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“13 。正园如 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”。“。 在人类发展史上留下辉煌篇章的重大工程，如美国的登月计划，俄罗斯的宇 宙飞船，中国的三峡水利工程、西气东输工程、“神舟”号载人飞船等，无不是 采用焊接结构。以鹾气东输工程为例，全长约4 3 0 0 公里的输气管道，焊接接头 的数量达3 5 万个以上“1 。离开焊接，简直无法想象如何完成这样的工程。 同时，焊接技术在当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术( 诸 如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等) 的推动 下，技术含量得到了空前的提高，已经向自动化、机器人化、智能化、高效化等 方向快速发展”1 。 市场竞争的激烈，生产节奏的加快，使得焊接自动化的目的已经不仅仅停留 在简单的用机器焊接代替手工劳动，而是在降低工人劳动强度、提高焊接质量稳 定性的同时，提高焊接生产效率缩短工作周期，降低生产成本。因而，高效化 焊接工艺的研究以及其焊接设备的开发就成了焊接工作者近年来最重要的课题 之一。 实现高效化焊接可以有多种途径，但大致可分为高熔敷率焊接( 主要用于厚 板焊接) 和高速焊接( 主要用于薄板焊接) 两大类。 1 2 高熔敷率焊接工艺 高熔敷率焊接，主要目标是提高焊材的填充速度。以适应厚板焊接时以填充 高熔敷率焊接，主要目标是提高焊材的填充速度，以适应厚板焊接时以填充 北京工业大学 ：学博士学位论文 焊接材料速度为主要矛盾的场合。 在焊接厚板时，总是希望能采用更大的送丝速度，提高熔敷速率。多年的研 究表明，提高熔敷效率有多种途径，下面分而述之。 1 2 1 改进焊接材料实现高熔敷率焊接 1 2 1 1 使用药芯焊丝提高熔敷速率。”3 目前，在通过改进焊接材料提高 熔敷效率的手段中，应用最为广 泛的是采用药芯焊丝替代实芯 焊丝。特别是采用金属粉芯焊 丝，在提高焊接接头的机械性能 的基础上，可以有效地提高熔敷 速率，见图卜1 ，其已经广泛的 应用在造船等行业，取得了良好 的经济效益和社会效益，并有应 用越来越广、用量越来越大的趋 势，已经成为新一代的焊接材 料。 1 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 焊接电流胎 图1 - 1 药芯焊丝与实芯焊丝填充对比 f 培l 1f i l l i n gr a t i o0 nd e p o s n i o n 五 巾1 6 m mc o r e dw i r ea n ds 0 1 i dw i r e 缱 1 2 1 2 改变保护气体成分提高焊接熔敷率提高熔敷速率的另一重要途径是 调整保护气体的成分“7 1 。m i g m a g 焊在电流很大时，熔滴过渡将由射流过渡转 变为旋转射流过渡。这时焊丝端头十分柔软，由于金属蒸汽从焊丝侧面蒸发，造 成焊丝端部旋转，同时伴随着很大的飞溅，成形恶化，过程不稳定。传统观点认 为，处于这个区间的焊接规范和熔滴过渡形式不可用于实际焊接生产，焊丝的熔 敷速度受到限制。 然而，近年来通过改变保护气体成分，可以提高焊接的临界电流，使得旋转 射流过渡形态滞后出现，或者使旋转的幅度稳定，增加了可用焊接电流上限，从 而大幅提高了焊丝的熔敷效率。同时，采用旋转射流过渡时，电弧的加热面积较 大，恰好克服了射流过渡极容易形成指状熔深的缺陷。当焊接角焊缝时，电弧力 的作用使得侧板的熔深较大，可以使焊缝的宽度增大。在对接焊缝中，旋转射流 4 2 o 8 6 4 2 0 悬jx越删巅蝰 第1 苹绪论 过渡可以使焊缝平坦，焊缝和母材的过渡圆滑，在抵抗疲劳载荷时甚至可以取代 t i g 焊接工艺。 ( 1 ) r a p i di 【i e l t 工艺r a p i dm e l t 工艺“7 1 是由a g a 公司开发的新的焊接 方法，它通过改变送丝速度、焊丝伸出长度、电弧电压和保护气体成分等参数， 使得焊接过程可以稳定的工作在旋转射流过渡阶段。在保证焊接质量的前提下， 有效的提高焊接熔敷速率。 该工艺实质上是常规m i g m a g 焊接工艺的延伸，熔敷速率可以达到1 0 2 0 蚝h ，相对于传统工艺的最大约8 k g h 的熔敷速度，其效率提高一倍以上。 ( 2 ) t i m e 焊接工艺t i m e 焊接工艺。”2 1 是又一种通过改变保护气 体成分实现高效化焊接的工艺。它由加拿大人j c h u r c h1 9 8 0 年发明，并于后来 的几年内，在日本和加拿大应用于实际焊接。1 9 9 0 年，在维也纳焊接商贸博览 会上，该工艺首次引入欧洲，f r o n i u s 取得了在欧洲市场的专利权。 t i m e 焊接工艺是在传统的m a g 焊的基础上，通过使用含量分别为o 5 0 2 、 8 c 吼、2 6 5 h e 、6 5 a r 的特制气体作为保护气体，有效的解决了焊接临界 电流问题，使得焊接时最大送丝速度由传统眦g m a 6 焊的小于2 0 m m i n 提高到 50 i i l 1 1 】i n 以上，大幅提高了焊接熔敷率。例如，用直径1 2 m 低碳钢焊丝，传统 m a g 焊最大许用电流约为4 5 0 a ，最高送丝速度1 6 m m i n ，熔敷速度8 1 k g h 。而 t i m e 焊工艺，用1 2 嘲焊丝，许用电流可达7 0 0 a ，最高送丝速度达5 0 m 瑚i n ， 熔敷速度可达2 5 k g h ，其熔敷金属速率几乎是原来的3 倍。表卜l 列出了t i m e 焊接工艺与传统m a g 焊接工艺的对比数据。 t i m e 焊工艺在工程实际中得到了较多的应用，但是由于氦气的加入以及 采用多元混合气体，大大提高了保护气体的成本。而我国又是一个氦气资源十分 贫乏的国家，因此t i m e 焊接工艺在我国的推广和应用受到一定的限制。 表卜1t i m e 焊接工艺和传统i i a g 焊接工艺对比 t a b l e l - 1c 0 m p 撕s o nb e t w e e nt i m ea n dc o n v e m i o n a lm a gw e l d i n gt e c h n o l o g y 焊接方法焊丝干伸长送丝速度焊丝直径许用最大电流最大熔敷率 l ( m )v f ( m m i n )d ( m )i 峨( a )v o ( g m i n ) 传统m g 1 0 1 52 一一1 81 24 0 04 t i m e 焊接2 0 一一3 52 一一5 0 1 2 7 0 04 5 0 北京工业大学工学博士学位论文 1 2 1 3 焊接过程中添加金属粉末在焊接过程中，向电弧和熔池区添加金属 粉末，在不增加电弧能量的前提下，可提高熔敷率3 0 5 0 2 “。该方法多用于 埋弧焊，也有应用在熔化极气体保护焊的报道。在添加金属粉末工艺中，关键的 因素是金属颗粒的大小，早期使用的多是金属大颗粒，甚至是切断的焊丝，应用 的效果不是很理想。随着技术的进步，填充金属的颗粒直径愈来愈小，它的优点 逐步显现出来。h o g a n a s 公司研制成功了一种颗粒非常细小的金属粉，在焊接过 程中可以被电弧的吹力吹到电弧的四周，使金属粉不仅在电弧内熔化，在四周也 同时熔化，大大提高了电弧能量的利用率，在提高熔敷率的同时，还增加了接头 的机械性能。 1 2 2 采用磁控电弧提高焊接熔敷速率 针对t i m e 焊接工艺成本较高的缺点，通过选用少氦或者无氦的价格低廉 的混合气体，取代价格昂贵的三元或四元富氦气体，再辅助其它的工艺措施，提 高电弧的稳定性，从而改善熔滴过渡状态，拓展焊接规范的使用范围，这对实现 在细丝大电流情况下的稳定的旋转射流过渡，进而实现高效焊接工艺，具有十分 重要的现实意义。 北京工业大学在这个方面进行了深入的研究，将磁场控制技术运用到细丝大 电流m a g 焊接过程中，实现了在连续大电流的区间获得稳定的无氦保护的低成本 高效m a g 焊接新工艺“。 运用电磁作用原理控制电弧已经不是新技术，但通过外加磁场改变焊接过程 中焊接电弧与焊丝端部液态金属的形状，控制焊接电弧和焊丝端部液态金属的运 i r i 图卜2 外加磁场矢量和焊接电流矢量示意图 f i g 1 2v e c t o r so fe x t r am a g n e t i cf i e l da n d w e l d i n gc u r r e n t 图卜3 焊接电弧的空间螺旋线运动 f i g 1 3r o t a t i n gm o v e m e n to fw e l d i n ga r c 动，进而控制熔滴过渡，实现在无h e 气的条件下的高熔敷率焊接，还是一种新 的尝试。 磁控高效焊接原理示意如图卜2 。旋转射流过渡时，流过液流束的焊接电 流可以分解成焊丝轴线方向的分量五和焊丝径向方向分量的昂。同理，外加磁 场也可以分解成焊丝轴线方向的巨和焊丝径向的耳。其中庐为液流束的偏转角 度，妒为外加磁场的发散角。这样，就存在着两个作用力：一个是焊接电流的径 向分量和外加磁场的轴向分量巨相互作用而产生的露，另一个是焊接电流的 轴向分量t 和外加磁场的径向分量耳相互作用产生的作用力瓦。再、丘方向相 反，作用在同一条直线上，该点处的液态金属受到的磁场作用的合力为： f = e e f = e r = ，s i n b c o s 伊一，c o s b s i n 9 = z 8 ( s i n c o s 妒一c o s s i n 妒) = 佃s i n ( 一妒) 如果外加磁场轴向性很好，则有庐 妒，也即f 0 ，即e e ，焊丝端部的 液态金属将受到逆时针方向的合力作用，使其逆时针方向旋转。反之亦然。由于 液流束的运动同时还受到气动阻力的作用，当三个力达到平衡时，液流束便以一 定的频率作旋转运动，为我们提供了一个通过对外加磁场的控制和调整来实现焊 接过程中旋转射流过渡过程的控制途径。 实际焊接照片如图卜3 。在稳定的旋转射流过渡条件下，其送丝速度可达 4 5 m m i n ，熔敖效率可达2 5 k g h 以上，大幅提高了焊接熔敷率。 1 2 3 带极气体保护焊接 带极气体保护焊也是一种实现高熔敷率的焊接工艺方法，其工艺本质与一般 气体保护焊并无质的区别，主要是把圆形电极改变成了带状电极，在采取了相应 措施的基础上，实现了提高焊接熔敷率的目的。”。其焊枪外形如图卜4 所示。带 状焊丝是一种新的高效g 姒焊接工艺，其熔敷率超过1 l k g h 。 由于带极气体保护焊复杂的送丝机构，以及带极的柔韧性较差，使用带极焊 丝焊接时最好用于自动焊接操作设备。 图1 - 4 带极焊接的焊枪结构 f i g 1 - 4s t m c 钆r eo f w e l d i n gt o r c hf o r b e l te l e c 订o d e 1 2 4 助焊剂t i g 焊技术( a t i g ) 助焊剂t i g 焊技术最早是由前苏联巴顿焊接研究所( p w i ) 在2 0 世纪6 0 年 代开发的技术，它是使用特殊研制的助焊剂( 或称活性剂) ，焊接前涂在被焊工 件的表面，使用普通的焊接设备和规范就可以焊接，一般可提高熔深一倍以上。 对于薄板焊接可减小焊接规范，或者增加焊接速度。对于厚板焊接，在焊接规范 不变的条件下，可大幅提高焊接熔深，提高焊接效率，降低生产成本。同时由于 焊接热输入量减小，改善了焊缝和热影响区的组织性能。如厚度为1 2 m m 的不锈 钢可一次焊透，而且正面焊缝宽度不增加。图卜5 示出了6 m 厚度不锈钢板使用 t i g 焊和a t i g 焊的熔深对比情况。”。 图l - 5 t i g 焊与a t i g 焊熔深对比 f i g 1 5w b l dd e p 也o f n ga 1 1 d a - t i g b 1 a t i g 第l 覃绪论 关于相关的原理问题，有多种解释。如电弧收缩理论，认为在加入助焊剂 后，电弧明显收缩，从而增加熔深。阳极斑点理论，认为加入助焊剂后阳极斑点 明显收缩，产生较大熔深。还有表面张力理论，认为助焊剂的加入使得熔池的表 面张力系数由负值变为正值，从而改变了熔池金属的流动方向( 由原来的从中间 向周围流动变为由周围向中间流动) ，改变了传热状态，形成了较大的熔深。 1 2 5 窄间隙焊接 窄间隙焊是从减小焊缝填充金属量的角度实现的高效化焊接。”2 ”。 1 3 高速焊接工艺 传统的m i g m a g 焊的实际焊接速度一般在0 3 o 5 m m i n 。7 。矧，提高焊接速 度后，会产生咬边、未熔合等焊接缺陷，甚至出现驼峰焊道“+ 。2 ”，使得焊缝的成 形很差，无法投入实际使用。然而，对于薄板焊接来说，提高焊接速度，是提高 焊接生产率的关键环节之一，特别是在焊接机械化、自动化、焊接机器人的应用 越来越多的情况下，提高焊接速度更是充分发挥其优势，挖掘生产潜力的关键环 节。 通常认为，焊接速度在1 m m i n 以上就可认为是高速焊接“1 1 。 研究表明，提高m i g m a g 焊工艺的焊接速度的主要途径有三个：一是通过 改变焊接材料的性能实现高速焊接；二是通过改善焊接设备、电流波形和工艺参 数实现高速焊接；三是通过工艺的复合实现高速焊接。 1 3 1 通过焊接材料的改进实现高速焊接 通过对焊接材料的改进，如改变保护气体成分，或者改变焊丝的成分等， 均可一定程度地提高焊接速度。 通过改变保护气体成分，对提高焊接速度会有一定的作用，其中比较成功的 是瑞典的a g a 公司的r a p i da r c 焊接法“。它采用高速送丝、大干伸长和专用保 护气体，熔池的润湿性较好，焊缝平坦，过渡圆滑。r a p i da r c 焊接法专门用于 焊接薄板，可在1 2 m m i n 的焊接速度下焊接而不出现成形缺陷，比传统的 北京工业大学工学博士学位论文 m i g m a g 焊接速度提高2 3 倍。这种焊接方法已经成功地在欧洲市场上得到推 广。 日本神户制铜则选择了另一条途径，在焊丝成份上采取措施，特别推出了高 速焊接专用焊丝m i x i p s ，通过加入合金元素，使得熔滴的表面张力和粘度降低， 增强了润湿性，通过焊丝表面处理等措施，促进了电弧喷射过渡的实现。与原来 的焊丝相比，焊接速度可达到原来的1 5 倍以上。“。 由上可见，通过改变焊接材料的方法提高焊接速度的主要原理是增强了熔池 与母材之间的润湿性，在不出现咬边的前提下实现焊接速度的提高。 1 3 2 通过焊接工艺参数的改进实现高速焊接 传统的气体保护焊机，由于技术的局限和对焊接工艺的认识不足，一般采 用平硬的电源外特性输出，以便充分利用电弧的自身调节特性维持电弧的稳定燃 烧。随着焊接电源技术的改进，特别是电力电子技术的快速发展，使得气体保护 焊工艺的控制发生了质的变化，由原来的以平均焊接规范为主要衡量指标变成了 可以及时控制焊接参数以满足焊接电弧的实时控制要求，这也就是波形控制方法 1 3 2 1 采用短路过渡实现高速焊接欧洲某公司通过对焊接电流波形控制的 改进，实现了焊接速度的显著提高。 它生产的焊机，其工作电流波形如 图卜6 所示。在短路时电流沿直线 上升，使熔滴迅速产生颈缩，短路 过程迅速结束，实现过渡。而在燃 弧阶段，提高基值电流，燃弧能量 增大，焊缝在母材表面铺展较好， 不易产生咬边缺陷。采用该种方式 可以使焊接速度提高到m m 讥 暑：麓黧鼎兰篙? 黧岫 但这种控制方式的短路电流上升较 ，：l o o a d i v f ：2 0 m s d i v 快，在发生颈缩时焊接电流较大，因而产生的飞溅也较大。 1 3 2 2 采用中频脉冲焊实现高速焊接亚洲某公司开发了专用的高速熔化极 第1 苹鳍论 气体保护焊机，采用纯c o 。或者富 氩保护气体。该焊机采用脉冲控制 方式，电弧具有良好的自身调节能 力，可以保证在电弧长度很短时稳 定工作。通过大量的工艺实验，找 出了适合高速焊接的工作区间。据 文献报道，该机在5 0 0 a ，3 4 v 的规 范下焊接3 2 柚的搭接焊焊缝，焊 图1 7 亚洲公司的高速焊机工作波形 接速度可达到3 m m i n 3 。如图卜7 f 培1 _ 7w a v e f o 丌n so f w e l d i n gm a c h i n e 10 0 a ，d j v 砂2 0 v ，d i vf ：2 m s ，d i v 所示为该焊机的工作电流电压波 形。该法采用脉冲电压控制配合基值电流控制，既保证了很好的电弧自身调节作 用，又实现了脉冲焊控制熔滴过渡的效果。脉冲的作用对熔池有较强的压迫作用， 阻止熔敷金属向中间聚集，防止了咬边的产生。 1 3 2 3 北京工业大学的研究工作在北京自然科学基金的资助下，北京工业 大学进行了“高速熔化极气体保护焊电弧行为研究与电弧稳定性控制”课题的研 究工作，针对高速焊时最易出现的焊接缺陷( 咬边等) 的形成机理进行了深入研 图卜8 北工大的高速焊机电流电压波形 f i g 1 8w a v e f o r m so fc u r r e n ta n d v o l t a g eo fb j u tw e l d i n gm a c h i n e 土1 0 0 a ，d i v 1 0 v d i vf ：2 0 m s d i v 瓷 蛙i - 脚 图1 9 短路电流波形 f i g 1 9w a v ep a n e mo f s h o r tc i r c u nc u r r e 眦 究，采用波形控制方式实现了高速焊接。当采用8 2 a r + 1 8 c o ：做保护气体时， 表面堆焊时焊接速度可达2 m m i n 。该焊机在实际焊接时不但飞溅小，而且焊 接规范区间宽，在大电流下可以稳定焊接。其焊接波形如图卜8 、图卜9 所示。 主要特点是：在短路初始时，保持较低的电流，防止瞬时短路和出现较大的飞溅， 随后电流以较快速度上升( k ，段) ，保证熔滴尽快形成颈缩，具备了k e m p p i 焊机 焊接电流上升速度快的特点。然后焊接电流阱较慢速度上升( 段) ，控制颈缩 后期的短路峰值电流，防止小桥爆断时造成过大的冲击力，以减少飞溅。该法不 同于常规焊机，通过控制燃弧电流下降速度，保证电弧的自身调节和熔池受到较 小的扰动，焊接过程稳定。 图卜l o 高速焊的焊缝截面图 f i g 1 1 0w e l d b e a dc r o s ss e c t i o n 图1 1 1 焊缝的正面和背面成型 f i g 1 w e l db e a d 印p e a r m c e 运用该波形控制，焊接1 6 硼钢板对接焊缝时，焊接速度可达1 5 m m i n ， 焊接质量良好，不仅没有咬边，而且背面熔透均匀，如图卜1 0 、图卜1 l 所示。 1 3 3 通过工艺的复合实现高速焊接 长期的研究表明，通过改变焊接参数或者焊接材料成分等方法提高焊接速度 能收到一定的效果，在实际中也得到了较好的应用。但是，其焊接速度由于工艺 本身的局限很难进一步提高，一般实际应用很难突破2 m m i n 。因而寻找新的途 径提高焊接速度就成为自然的想法。 复合工艺法实现高速焊接就是成功的途径。把相同或不同的焊接工艺通过复 合的办法形成新的焊接工艺后，可以大幅提高焊接速度，其最高焊接速度可以达 到8 m i n 口”。 第1 章绪论 1 3 3 1 采用多丝焊接方法以提高焊接速度为研究目标的藤村浩史先生( 日 本) 进行了大胆的尝试。他采用同一个焊炬同时输送三根焊丝的方法，各焊丝之 间相互绝缘。”。为了避免三根焊丝之间的相互干扰，藤村采用电流相位控制的脉 冲焊接方式，电弧在三根焊丝上轮流燃烧，以保证焊接过程的稳定。采用这种方 式，焊接速度可以达到1 8 m m i n ，取得了一定的效果。如图卜1 2 所示。但是该工 艺要使用三根焊丝，焊接设备比较复杂，所以没有得到广泛应用。 图1 - 1 2 三丝焊接工艺示意图 f i gl - 1 2w p l ew i r cw e l d i n g 1 3 3 2 双丝m a g 焊工艺在5 4 届1 1 w 年会上，日本发表了双丝m a g 焊工艺侧， 示意如图卜1 3 。其原理是前面的焊丝产生电弧，后面的填充丝直接插入熔池，焊 接电流有一小部分通过填充丝流入 地线。通过利用单丝焊接时熔池过热+ 一i 多余的热量来熔化附加填充丝，增加 熔敷率，同时用大电流焊接实现了提 高焊接速度的目的。由于填充丝吸收 了部分热量，在焊接电流较大、焊接 速度较快时，母材热影响区的热输入 减少，防止了过热，改善了焊缝性能。 同时，由于附加丝的填充，减小了咬 边的倾向，改善了焊缝成型。 + 一焊接方向 圈l - 1 3 双丝m a g 焊工艺示意图 f i g 1 - 13d o u b l e - w i r em a gw e l d i n g 北京工业大学工学博士学位论文 图卜1 4 激光一州i g 复合焊示意图 f 培1 - 1 4l 孙e 卜m 1 gh y b n dw e l d i n g 1 3 3 3 激光一m i g 复合焊接近年来发展起来的一项激光一m i g 复合焊接技 术。通过两个焊接工艺的复合，在发挥激光焊接速度快、熔深大等优点的基础上， 又融入了m i g 焊搭桥能力强、工件装配要求相对低的特点，实现了发挥各自优势 的目的”，如图卜1 4 。激光复合焊技术并不是两种焊接方法依次作用，而是两 种焊接方法同时作用于焊接区。激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊的性 能参数。激光复合焊提高了焊接熔深和焊接速度，实际焊接速度可达2 4 m m i n ， 在最优的情况下可达4 m i n 以上。不同工艺的焊接结果示意如图卜1 5 所示。可 以看到复合焊焊缝处于两