（材料加工工程专业论文）ui方式脉冲mag焊的研究（双丝mag焊前期研究）.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文( 摘要) 摘要 随羲世界经济的发鼹，如何提高焊接鸵生产效率残为各攘关垒监掰耍辩决 的主要问题之一。双丝m i g m a g 是一种提高焊接效率的新型焊接工艺，它具 有焊接速度高，熔敷率离，线能爨小等诸多特点。国舶对其避孝子了一定雏磅究 ：二作，但是国内蕾拜究甚少，而且闳外该种工艺所用的设备价格离昂，因此对其 在国内广泛应用非常不利。本课题旨在对双丝m g ，m a g 焊接系统进行旃裁磅 究，郎对敞丝理论方面的探讨和对双丝焊接所用的u i 方式的脉冲m a g 焊接过 程的稳定性的研究以及双丝m i g 删a g 焊接系统的建立。 首先，在对籀关理论润题分车行的基础上设计双丝m i g m a 0 焊接方案。从 电弧和熔滴过渡角度分析了用于双丝的脉冲g m a w 的特点；从熔池角度指出双 丝挥可以解决鬻麓焊接方法提高辉速后新带来静闷题。总结出如采参数设置不 当，就会内于电弧间的相互干扰黼使焊接过程不稳，因此可以采用交替脉冲的 方法力图减，l 、毫疆戆于我程痰。在慧钵设诗方寒中焊接逛源燕主纂部分。、壹于 常规i i 方式脉冲焊自身控制特点不适合于双丝焊接，因此本系统采用u 。i 方式 的敬砖滓毫源，势为其竣诗了脓砖控裁系统。 其次，根据总体设计方案，设计出了电源各部分电路，包括以逆变器为核 心款电源主窀路、以单片壤检测羧铡帮p w m 必核心戆奄滚控锈逛鼹部分。控 制电路中还包括了驱动电路、保护电路、丽板电路、送丝机调速电路和双机通 信电路，并利用单片枧的软馋实玟了电滚瞧压静绘定、魁彦控铡等各辫功麓。 最后，对电源进行了波形测试，通过改变参数调节出所需要的外特性，获 德较好蛉勘态响皮性能。遐过单丝工艺实验寻找u l 方式欺冲参数黠熔漩过渡 的影响规律，并建立了双熊焊接系统，经过初步实验实现突替脉冲电流的输出， 对下一步的双丝实验提出了建议。 总之，本课题研制了蠲于双丝m i g m a g 焊接的u i 方式脉冲焊电源，并 得出这种工艺形式脉冲参数对熔滴过渡稳定性的影响规镎，又建立了殿丝烬接 系统，为下一阶段的研究工作骰了必要的准备。 美键词嵩效；双丝；脓狰络纯极气保护辫；熔滴过渡 北京工业大学工学硕士学位论文( a b s t r a “) a 8 s t r a c t w i t h搬o d e v 秘o p m e 嫩o f 馥e w o r l d s e e o 姓。羔疆爵 氧o w o i m p v e 逊e p r o d u c t i v j l y 0 fw e 】dw a so n eo ft b em o s tj n l p o r a 小p r o b 】e m so ff h er e 】e v a n t e 建t 。渺 s e s 1 争w i 抟m i d m a gi san e ww e l 矗i n g 挺c h n o l 。g yt 。i m p r 。v ew e i 罐 e 币c i e n c y ，i t sc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gh i g ht r a v e ls p e e d ，h i g hd e p o s i t i o nr a t e sa n d l ( wl i n 8e n e 增弘e t e 。m 最强ye o t 王n t r i e sh 矗v ed 。n es o m of e s e a r c hw o 疲o n 造b u l 穗o u r c ( ) u n t r ys t u d ya b o mi t i s v e r y f ew t h e e q u i p m e n to ft h i st e c h n o l o g y i s v e r y c x p e n s i v ei nf o r e i g nc o u n l i e s ，a n di ti s n tb e n e 羲c i a lt oi t ss p r e a d i n gi no u rc o u n 拄y b ep a p e r ；st om a k ef f u n d a m e n t a i s t u d yo ft w o w i r em i ( 打m a gw e l d i n gs y s t e m ， l n q u f 辩i n t 。t h et h e o r yo f t w o w i r em l ( m a g s t u d yt h es t a b i l i t yo fu lp u l s eu s e d i nt w o w i f ew e l d i n ga n db u i l dt h et w o w i r em i 耐m a g w e l d i n gs y s t e m f r s to fa l l ，t h er e l a t e dt h e o r i e sw e r e a n a l y z 。da n do nt h e s eb a s e sl h et w o - w i r c 麓1 g 獬a g w o l d i n g s c h e m ew a s d e s i g n e d f r o ml h ep o i n 专o fa r c 氇n dd r o p e t 打a n s 纯r ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p u l s eg m a wu s e di nt w o w i r ew a s a n a l y z e d f f o mt h ep o i n t o f w e l dp o o l ，t w o 一诚豫w e 撼i 搬ge 躺f e s o l v e 氇eq u o s t i o n s 豫s u l t 8 d 纛o mi m p r o v i n gt h e w c k i i n gs p e e do ft r a d i t i o n a lw e l d i n g i ft h ep a r a m e t e rw a su n p r o p e r t h ow e k i i n g b e e s sw a su n s t 痨l 。b e c a 醢s eo f 畦搀a r c s 硅i s 抛婚e a e ho t b e ts ow e u 撼t 农es b i 最 1 ) h a s ep u l s e t or e d u c et h ed e g r e eo fa r c 。sd i s t u r b a n c e t h ep o w e rs o u r c ew a 8t h em a i n p 3 娃i nt o t a ld e s i g ns e h o 珏e ，a n d 拄越i 畦。髓l l l p 醢l s ew e ! d i n g 薅l o d ow a su n 螽tf 。r t 、v o w i r e w e l d i n gb e c a u s eo fi t so u t p u f c h a r a c t e r i s t i c s s ou * l p u l s e m o d ew a s 墨蘸 ，t e a ，韪n dp u l s e e 8 n t l $ e h e m ew a s d e s 逗n 文 s e c o n d l y ，b a s e do nt o t a ld e s i g n e ds c h e m e ，w ed e s i g n e dm a i nc i r c u i tw h o s e c 。r e 弧i n v e 娃镐a n de o n 拓o lc 酞城谢1 0 e o r e 转恕蚶玎g 蝴dc o 珏的l l i n go fm c u a n d p w m i nc o n t m lc i r c u i t ，“i n c l u d sd r i v i l l gc i r c u i l ，p r o t e c t i o nc i r c u i t ，b o a r dc i r c u i t ， t i n 豫gc 沁u i to f 受e d e fa n d 瓠一磁e uc o 戤s 砖e 酞娃i t 觚dt h e 触l c t i o no f r e 受r e 柏c es i g n a lo fo u t p u tc u r r e n ta n dv 0 1 t a g e ，t i m eo r d e rc o n t r o i ，e t cw a sr e a l i z e d t 时。驻g hs o f ￥w 8 辩o f m c u 。 n a i l ) ， w a v e f o r mo fc u r r e n ta n dv o l t a g ew a st e s t e d ，o u t p u tc h a r a c t e r i co f l i 北京工业大学工学硕士学位论文( a b s t r a c t ) p o w e r s o u r c ew en e e d e dw a s g o tb ya d j u s t i n gp a r a m e t e r s a n d g o o dd y n a m i c r e s p o n d e n c e c h a r a c e r i s t i cw a sg o t w ef b u n do u t b ys i n g l e w j r e w e 】d i n g e s l r w o w i r ew e l d i n gs y s t e mw a sb u i l ta n ds h 讯p h a s 。p u l s ec u r r e n tw a sr e a l i z e d a n d s o m ea d v i c e sw a sg i v e nt o 如et 、v o w i r ew e l d i n g i n b “e e t h i s p a p e rd e v l o p e d u * l p u l s e 、咤l d i n gp o w e rs o u r c e u s e df b r t w o w i r em i g m a gw e l d i n 昌a n df o u n do u tr c l 融i o n s h i pb e t w e e nd r o p l e tt r a n s f e r a n dp o w e rs o u r c ep a r a r n e t e r si nu l p u l s ew e l d 抽gp r o c e s s ，t h e nb u i l tt w o w i r e w e l d i n gs y s t e m k e yw o r d s h i 曲e m c i e n c y ；t w o - w i r e ；p u l s em a g ；d r o p l e t t r a n s f e r i i i 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 焊接技术成为现代制造工业的一种基本生产手段已经有6 0 7 0 年的历史 了。众所周知，2 0 世纪3 0 年代中期，焊接在工业中的地位还是微不足道的，而 今天焊接在世界工业和科技发展中却有着举足轻重的影响，焊接已被广泛应用 于航天航空、原子能、造船、交通车辆、机械制造等部门。可以毫不夸大地说， 没有现代焊接方法的发展，就不会有现代工业和科学的今天，一个国家的焊接 技术发展水平往往也是一个国家工业和科学现代化发展的一个标志。 近年来，全球制造工业的形势变得越来越严峻，竞争越来越激烈，为了提 高产品的竞争力，各公司坚持不懈地寻找降低生产成本、提高生产率的新技术， 而在大多数制造业中，焊接效率已经成为制约生产率提高的关键因素，进而使 焊接成本占总生产成本的比例加大，这样，提高生产效率，降低焊接生产成本就 成了降低产品成本的主要措施之。 然而，传统的焊接方法已经不能满足日益增长的生产效率需要，迫切要求 出现新的焊接方法或改进原有焊接工艺以提高焊接效率从而提高生产率，也就 是所谓的焊接高效化。自动化技术、人工智能理论等相关学科的长足发展，为 提高焊接生产效率提供了充足的外部条件的同时，焊接方法自身效率的提高成 为影响焊接生产效率提高的主要因素。因此人们就把重点转向高效化焊接工 艺的研究和高效化焊接设备的开发。 目前熔化极气体保护焊( m i g m a g ) 的发展速度越来越快，应用越来越广 泛，它以高效、节能、操作简单方便、便于实现机械化和自动化等特点，在实 际生产中得到广泛的应用，并已经成为手工电弧焊的替代工艺。目前，西欧、 美国和日本等工业发达国家的m i g m a g 焊接工艺占所有焊接工作量的2 3 还要 强【1 j ，3 1 。本课题也旨在对提高熔化极气体保护焊的焊接效率问题进行研究。 本课题作为高效化焊接的研究，已受到焊接领域许多企业的关注。因此， 这也是在国家发展经济的大背景下所选的课题。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 课题理论意义与应用前景 双丝m l g ，m a g 作为高效化的焊接方法，焊接工作人员对它的重视程度越 ，收越高，这种工艺方法为焊接研究人员提供了一条新的提高焊接生产效率的途 狰，又解决了多种焊接时出现的问题，它对于高效化焊接的两个方面，即高速 焰接和高熔敷率焊接，都在不同程度上得到了发展。 高速焊接主要应用在薄板上，现在常规m i g m a g 焊接速度为o 3 05 叫m i n i lj ，在提高焊接速度时会带来一些与常规速度焊接时不同的问题，其中 最主要的是焊缝成型差，出现焊道咬边的现象【4 ，5 】，进一步提高焊接速度会出现 所谓“驼峰”焊道1 4 ，5j ，甚至造成焊缝不连续。采用单丝电流波形控制法，可将 晖速提高到1 15 d m i n 左右。由于单丝焊接提高焊速后仍不能满足生产的实 际需要，成形不甚理想，人们纷纷开始研究高速双丝m i g m a g 焊，要大幅度 提高焊接速度，改善焊缝成形，这也是本课题的研究目的所在。 高熔敷率焊接主要应用在厚板上，现在有一种高性能的m a g 焊称为 iim e 焊接工艺【6 ，可以大幅度提高熔敷率，但是由于此工艺要求大量的氦气 作为保护气体之一，而我国氦气资源匮乏，这必将阻碍该工艺在我国的推广， 因此在我国发展双丝m i g ，m a g 焊接方法用来提高熔敷率具有很重要的实际意 义。 “双丝焊”，就是两根焊丝在较高的焊接速度、相同保护气氛下熔化到同一 个熔池中，由于其独有的双丝特点，与单丝焊相比，有着较为明显的优点【7 。： ( 1 ) 焊接速度高 这是双丝焊最大的优点。由于焊接速度与焊接电流有着很大的关系，如果 单丝焊中焊接电流不够大，也就是说电源没有输出较高的能量，就不能在短时 问内熔化焊丝并使其过渡到母材中，就不能采用较高的焊接速度，如果在相同 焊接电流下提高焊接速度，就有可能使母材熔不透，或焊丝填充量不够，产生 咬边、驼峰等焊接缺陷。因此，为了提高焊接速度，就要增大焊接电流，但是， 焊接电流不能无限的增大，这是因为单丝焊中，随着焊接电流的增大，电弧力 急刷增大，电弧给熔池以很大的压力，造成熔池和电弧的不稳定，直接影响到 焊接质量，从而也就不能大幅度提高焊接速度。而双丝焊较好的解决了这个问 2 第1 章绪论 题，双弧作用于熔池上鲍蕊积相对较大，在目搀能量密发辕入辩媲电弧力鞍小， 双弧对熔池的压强小了许多，使得电弧和熔池鞍为稳定，焊接速度就可以大幅 度提高。袭3 是根据奥地刹f r o n i u s 公弼的产晶应用所傲的单黧焊与联丝焊焊 接速度对比表。 表卜l 焊接速度对比( c m m in ) 角焊缝髑向环缱搭接焊 合金钢及非合愈钢碳钢铝含金碳钢铝合金 a 3a 唾矗5a 6下= 2 m mt = 3 m mt = 2 m m下= 3 m m m a g7 06 04 03 0g o1 0 0 掰i g8 07 0 time 1 0 09 07 06 01 7 01 0 0 双丝缮 1 5 e1 4 g1 2 0 o o3 0 0l ? 02 0 02 0 0 ( 2 热羧入线巍鬟，l 、 双丝在与单熊同样热输入量的条件下，具有较高的焊接速度，熔池相对于 鼙丝较长，因此凌熔洼擎袋长凄上的能爨不是缀大，霹线链量较，l 、。这群在撬 离焊接速度后，减小了焊接接头的热输入率，对薄板焊接起到了很好的控制作 蹦，可以减小母孝葶驰变形燕，提褒热敏孝葶辩的焊接接头强度。 ( 3 ) 抑制焊接缺陷的产生 在双照高速烬过程中，甄个烽丝一懿最，熔池技按长，裁丝主要是囊络 池中添加众属，后丝的熔化可以提高焊道边缘的渝度，改变熔池温度梯度，使表 蕊张力有刹于液体金属向熔池边缘的铺开。因两霹鳃决咬边等焊接缺陷。 正是癌予双缝辅i g 肺a g 本身所具有的诸多伉点。使我们进步研究双丝 m i g m a o 才更有实际意义，因此把双丝焊的优点更好的发挥出来，姆其问题 磺究清楚并我出解决措施，对提商生产效率将会肖很大的帮助作糟。 现在许多企业正是由于现存的焊接方法严重影响了攘条生产线的生产效 率，因魏稳们正在寻我疆离浮接生产效率的方法，本课戆研翩的成功可将其成 果应用在这些企业中，从而可以降低生产成本，提高企业经济效蕊，因此从整 个轻会来葫，本谍麓懿研究可敬馁遴国民经济豹袋震，吴有重要觞经济意义。 3 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 双丝( 多丝) 焊最早是于1 9 4 8 年出现在埋弧焊工艺”】中，而且很快就提 t 耆】了焊接生产率，在熔化极气体保护焊中的应用最早是在1 9 5 5 年，但由于当时 f f ! 源技术的落后，限制了双丝焊的发展。双丝m 】g m a g 焊作为一种可行的高 效焊接方法，目前还只处于发展阶段，大家对这种方法的理解还不完全相同， 列一些具体问题的看法还没有达成共识。 从这种工艺的形式来看，现在主要有两种，一种是t w i na r c ，另一种是 l 钿d e m 。前者以美国m i l l e r ，德国s k s 、b i n z e l 和n i m a r k 公司为代表，后者以 德国的c 1 0 0 s 、奥地利的f r o n i u s 、e s a b 和l i n c l o n 为代表【“。下边主要介绍这 两种形式的工艺特点： i 3 1t w i na r c 系统 这种形式如图1 1 所示，采用两个完全相同的脉冲焊接电源( 也可只使用 个电源) ，两套送丝机构，一个能够容纳两根焊丝的导电嘴( 两根丝不是相互 绝缘的) ，一个熔池。焊接时，两个电源输出脉冲频率相同，双丝通过的电流也 相同，即两根丝以相同的速度熔化到熔池中。1 w i na r c 的优点就是，利用电弧 自身调节，两个电源之间无需协调器，系统相对简单；但它的缺点也很明显， 电弧的可控性差，焊丝间的相互影响力较大，很难精确控制两根焊丝的熔化及 熔滴过渡。 圈l - 11 、v i na r c 焊接系统简图图1 。2t a n d e m 焊接系统简图 4 第l 耄绪论 1 3 2t a n d e m 系统 这稀形式如图1 2 所示，瓷楚采焉两台完全 相同的脉冲焊接电源，两套送熊机构，所不同的 蹙采魇两个互藕绝缘静学龟黉，鼹毫深满还畜 个协同控制器，控制两台电源使焊接过程更加迅 速帮宠蛰。这瑟台毫源，稼狰女量恒定，傈证程 任何电流时，一个脉冲过渡一个熔滴。与t i na r c 系统最大抟不弱就是，d e 蕊系统哥暖镬嚣惫 电源分别设置不同的焊接参数，相互间可以通过 鹜l 一3f f o n u s 公镯双丝焊 两丝电流波形图 图l 一4f r o n i u s 公司双丝焊熔滴过渡形式 协调稚控制，这样就有可能减小毅丝舜大电 流时电弧之间的相互干扰程度。 实际上，瓣裁毽秀上采爱d e m 双丝 焊较为成功的有两大公司，即奥地刹的 f f o n i u s 公司稻薅菡懿c l s 公蠲，不篷嚣公 甍1 5f f o 嘲u s 公司黢丝律 司的产品有些不同。 导电嘴及喷嘴缩构图 ( ) f 。n i u s 公司瓣d 凇系统滓接 过程中，两个电源的脉冲频率必须保证相同，两台电源协同工作，脉冲相位相 差1 8 0 发，当一台电溅处于默净除段对，曼一套刘处予维弧基值电流除段( 如 图1 3 ) ，避免了相互干扰，两根丝的熔滴也是交替过渡到熔池的( 如图l 一4 ) 。 送丝速瘦是可以不圈戆，但差别不驻太大，纛调节脉冲宽度馊鼯根丝的熔化遮 北京工业大学工学硕士学位论文 度保证一致。所用的两根焊丝的材料和直径必须相同，该公司所采用的导电嘴 技喷嘴设计的也比较独特，其中导电嘴如图1 5 所示，该机构的内部弯曲设计 保证了焊丝与导电嘴接触可靠，喷嘴内部设计使两焊丝的位置保证一定的角度 t 如图1 5 ) ，有利于两电弧的稳定性。另外，f r o n i u s 公司t a n d e m 系统的焊接 捌范区间比较窄，不过只要调节合适，就能够获得较为满意的结果。该公司的 这套系统在世界各地的应用比较多，而且应用的领域也较为广泛，如：汽车及 汽车零部件制造、造船业、锅炉及压力容器、钢结构制造、铁路机车车辆制造 5 乏所有堆焊领域都显现出超凡的性能，而且不仅能焊接碳钢、c r n i 合金，还 幢用在焊接铝及铝合金中，效果较好。 。董：曩j 。：_ i。i ! - o 彰蕊z 除：俘，佟、一 - - - l 一- i ，- l - - i 一一- 。_ ：_ 曩_ l _一0量曩 飞1 厂奄。、1 广-队厂飞! 严孓声飞 图卜6c l o o s 公司t 蚰d e m 双丝电流波形图 ( 不同频率、不同相位) 一 _ 卜l l l 烈= ：礤、揆。僚j 冬 。”一一一“f 一。一。一 1 弋熬黼- 缸，：一i ：博 图1 7c 1 0 0 s 公司t a n d e m 双丝电流波形图 ( 同频率、同相位) ( 2 ) 德国c l o o s 公司的1 姐d e m 系统最大焊接速度可达6 州m i n 。焊丝一前 一后，可以采用不同的规范，两个电源的脉冲频率可以不同，如焊接薄板时， 可以一个3 0 0 h z ，而另一个只有2 0 0 h z ；两个焊丝的直径和材料均可不一样； 送丝速度可以相差很大，如一个1 6 州m i n ，另一个只有8 r 肌n i n ：甚至熔滴过渡 形式都可以不同。从焊接过程中所采集的电流波形来看，两电源可以一台处于 6 第1 章绪论 脉冲峰值阶段时，另一台则处于维弧基值电流阶段( 如图1 6 ) ，也可同时处于脉 冲峰值阶段( 如图1 7 ) ，焊接效果同样不错。所以c l o o s 公司协d e m 焊接规范 区间更大，应用更为广泛。 图1 8 单丝与双丝焊接速度对比图 ( 3 ) 除了f r o n i u s 公司和c l o o s 公司以外，e s a b 公司也在研究t a n d e m m i g m a g 焊接系统，并且做了大量的实验，其中包括对接焊，角焊和搭接焊， 并将双丝m i g m a g 与单丝m i g m a g 的焊接速度做了比较，结果如图1 8 所 示，可以看出，无论哪种情况下焊接，双丝焊接速度都有提高。 在其它方面也得出了一些结论【1 7 j ： 通过控制双丝的熔滴过渡形式可以得到较好的焊接效果。用于双丝 m 1 g m a g 的两个焊丝熔滴过渡形式最好都采用脉冲电流的射滴过渡，因为如 果一个是短路过渡，一个是脉冲电流的射滴过渡，脉冲电流射滴过渡的电弧就 有可能受到短路过渡的影响，频繁发生短路。因此，两台电源最好都采用脉冲 m i g m a g 电源。 相比于单丝焊接，随着焊接速度的提高，线能量会有所降低，而熔敷率有稍 许增大。 焊枪的设计也非常重要，通过大量的实验，得出焊枪中两个导电嘴的夹角为 9 度时最好，而且前边的要保持竖直，后边的与前边的夹角为9 度。 不同焊接参数与不同焊枪配置的组合会得到多种可焊规范。 在高速焊时协调两台电源的输出脉冲会有利于改善对熔池的控制 总的来说，双丝焊作为一种高效焊接方法，在国际焊接领域中的发展速度 越来越快，应用范围越来越广，尤其是与焊接机器人的结合，将对整个机械制 造工业起着不可估量的作用。因此，我们需要加快双丝焊的研究步伐，争取早 目赶上国际先进水平。 北京工业大学工学硕：b 学位论文 1 4 相关技术研究进展 1 4 1 高效化焊接技术的发展 1 4 1 1 高熔敷率焊接技术 高熔敷率用于焊接厚板，它能够减少焊接厚板的层数，在某些性能方面可 与埋弧焊相媲美。各国焊接工作者进行了大量的研究工作，总结起来有下面几 手r | i ：疗法： ( 1 ) t 1 m e 焊【6 1 r i me 是以m a g 焊为基础的一种新工艺，显示出了用连续旋转射流过渡 i q 有效的增大焊缝熔宽，提高焊接熔敷率，改善角焊缝与窄间隙焊的焊缝成形 以及对焊件装配间隙不敏感等优点。所谓t i m e 焊接工艺，是t r a n s f e r r e d i ( 、n i z e dm 0 1 t e ne n e r g y 的字头缩写，是由c a n a d aw e l dp r o c e s s 公司的j c h u r d f1 9 8 0 年研制成功的。该工艺采用四元保护气( 氦气、氩气、氧气、二氧化碳) ， 用提高送丝速度和焊丝深出长度的方法来实现高熔敷率。对焊接电源、送丝机、 焊枪、焊丝、保护气体有更高的要求。t i m e 焊主要有以下几个优点： a 大幅度提高焊丝熔敷率：表1 2 是ti m e 焊接工艺与传统焊接工艺 三要焊接参数的比较，从中可以看出t i m e 焊工艺的许用电流高达7 0 0 a ，最 高送丝速度为5 0 m m i n ，熔敷速度最高可达4 5 0 9 m i n ，都比传统焊接工艺有了 大幅度的提高。 b 改善熔敷金属和焊接接头的质量：由于熔滴能完全在有良好保护性的 弧拄内进行短距离挺商的射流过渡，所以熔敷金属不受空气侵害和其它污染， “j 使接头各项性能达到最优。 c 焊缝平滑美观、余高小、飞溅少：当采用逆变式t i m e 电源焊接时， 其熔滴直径在o 0 5 o 4 咖的范围内。采用四元保护气体降低了熔池的表面张 力，使熔池成形良好，减少了焊缝余高。 但是，国外研制的t i m e 焊工艺并不适合我国国情，其原因主要是：第 ，该工艺对四元混合保护气的配比精度要求很高，且需要专用设备生产，生 f ，：难度很大，国内目前不能满足需要；第二，世界上天然氦气主要集中在北美 第1 章绪论 和欧洲，所以在欧美国家用氮气作为保护气体进行焊接成本较低，而我国天然 氦气资源严重缺乏，采用加工方法制成的氦气成本高昂：另外，ti m e 气体 中氦气的比例很高，占2 6 5 ，如果照搬国外工艺，势必消耗大量氦气，在我国 氦气资源匮乏的现实条件下，必将阻碍此工艺的推广。因此，实现无氦气保护 的高熔敷率焊接工艺势在必行。以国外研究现状来看，以无氦或少氦的混合气 体保护实现高熔敷率焊接方法是高熔敷率焊接工艺研究的发展方向。德国焊接 工作者在此方面作了很多工作，研究表明，除了t i m e 气体外，采用少氦或 无氦混合保护气施行高熔敷率焊接时，效果很不理想。其主要问题是，在无氦 混合气保护下，大电流区间的旋转射流过渡形态极不稳定，飞溅很大，成型恶 劣，不能投入实际使用。 表1 2t i m e 焊接工艺和传统m a g 焊接工艺的比较 焊接方法焊丝干伸长送丝速度焊丝直径 许用最大电最大熔敷率 ( m m ) ( m ，m i n ) ( m m ) 流( a )( m j n ) 传统m a g 1 0 1 52 1 81 24 0 01 4 4 r i m 正焊接 2 0 3 52 5 01 27 0 04 5 0 北京工业大学自9 7 年以来，致力于这方面的研究，目前已经实现在无h e 混合气体保护下，通过外加磁场的控制，能够在连续大电流区间获得稳定的熔 滴过渡形式，从而实现高熔敷率m a g 焊接工艺。送丝速度目前可以达到 5 0 m m i n 。 ( 2 ) 双( 多) 丝焊工艺【2 0 1 这种工艺适用于多种弧焊方法，其中以熔化极气体保护焊居多，分为两种 类型，一种是每根焊丝各自具有焊接电源、送丝机构及调节机构；另一种是所 有焊丝共用一个焊接电源，从一个导电嘴向外输送。 ( 3 ) 焊接过程中添加金属粉末【2 0 j 在焊接过程中添加金属粉末的工艺，主要适用于埋弧焊，也有应用在熔化 极气体保护焊的报道。在不增加电弧能量的前提下，添加金属粉末，可提高熔 敷率3 0 5 0 。在添加金属粉末工艺中，比较关键的因素是金属颗粒的大小， 早期的这种方法，是金属大颗粒，甚至是切断的焊丝，应用的效果不是很好， 将颗粒直径做的很小后，它的优点逐渐被人们所认识，h o g a n a s 公司研制成功了 9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 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下熔化，在四周也熔化，大大提高了电弧能量的利用率， 提高了熔敷率并增加了接头的机械性能。 1 4 1 2 高速焊接技术 高速焊与传统m i g m a g 相比，最大的特点体现在焊接速度上。常规c o 。焊焊 接速度为o 3 o 5 m m i n ，提高速焊可达l 4 m m i n i l l ，为常规c o ：焊焊接速度 的3 8 倍。在保证焊接质量的同时，大幅度提高了焊接效率。 常规焊接方法在提高焊接速度时会带来一些与常规速度焊接时不同的问 题。其中最主要的是焊缝成形差，出现焊道咬边的现象，进步提高焊接速度 会：b 现所谓“驼峰”焊道，甚至造成焊缝不连续。正是由于这一因素的制约， 常规熔化极气体保护焊的焊接速度不能超过l m m i n ，而在实际生产中则更被限 制在o 5 m m i n 以内。所以，如何解决高速焊接时焊缝成形差的问题，是大幅度 提高薄板焊接生产效率的关键。近年来，各国工业界和相关领域学者纷纷从焊 接材料、焊接工艺和焊接设备等各个方面探索解决这一问题的方法。 北京工业大学在北京自然科学基金的的资助下，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的控制”课题的研究，针对高速焊时最易出 现的焊接缺陷( 咬边、驼峰) 的形成机理进行了分析与阐述并采用波形控制方 式进行了高速焊接实验，有效的防止了高速焊接时的咬边、驼峰等焊缝成型缺 陷，焊速可达1 6 2 2 1 t l m i n ，比常规焊接速度提高了2 3 倍经专家评审 认定达到国际先进水平。 1 4 2 脉冲熔化极气体保护焊技术 脉冲熔化极气体保护( p m i g h i a g ) 焊，可以在很宽的电流范围内获得射滴过 渡，轴向性好，飞溅小，适于全位置焊接。焊缝成形美观的脉冲m i g g 焊的 问世，大大促进了高质量，高效率焊接工艺的发展，在西方各主要工业国的焊 接中为进一步代替手工焊和c 0 ：焊，起着越来越重要的作用，其应用范围也越来 越“泛，目前的双丝焊也大部分采用脉冲焊电源。 由于现在的焊接质量要求更高，就需要对电弧进行更加精确的控制，逆变 电源的出现，由于其良好的动特性能，使得现代控制原理应用到了弧焊电源当 1 0 第1 章绪论 中，极大的提高了弧焊电源的可控性，电弧稳定性也有了提高。基于以上原因， j 见代脉冲m i g m a g 焊电源的控制法也在逐步的改进，其中有如下几种控制方法 i ：l 3 l 】： ( 1 )s y n e r g i c 控帝0 法： s y n e r g i c 意指协同，合作。它是八十年代中期流行的一种脉冲m i g 焊控制 法，就是使脉冲m i g 焊控制系统的参数自动适应送丝速度及其变化，以保证电 弧的稳定，维持一定弧长。ma m i n 在1 9 7 7 年首先提出了一种s y n e r g i c 脉冲m i g 焊电弧控制系统，他是用一台测速发电机测量送丝速度，测出的信号送到专门 设计的控制电路中，这个电路依据这一信号自动完成脉冲参数的选择及配合。 s y n e r g i c 控制法实际就是通过实验，在保证一个脉冲过渡一个熔滴和弧长稳定 的前提下，确定送丝速度和脉冲电流的大小和时间、基值电流的大小和时间， 获得关系曲线。依据这一关系曲线，实时检测送丝速度来选取相应的参数。这 样的参数可以认为是最佳参数，由此建立稳定的电弧及熔滴过渡。对一种材料 而言，要保证一个脉冲过渡一个熔滴，脉冲峰值和时间要求恒定。因而在实时 检测到送丝速度后，如其发生变化，依据关系曲线只需改变脉冲基值大小和时 间，或少量改变脉冲峰值大小和时间，就能保证脉一滴。一般以只改变脉冲 基值时间为多。 ( 2 )弧压反馈闭环控制法 这种控制法就是实时检测弧长，并与其给定值比较，得到差值。根据这一 差值再依据一定的算法，对脉冲参数进行调节，实时改变熔化速度以使弧长保 持稳定。由于调节的对象不同，如脉冲峰值或基值等，弧压反馈又可以分为多 种具体形式。使用这种控制法一般都要求获得稳定的一脉冲一滴的渡形式，因 而主要是保持脉冲电流峰值和时间不变，而又以改变脉冲电流基值时间为多。 如日本o t c 公司的删一3 5 0 焊机。该焊机中，脉冲电流峰值大小j 时间、基值电 流大小，是根据不同的焊材，依据一脉一滴的前提而定的，送丝速度和脉冲频 率按一定的函数由单旋钮给定，频率当然还要受控于实时检测到的弧长。在这 类焊机中一般以检测电弧电压来代替电弧长度。焊接时，送丝速度保持恒定， 电弧电压的变化由反馈系统采样得到，依据一定的算法实时改变维弧时间即脉 冲频率。这样就调节了平均电流和熔化速度，从而调节了电弧长度。这种控制 法抗弧长干扰的能力强，送丝速度的扰动最终必然会引起弧长的变化，从而得 北京工业大学工学硕士学位论文 到调节，因而它也具有一定的抗送丝速度变化能力。但这种扰动是间接的，加 强送丝机的力矩补偿能力，使送丝保持稳定对这类焊机还是很重要的。 ( 3 )综合控制法 日本的u e g u r i 在1 9 8 4 年发表了这种控制法，该法集s y n e r g i c 和弧压反馈 挎制于一身，脉冲峰值和基值电流大小均为固定，电弧电压反馈控制脉冲电流 刚间，送丝速度控制脉冲频率。该法较好的解决了弧长稳定性问题，但参数的 变化将影响到熔滴过渡。 总之，脉冲m i g m a g 焊电源是未来弧焊电源的主要发展方向，现在用于双 丝焊的电源大部分也都是脉冲m i g l a g 焊电源，而双丝焊又能提高焊接效率， 【蜘比如果我们在脉冲m i g m a g 焊电源的基础上研究双丝焊，对提高焊接效率将 会有很大帮助。 l 。4 3 双丝m i g ，m a g 焊接技术的理论研究进展 双丝焊较单丝焊复杂许多，可变因素也较多，对其数学模型进行准确的建 j 7 很困难。近几年来，国外有些研究者建立起这种数学模型【4j ，但还是不能完 仝反映实际的焊接情况，理论计算的结果与实际所得的数据也有差距，这主要 毽对双丝焊的一些关键问题还没有研究清楚。 一些文献口2 】中介绍了电磁力对几种熔滴过渡形式的影响，其中在短路过渡 中，两弧之间的磁场可以改变原有的电磁收缩力，使缩颈小桥上移，从而熔滴 将比单丝短路过渡时的大，电弧也会加长，这将影响到电弧的稳定性；在射滴 过渡一中，电磁力的影响更大，这是由于此时的电流更大了，熔滴在磁场的影响 之下偏离熔池中心，飞溅也增多了；在脉冲过渡中，两个脉冲之间会产生飞溅。 列于电磁力的控制该文献认为，其中一种方法就是调整两个焊丝之间的距离和 突角，通过一系列实验，得出在短路过渡时两焊丝之间的距离要大于1 0 m m ， 在脉冲过渡时要大于1 5 r n m 才能有效的控制电磁力，而且两焊丝之间有一定的 角度比两焊丝处于平行位置更有助于电弧的稳定性；另外一种方法就是采用交 替脉冲的方法，可以防止两焊丝同时通过较大电流，减小相互间所受磁场的影 u 旧f 因此主要采用脉冲焊电源来实现这种方法。 1 2 。 第1 章绪论 1 5 本课题研究内容 根据国外对双丝m i g m a g 的研究现状以及我们对此种焊接方法的认识情 况，本课题主要内容就是要按照国际上比较成功的t a n d e m 方式设计出一套用于 双丝m i g m a g 的设备并对其主要问题进行研究，找到解决办法，因此本课题 将要从以下两方面开展工作。 1 5 1u i 方式脉冲m a g 焊接电源的研制和对工艺问题的研究 对于双丝m i g m a g 焊接的前期研究，主要方向是使焊接过程更加稳定，而 双丝焊接所采用的u i 方式脉冲姒g 焊接方法以前研究较少。因此，首先要研 制这种焊接方法的电源，然后对其影响焊接过程稳定性的各种因素进行研究， 找出影响熔滴过渡的参数规律，进一步调整电源以适应工艺要求。 1 5 2 双丝m i g 删队g 焊接系统的建立和相关问题的研究 对于整个系统方面，主要是根据t a n d e m 的方式，实现交替脉冲，即让两 台电源输出脉冲相位相差1 8 0 。，熔滴交替过渡到熔池中，设计适合这种方式的 控制方案。然后再在这个基础之上进一步研究双丝m i g 似g 工艺的参数规律 第2 章双丝m 1 g m a g 焊接方案设计 第2 章双丝m i g m a g 焊接方案设计 根据国内外最新技术、双丝焊接工艺的理论研究和本身的特点，本课题双 丝m i g m a g 焊接系统设计成一种t a n d e m 的实现方式，而且可以分别独立 控制两个电弧的相关参数。 2 1 双丝m l g ，m a g 相关理论 2 1 1 双丝焊接过程的电弧及熔滴过渡特点 焊接过程的稳定是焊接质量的保证，而对于熔化极气体保护焊来说，焊接 过程的稳定也就是电弧及熔滴过渡的稳定。因此研究双丝m i g m a g 焊接过程 的电弧及熔滴过渡问题对这种工艺的可用性起着至关重要的作用。下面根据这 种工艺特点全面论述电弧及熔滴过渡的特点。 2 1 1 1 熔化极气体保护焊( g m a w ) 的电弧形态及熔滴过渡方式 双丝m i g m a g 焊接工艺是一种熔化极气体保护焊( g m a w ) ，因此需要 首先弄清楚g m a w 的电弧形态及熔滴过渡方式。 熔化极气体保护焊有多种过渡形式p3 1 ，本课题涉及到的主要包括大滴过渡、 射滴过渡、射流过渡。形成这种或那种形式的过渡决定于熔滴的不同受热与受 力状态，而熔滴脱离焊丝端头前的受力与受热状态起关键作用，熔滴所受的热 与力主要来自电弧本身，亦即决定于电弧的形态( 指电弧烁亮区的形态) 。因为 电弧的不同形态决定了热与力的产生情况和它们是怎样从电弧传递到熔滴上去 的。 大滴过渡是熔滴在脱离焊丝端头之前其直径显著大于焊丝直径。电弧烁亮 区只笼罩熔滴下表面较小的局部，这种特定的电弧形态使电弧的热与力只作用 在熔滴下表面的局部，造成电弧作用力的方向阻碍熔滴向熔池过渡，熔滴主要 是靠其庞大体积产生的足够重力和由于流过焊丝端头处的电流线的弯曲所产生 的电磁力脱离焊丝端头过渡到熔池中去。 射滴过渡是指熔滴直径达到与焊丝直径相近时，电弧力使之强制脱离焊丝 北京工业大学工学硕士学位论文 端头，而以一定的加速度射向熔池的过渡形式。每过渡一滴后，因电弧的热作 l 儿焊丝端头又重新熔化和积聚液体金属，以形成新的熔滴。焊丝金属以较明 引内分离的熔滴形式从焊丝端头射向熔池。 射流过渡是指熔滴从电弧热与电弧力作用形成的铅笔尖状的液体金属端部 习寸出，而以极高的加速度射入熔池的过渡形式。熔滴从已经积聚的液体柱尖端 射其熔滴直径远远小于焊丝直径，而且每两滴之间的时间间隔很短，过渡 频率很高，肉眼观察时无法分辨出其间隔，看上去好像在焊丝端头形成一条连 授晖丝端头与熔池的液体金属流，金属由焊丝端头连续流向熔池。电弧形态呈 种圆锥状。 不同的熔滴过渡形式对应不同的电弧形态，也就是不同电弧热与电弧力， 阳乜流大小决定着不同电弧热与电弧力，因此电流大小变化将引起熔滴过渡形 式的变化。小电流时主要是大滴过渡，增大电流转变为射滴过渡，电流再大时 则为射流过渡。 因此，弄清基本的熔滴过渡方式和电弧形态将有利于研究双丝焊接过程的 电弧形态和熔滴过渡方式。 2 1 1 2 脉冲g m a w 的电弧形态及熔滴过渡方式3 4 “j 由于双丝m 1 g m a g 自身的特点，使得采用脉冲电流焊接的方法可以减小 双弧干扰的程度。而且脉冲焊具有熔滴过渡和热输入量可控性的优点，因此研 究脉冲焊电弧形态和熔滴过渡方式也是不可缺少的。 利用脉冲熔化极气体保护焊可以实现三种熔滴过渡方式，即多脉一滴、一 脉滴、一脉多滴，而这都对应不同的电弧形态，当电弧烁亮区呈现一种束状 时，就是一脉一滴，当呈现一种圆锥状时，就是一脉多滴，当呈现一种不稳定 的柬状时，就是多脉一滴。 产生这种规律的原因实际都是由于脉冲焊本身的特点所决定的。对于连续 的熔化极气体保护焊来说，只要电流达至n 射流过渡的临界电流值，就会发生跳 弧现象，电弧形态由束状转向圆锥状，由射滴过渡转为射流过渡。而对于脉冲 焊束说，脉冲电流远远大于临界电流值，但是如果脉冲时间不够长，也就是脉 冲电流延续的时间不够长。还没有发生跳弧现象，缩颈就很快消失，看到的电 弧 髟态就只能是束状。因此，当电弧形态保持为束状，还没有变化到圆锥状时， - 1 6 - 第2 章双丝m i g m a g 焊接方案设计 就停止脉冲电流，那么在这期间就只能有一个熔滴过渡到熔池中，也就是一脉 一滴：一旦在一个脉冲周期内具有足够的脉冲时间，电弧形态变为了圆锥状， 焊丝尖端变成细长状，就会有多个小的熔滴过渡到熔池中，也就是一脉多滴。 2 1 1 3 双丝脉