（材料加工工程专业论文）双丝脉冲mig焊熔滴过渡过程及工艺性研究.pdf

中文摘要 焊接作为一门不可缺少的独立的制造技术，在制造业中发挥着越来越 重要的作用。然而，传统的焊接方法已经不能满足日益增长的生产效率的 要求，实现焊接的高效化成为了迫切的要求。对于普通m i g m a g 焊来说， 焊接速度提高会导致未焊透，焊道不连续、咬边等焊接缺陷，因此本文提 出了双丝脉冲m i g 焊接方法。 本论文搭建了t a n d e m 型双丝脉冲m i g 焊系统，两台焊机通过双丝脉 冲控制器连接，实现了推挽式输出，减小了两个电弧之间的干扰。两个焊 枪内部的导电嘴相互隔离，由两台电源分别供电，之间没有电的连接，避 免了电源之间的相互影响，使焊接电弧得到较好的控制。 经过比较不同形式熔滴过渡的工艺特点，确定本试验采取脉冲喷射过 渡形式，由于脉冲的作用使得在平均电流较小的情况下实现了喷射过渡。 利用高速摄像、高速摄影和电信号结合的方法观察不同焊接参数下双丝脉 冲m i g 焊的熔滴过渡形式，研究送丝速度和脉冲参数对熔滴过渡的影响， 通过改变脉冲频率观察到一脉多滴、一脉一滴和多脉一滴。 针对双丝脉冲m i g 焊高熔敷效率的特点，对不同焊接参数下单丝焊 和双丝脉冲m i g 焊熔敷速度和焊缝成形进行了对比分析，双丝焊较单丝 焊的熔敷效率明显提高，焊缝成形系数更好，同时减小了由于高速焊接造 成的焊缝咬边的倾向。而且，由于采取脉冲方式，使得双丝焊在相同熔敷 率的前提下有效减小热输入，对于防止焊接变形具有重要的意义。 关键词：双丝；脉冲：m i g ；熔滴过渡；频率；焊缝成形 a b s t r a c t w e l d i n gw a sp l a y i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l da s 抽 i n d i s p e n s a b l ea n di n d e p e n d e n tm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y h o w e v e r , t r a d i t i o n a lw e l d i n g m e t h o dc o u l dn o ts a t i s f yt h eu n c e a s i n g l yg r o w i n gr e q u i r e m e n tf o rh i g h e rp r o d u c t i v i t y , t h u sr e a l i z i n gt h eh i g h e f f i c i e n c yo fw e l d i n gb e c o m ea ne x i g e n tr e q u e s t a sf o rt h e n o r m a lm i g m a gw e l d i n gd e f e c t ss u c ha s i n c o m p l e t ep e n e t r a t i o n ，i n c o n t i n u o u s w e l d i n gb e a da n du n d e r c u tw o u l db ec a u s e dw h e nt h ew e l d i n gs p e e dw a si n c r e a s e d t h e r e f o r ean e wd o u b l e w i r ep u l s e dm i gw a sb r o u g h tf o r w a r d t h er e s e a r c hd e v e l o p e dt a n d e md o u b l e w i r ep u l s e dm i gs y s t e m ，i nw h i c ht h et w o w e l d i n gp o w e rs o u r c e sw o r ec o n n e c t e db yt h ed o u b l e - w i r ep u l s e dc o n t r o l l e r t h e c o n t r o l l e ri m p l e m e n t e dt h ep u s h - p u l lo u t p u to ft h et w ow e l d i n gp o w e rs o u r c e sa n dt h u s r e d u c e dt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et w oa r c s t h et w ow e l d i n gt o r c h e sw e r e i n d e p e n d e n tw i t h o u te l e c t r i cc o n n e c t i o na n dt h e i rp o w e rr e c e i v e df r o mt w or e s p e c t i v e w e l d i n gp o w e rs o u r c e s t h i sd e s i g na v o i d e dt h ei n f l u e n c eb e t w e e nt h et w ow e l d i n g p o w e rs o u r c e sa n dm a d et h ea r cw e l lc o n t r o l l e d a f t e rc o m p a r i n gt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rf o r m s ，t h e d i s s e r t a t i o na d o p t e dt h ep u l s e ds p r a y i n gt r a n s i t i o n t h ei d e a lt r a n s i t i o nf o r m w h i c h r e a l i z e d s p a y i n gt r a n s i t i o nw i t har e l a t i v e l yl o wa v e r a g ec u r r e n t u s i n gh i g h - s p e e d c a m e r a ，h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ya n de l e c t r i c a ls i g n a l s ，t h em e t a lt r a n s f e ro fd o u b l e w i r e p u l s e dm i gu n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sw a so b s e r v e da n dr e c o r d e d i na d d i t i o n ， t h ei m p a c to fd i f f e r e n tw i r e - f e e d i n gs p e e d sa n dp u l s ep a r a m e t e r so nt h em e t a lt r a n s f e r w a sr e s e a r c h e d a n dw ea t t a i n e dt r a n s i t i o nf o r m so fm o r et h a no n ed r o p l e ti no n ep u l s e ， o n ed r o p l e ti no n ep u l s ea n do n ed r o p l e ti nm o r et h a no n ep u l s e sw h e nt h ep u l s e f r e q u e n c yw a sc h a n g e d 。 t h ep a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ew e l d i n ge f f i c i e n c ya n df i g u r a t i o no f s i n g l e - w i r ep u l s e dm i ga n dd o u b l e - w i r ep u l s e dm i g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e d o u b l e w i r ep u l s e dm i gc o u l da c h i e v eh i g h e rw e l d i n ge f f i c i e n c ya n db e t t e rw e l d i n g f i g u r a t i o n ，w h i l ea tt h es a m et i m er e d u c i n gt h el e n d e n c yo fu n d e r c u td e f e c t s m o r e o v e r ， t h ed o u b l e - w i r ep u l s e dm i gr e d u c e dt h eh e a ti n p u td u r i n gt h ew e l d i n g ，w h i c hh a dg r e a t i m p o r t a n c ef o ra v o i d i n gw e l d i n gd e f e c t s k e yw o r d s ：d o u b l e w i r ew e l d i n g ，p u l s e ，m i gm e t a lt r a n s f e r , f r e q u e n c y ，w e l d i n g a p p e a r a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生态堂或其他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。 学位论文作者签名： 吕术匆 签字日期： 文。9 年 月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 吕枸 签字日期：如0 6 年f 月f 7 日 导师签名：耋在 签字日期：j 卯多年，月，夕日 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 焊接作为一门制造技术，自2 0 世纪初发展至今已有9 0 多年的历史 了，但在工艺上的应用及其在制造业中的重要性直到2 0 世纪5 0 年代才 显示出来。目前在世界工业国家中，焊接已成为一门不可缺少的独立 的制造技术，在制造业中起着重要作用。 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。几乎所有的产 品，从几十万吨载重量的巨轮到不足1 克的微电子元件，在生产中都不 同程度地依赖焊接技术。目前，钢材是我国最主要的结构材料，在今 后2 0 年内，钢材仍将占有重要的地位。然而，钢材必须经过加工才能 成为有给定功能的产品。2 0 0 4 年我国用焊接方法加工的钢材总量已经 突破l 亿吨，成为世晃上最大的焊接大国【l 】。焊接在国民经济建设和社 会发展中发挥着无可替代的重要作用，因此，发展我国制造业，尤其 是装备制造业，必须高度重视焊接技术的同步提高，如何获得高质量 的接头成为了当前国内外焊接技术研究的重点之一【z j 。 然而，传统的焊接方法已经不能满足日益增长的生产效率的要求， 需要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，也就是实现焊接的高效化。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【3j 。研 究出既能提高焊接生产效率和焊接质量，又能减少焊接缺陷的高效焊 接方法成为实际生产的迫切要求。 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【4 5 】。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。 焊接生产效率，从某种角度上讲，主要是由单位时间内填充金属 的熔化量即熔敷速度来衡量的1 6 。一般来说，高效焊接技术包括两个 方面的内容：提高焊接速度和提高熔敷率。 针对薄板焊接。主要是提高焊接速度。目前常规m i g m a g 焊接速 度为o 3 0 5 m r a i n ，简单的提高焊接速度会产生焊接缺陷，其中最主要 第一章绪论 的是焊缝成形差，易出现“咬边”和“驼峰”焊道【7 ，引。采用特殊的单 丝电流波形控制法，最多可将焊速提高到1 1 2 m r a i n 左右。而采用高 速双丝m i g m a g 焊，由于改变了电弧形态，焊接温度场和电弧力的分 布都得到了改善，从而可以大幅度提高焊接速度，改善焊缝成形，避 免因焊接速度提高导致的未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷( 9 1 。 针对厚板焊接，主要是提高熔敷率的问题。双丝焊接可以有效地扩 大焊接规范参数，使熔敷速率提高一倍以上。双丝焊接方式还可以有 效地提高电弧熟效率，在相同熔敷率的前提下有效减小热输入，这对 于防止焊接变形具有重要的意义。 总之，双丝焊对提高焊接速度和熔敷率有显著作用。该焊接方法中 双丝电极相互分离并绝缘，同一保护气体中，焊丝金属熔化和电弧长 度可分别控制。因此，当焊接参数适当时，可获得飞溅低、成形美观 的焊缝，而且焊接速度大幅度提高，该方法已实际应用在汽车及其零 部件加工业、造船、铁路车厢，锅炉制造等行业中，并得到肯定 1 0 - 1 2 。 1 2 高效焊接工艺 1 2 1 在焊接过程中添加金属粉 该方法是利用电弧的热量熔化附加金属粉末，并作为熔敷金属的 一部分熔入焊缝。该方法不仅可以提高熔敷率，而且可以通过控制所 添加的金属粉末内的合金元素的含量来调整焊缝金属的成分，从而优 化焊缝金属的力学性能。这种方法首先出现在1 9 世纪3 0 年代，在单丝 埋弧焊中有成功的应用，用于建造芬兰h e i n o l a 的t a h t i n i e m i 大桥，可以 提高熔敷率4 0 8 5 】。 1 2 2 高速送丝m a g 焊接工艺 主要的代表为t i m e ( t r a n s f e r r e di o n i z e dm o l t e ne n e r g y ) t 艺，由 加拿大w e l dp r o c e s s 公司的j o h nc h u r c h 于2 0 世纪8 0 年代发明【1 4 】，并在 欧洲得到了广泛应用。主要特点在于采用高速送丝、大的焊丝伸出长 度和特殊的四元保护气体( 2 6 5 h e + 0 5 0 2 + 8 c 0 2 + 6 5 a r ) ，其送丝 速度最高可达5 0 m r a i n ，但在实际的应用中，其送丝速度最高约为 19 m m i n 。 2 第一章绪论 瑞典的a g a a b 公司提出了r a p i dm e l t 工艺，采用其公司专利 m i s o n 8 作为保护气体，其主要成分是在富氩中加入低含量的二氧化 碳，并添加了2 8 5 p p m 的n o 以减少焊接过程中产生的臭氧。其熔敷率最 高可达2 5 k g h ，其送丝速度可以达到5 0 m r a i n ，但送丝速度和焊丝外伸 长度等的组合保密，在性能方面仅报道了热影响区的性能是可以接受 的。 t i m e 焊接工艺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，而我国氮气资源匮乏，这必将阻碍该工 艺在我国的推广。 1 2 3 多丝或双丝焊接工艺 在该方法中熔敷率的提高是通过同时熔化两根或多根焊丝来实现 的。主要有两种形式，一种是多电极焊接，每一路焊丝配置自己的电 源、送丝机构和调节系统；一种形式是多丝共电极焊接，各路焊丝使 用相同的电源，并由一个导电嘴送出。这两种方法的共同特点是，每 根焊丝都有相应的电弧来加热熔化 这类方法的关键在于各路焊丝的位置分布，一般说来，距离近有 利于提高热源的能量密度，提高热源的利用率，但是若距离过近，则 各路电弧产生的电磁场之间会相互干扰，使焊接过程不稳定。该方法 在埋弧焊和g m a w 中均有应用，在埋弧焊中相对多些，但存在的问题 主要是所用焊剂的耐高温问题。在g m a w 中则主要是电弧之间的相互 干扰问题。德国的c l o s s 公司已有商品化的双丝焊接设备，每路焊丝 分别通过各自的送丝机、电源和调节机构控制，并能实现数值化分别 控制避开同时燃弧从而减小相互之间的干扰。 1 3 双丝焊的工艺特点 双丝焊最早应用在埋弧焊是在1 9 4 8 年1 15 , 1 6 1 ，发展到现在有些方法 在实际中已经得到了广泛应用，并出现了一些新的双丝埋弧焊方法， 如图1 1 所示【1 7 】。单电源串联双丝埋弧焊可得到最小的热输入，熔深大， 熔敷率高。单电源并列双丝焊实际是用两根较细的焊丝代替一根较租 的焊丝，但可获得较快的焊接速度和良好的焊缝质量。这些方法在实 际生产，特别是管道和压力容器制造中的应用日益广泛，并受到了较 3 第一章绪论 好的效果。 图1 - 1 双丝埋弧焊示意图 ( a ) 纵列式( b ) 横列双丝串联式( c ) 横列双丝并联式 而双丝焊在熔化极气体保护焊中的应用目前还处于发展阶段，主 票，i 艺形式有两秕一种射衙、铲种是胁曲m ，如图卜2 所不o、 图1 2 焊接系统简图 ( a ) t w i na r c( b ) t a n d e ma r c 1 3 1t a n d e ma r c 随着市场竞争的日趋激烈，以及对产品质量要求的不断提高，在 降低焊接成本、提高焊接速度和保证焊接质量方面，对焊接设备也提 出了更多更高的要求。在此背景下，高效化焊接技术日益得到重视， 各国的焊接设备生产商纷纷研制各种高效的焊接方法，t a n d e m 双丝焊 技术是其中应用最多、也最成熟的一种焊接方法。 早期的双丝焊中，两根焊丝通过同一个导电嘴，这种方法的特点是 两根焊丝的相位相同，只是送丝速度不同，无法对两个电弧分别进行 4 第一章绪论 控制，焊接参数非常难调。 目前开发的双丝脉冲m i g m a o 焊，热量分散在前后串行的两个电 弧上，两个电弧的电源都已数字化，可以分别精确地调整各自脉冲电 弧的每个参数，并相互通过s y n e r g e t i c 装置协调脉冲电流得到最佳的热 输入分配。从而在平均电流2 5 0 0 a ，最高脉冲电流达到1 5 0 0 a 。熔敷 率2 0 k g h 和3 - 5 m r a i n 的焊速下仍能得到良好的焊缝成形和稳定的熔透 f 1 3 。2 0 1 。 2 0 世纪9 0 年代。在长期进行双丝焊技术研究的实践中，德国c l o o s 公司开发了“t a n d e m ”双丝焊技术，如图1 2 b 所示。该技术将两根 焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊枪中，两根焊丝分别由各自 的电源供电，相互绝缘，除送丝速度可以不同外，其他所有的参数都 彼此独立，两根焊丝的直径、材质甚至用或不用脉冲，都可以不一样， 这样可以最佳地控制电弧，在保证每个电弧稳定燃烧的前提下，将两 个电弧的相互干扰降到最低。 t a n d e m 双丝焊时，两根焊丝以一定角度前后排列，前丝焊接电流 较大，有利于形成较大的熔深，后丝电流稍小，起到填充盖面的作用。 两根焊丝互为加热，充分利用电弧的能量，实现较大的熔敷率，使熔 池里有充足的熔融金属和母材充分熔合，因此焊缝成形美观。一前一 后两个电弧，大大加长了熔池的尺寸，熔池中的气体有充足的时间析 出，气孔倾向极低。这种焊接方法虽然电流大，但焊接速度很快，最 快可以达到6m m i n ，因此热输入量反而小，焊接变形也很小。与其它 的焊接技术相比熔敷速度快、焊接效率高、焊接质量好、飞溅少。 迄今为止，t a n d e m 双丝焊技术已经成为最为成熟的高效焊接方法， 仅德国c l o o s 公司的t a n d e m 系统已经有5 0 0 多用户，用于焊接碳钢、 不锈钢、铝合金以及其它金属材料，得到了广泛的应用。我国目前已 引进几十套双丝焊设备。随着焊接自动化程度的普及，t a n d e m 双丝焊 技术具有更广阔的应用前景。 1 3 2t w i na r c t w i n a r e 采用两个完全相同的脉冲焊接电源，两套送丝机构，一 个能够容纳两根焊丝的导电嘴( 两根焊丝不是相互绝缘的) 。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。t w i n a r e 的优点是利用电弧自身调 第一章绪论 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，焊丝闻的相互影响力较大，很难精确控制两根焊丝 的熔化及熔滴过渡。 1 4 双丝m i g m a g 焊特点 当采用单丝焊时，如果焊接速度较高，电弧的热量没有充分的向 母材扩散，形成的熔池小，周围的母材温度梯度大，熔池凝固快，熔 化金属来不及和母材充分熔合，因此，焊缝余高大，容易产生咬边甚 至不成形。 双丝m i g m a g 的基本特点： ( 1 ) 焊接速度高 由于双丝焊接两个电弧的相互作用改变了焊接温度场和温度梯度 的交化，从而有效的提高了焊接速度。在2 r a m 薄板搭接焊中最高速度 可以达到3 m m i n 2 1 】。 ( 2 ) 熔敷效率高 双丝焊中两个电弧的相互作用提高了能量的利用率，从而提高了 熔敷速率。在双丝焊中最大熔敷率可达2 5 k g m i n 。 ( 3 ) 熟输入线能量小 双丝焊具有较高的焊接速度，熔池向周围的散热减少，所以在焊 接相同的母材时，需要的线能量较小，这对防止薄板焊接变形起到了 很好的控制作用，也可以提高热敏材料的焊接接头强度。 ( 4 ) 焊接气孔少 在双丝焊接过程中，熔池被拉长，熔池存在的时间也较长，有利 于气体的逸出。这对减少铝焊接时产生气孔具有重要意义。 在一些实际生产中，对单丝焊和双丝焊进行了一些比较，可以看 出双丝焊相比单丝焊在焊接速度和熔敷效率方面有明显的优越性。比 较结果如表1 1 所示1 2 2 。 表1 1m i g m a g 单丝焊和双丝焊应用比较 产品名称焊接方法 汽车油箱 材料：铝 板厚：2 m m 焊缝形式：搭接、环缝 焊接参数 焊丝直径r a m 焊接速度c m m i n 。 送丝速度m r a i n 1 6 单丝焊 1 2 5 5 4 6 t a n d e m 双丝焊 1 o + 1 0 1 3 0 8 2 + 6 1 第一章绪论 焊缝厚度：2 5 m m熔敷效 k g h 以 0 8 41 8 2 1 5 熔滴过渡的研究意义和现状 在熔化极气体保护焊中( 包括m i g 焊，m a g 焊及c 0 2 气体保护焊) ， 若要锝到稳定的焊接过程及良好的焊接质量，必须满足两个基本要求。 首先必须使送丝速度和焊丝的熔化速度相同以保证电弧的稳定燃烧， 另外必须使熔化的金属能够稳定地传送到焊接熔池中去以形成有效的 焊缝而不是飞溅【2 3 1 。是否满足这两项基本要求，主要取决于焊接的熔 滴过渡过程。对于生产效率高、应用广泛的熔化极气体保护焊，熔滴 的形成、尺寸、熔滴的过渡模式和烙滴行为等是影响焊接工艺性能、 焊缝成形和焊接质量的极为重要因素【2 4 1 。不同的熔滴过渡形式将对焊 接电弧的稳定、焊接冶金、焊缝的成形、熔深及材料的消耗等产生决 定性的影响，因而熔滴过渡的研究始终是国内外众多学者和工程技术 人员所瞩目的领域之一。 双丝脉冲m i g 焊有自己独特的特点，所以研究双丝脉冲m i g m a g 焊的熔滴过渡形式并对不同的熔滴过渡形式进行比较，从而找出一个 比较理想的熔滴过渡形式，进而指导焊接工艺，具有很现实的意义。 高效焊接方法必须基于对焊接过程的高品质检测的基础上才能得 以实现，其中对于焊接电弧中熔滴过渡过程的检测，其意义更加深远 1 2 5 , 2 6 ，集中体现在以下三个方面： ( 1 ) 通过对熔滴过渡过程的研究，可以分析熔滴过渡过程的机理及影响 因素，进而优化焊接工艺参数； ( 2 ) 熔滴过渡过程的好坏直接关系到最后的焊接质量，因此熔滴过渡过 7 第一章绪论 程的研究使焊接质量控制更直观并更具针对性1 2 7 , 2 8 ) ； ( 3 ) 熔滴过渡的观察可以为新工艺开发提供理论依据，如国内外有人提 出了利用旋转射流过渡方式进行厚板窄间隙焊接工艺 2 9 , 3 0 。 1 5 1 高速摄影法 直接观察熔滴过渡的图像是最直观也是最准确的检测熔滴过渡的 途径，因此，以高速摄影记录熔滴过渡影像成为最早采用的手段。目 前，高速摄影法仍是最重要的熔滴过渡研究方法之一t 。3 t 。近年来，高 速摄影法的应用范围又不断得到扩大和深化，已推广到真空电子束焊、 电阻点焊、闪光对焊等过程的研究1 32 1 。这种高速摄影法可以清晰地获 得熔滴和电弧的形态、影像，最小可以分辨o 1 m m 的焊接飞溅，具有直 观、形象、清晰的优点，应用于熔滴过渡规律探索取得了不少成果。 此方法也存在着装置相对复杂，光路调整要求较高的缺点，而且需要 对胶片进行冲洗，所以获得结果需要的时间长、成功率也相对较低， 但是高速摄影方法仍是实验室研究熔滴过渡很常用的一种方法。 t 5 2 高速摄像法 随着科技的不断进步，高速摄像技术已进入实用阶段，以高速摄 像机代替高速摄影机便产生了用于熔滴过渡过程研究的高速摄像法。 高速摄像法同样可以直观地获得熔滴过渡过程的影像，与高速摄 影相比，其工作原理和记录手段都有了长足的进步。该技术以基于面 阵c c d 器件上的电扫描技术取代了高速摄影机的机械高速迸片机构， 以芯片、磁带及磁盘代普胶片作为记录媒体，记录结果可以直观地在 监视器上显示，亦可用计算机进行处理，省去了胶片的冲洗、扩印等 后续处理过程。记录载体可多次重复使用，降低了实验成本。 1 5 3 电弧电信号检测法 在前述的各种检测方法中，为了获得熔滴过渡信号均需要额外附 加各种传感器及其相关的配套仪器设备，这样必然会增加系统的复杂 性并引起其它不利影响。而采用焊接过程中电弧本身所具有的电压电 流作为信号源十分简单方便，可以克服上述不足，因此这种方法得到 8 第一章绪论 了广泛采用【3 3 1 由于在大能量规范工艺条件下，电弧电压及电流信号的品质特征 下降，因而使得电信号检测法应用于熔滴自由过渡状态的检测受到了 限制。此外，电信号检测的另一不足是检测不够直观，依靠此种检测 方法进行的焊接质量实时控制，仅局限于参数控制，无法直接观察熔 滴过渡过程。 按信号品质、直观性、实用性、工艺性、设备复杂性、成本对各 种熔滴过渡检测方法的评价如表1 2 所示。 根据上述几种方法的比较，本试验采用了高速摄影、高速摄像和 电信号法相结合来研究熔滴过渡过程，这样既能比较直观的观察到熔 滴过渡的过程，又可以借助焊接过程中的电压电流参数来定量的评价 焊接过程的稳定性。 表1 2 各种熔滴过渡检测方法的性能综合评价 1 6 本课题研究内容 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 m a g 焊电源，而双丝焊又能提高 焊接效率，因此如果我们在脉冲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。 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 准确的建立很困难，还不能完整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，这主要是对双丝焊的一些关键问题还 没有研究清楚，因此对影响双丝焊焊接效果进行研究对于双丝焊的应 用来说就有重要的意义。 电磁力是影响双丝m i g m a g 焊焊接过程的要素之一，在短路过渡 中，两个电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大，电弧也会加长，这将影响到电 弧的稳定性；在射滴过渡中，由于电流的增大导致电磁力的影响更大， 9 第一章绪论 熔滴在磁场的影响下偏离熔池中心，飞溅也增多了；在脉冲过渡中， 两个脉冲之间会产生飞溅。 目前，削弱电磁力影响有两种方法：一种方法是调整两个焊丝之 间的距离和夹角，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 a 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响，本论文的双丝脉冲m i g 焊是采用脉冲焊电源 来减小电弧之间相互影响的。 本课题根据国内外对双丝脉冲m i g m a g 焊的研究现状按照比较 成功的t a n d e m 方式设计出一套用于双丝脉冲m i g m a g 焊的设备，并对 其主要问题进行研究。 ( 1 ) 搭建双丝脉冲m i g 焊的试验系统，通过双丝脉冲控制器获得两台 电焊机的协同输出，保证t a n d e m 双丝熔化极气体保护焊焊接方法的实 现： ( 2 ) 利用高速摄影、高速摄影和电信号采集系统，观察电弧形态及熔 滴过渡过程，同时调节双丝脉冲控制器的参数，依据焊接过程稳定程 度和电信号、高速摄像( 摄影) 的图像分析不同焊接参数对焊接过程 的影响和不同熔滴过渡形式的条件，为优化焊接工艺参数以指导实际 生产提供依据； ( 3 ) 对不同焊接参数下比较单丝和双丝脉冲m i g 的熔敷效率，同时根 据焊缝成形和焊缝截面特征分析双丝脉冲m i g 焊的工艺特点。 1 0 第二章双丝脉冲d i g 焊试验系统 第二章双丝脉冲m i g 焊试验系统 双丝脉冲m i g 焊作为一种熔化极气体保护焊工艺，其系统还是比 较复杂的，按照双丝脉冲m i g 焊的工艺要求和论文研究的需要，本试 验系统既包括用于焊接试验的电焊机、送丝枫、双丝脉冲控制器，还 包括用于熔滴过渡分析的高速摄像系统、高速摄影系统和电信号采集 系统。 2 1 双丝脉 0 m i g 焊试验系统总体设计 本试验所设计的双丝脉冲m i g 焊接系统是一种t a n d e m 类型的，但 根据研究的需要，两个焊枪的位置也可以调整成p a r a l l e l 的，主要包括 的部件如图2 - 1 所示。焊枪内部的两个导电嘴相互隔离，由两台电源分 别供电，焊丝之间没有电的连接，这种方式电源之间不会随意相互影 响，可以使焊接电弧得到较好的控制。 图2 - 1 双丝脉冲m i g 焊试验设备连接示意图 第二章双丝脉冲m i g 焊试验系统 2 2 试验系统 7 根据双丝脉冲m i g 焊试验的总体设计，在本节中将对试验系统的 各个部分分别进行说明，焊接试验设备和熔滴过渡过程研究系统的合 理搭建保证了高质量双丝脉冲m i g 焊的实现，具体的试验条件如表2 - 1 所示。 表2 1 双丝脉冲m i g 焊试验条件 名称试验条件 母材材质 母材板厚 焊丝材质 焊丝直径 焊丝干伸长度 保护气体 焊接设备 接线方式 焊接方式 q 2 3 5 5 m m h 0 8 m n 2 s i a 0 1 2 r a m ，母1 6 r a m 1 5 r a m 纯氢气 逆变式v - 3 0 0 型林肯电焊机两台，s 一8 6 a 型 半自动送丝机两台，双丝脉冲焊控制器 直流反接 堆焊 2 2 1 高速摄影系统 高速摄影技术是一种先进的测试手段，它能把一个高速的运动过 程或高速瞬变过程的空间信息和时间信息记录下来，常用于熔滴过渡 过程的研究。熔滴过渡频率高，穿越电弧空间速度快，同时熔滴被高 温、高亮度的电弧所笼罩，通常还伴有大量的飞溅和烟尘。因此，熔 滴过渡过程的高速摄影具有许多特殊性。 2 2 1 1 摄影装置及工作原理 本试验所用到的高速摄影系统由4 部分组成，其光路如图2 2 所示： ( 1 ) 光源部分背光光源使用的是波长为6 3 2 8n m 的氦一氖激光器； ( 2 ) 扩束部分由显微目镜( 透镜1 ) 和凸透镜( 透镜2 ) 组成扩束镜； 1 2 第二章取丝脉冲m i g 焊试验系统 ( 3 ) 成像部分包括焊丝、成像物镜( 透镜3 ) 、小孔光阑、干涉滤光片。 干涉滤光片的中心波长为6 3 2 8 n m ，透过宽度约1 ，透过率为7 0 ； ( 4 ) 摄影部分高速摄影机选用原民主德国产的p e n t a z e t 3 5 型3 5 r a m 标准 底片光学补偿式高速摄影机，最高摄影频率为2 0 0 0 幅s 此时摄影胶 片的运行速度约为3 8 m s 。 图2 - 2 高速摄影装置及光路示意图 熔滴通常处于电弧包围之中，因而往往被强烈的弧光所掩盖。为 了显示熔滴，就要削弱弧光和采用背光，以造成阴影像。在熔滴过渡 高速摄影中，为使熔滴能清楚地在底片上呈现，弧光与背光的亮度应 该有一个合适的比例，如背光太弱熔滴就显示不出来。这仅靠调整曝 光参数或加滤光片是无法满足两者的亮度比例要求的。因此。首先应 采用激光为背光；其次，要使用小孔光阑和干涉滤光片来联合滤除弧 光。 激光为单一波长平行光，经扩束后为近似平行光束，当投射到成 像物镜上时，透镜将此平行光束在其焦点位置会聚为一点，并顺利地 通过小孔光阑；而电弧光则是球面光，在成像物镜的焦点处则形成一 个一定大小的光斑，其中仅有小孔部分通过光阑，其余部分被阻挡。 从而达到衰减弧光的目的。干涉滤光片对相应激光波长的光是透明的， 而对其它波长的光则不透明，这样弧光中只剩下与激光波长楣同的光 透过，其它光则全被消去。通过上述措施衰减电弧光，在摄影机中便 可获得熔滴过渡的清晰阴影像。 2 2 1 2 提高拍摄质量的措施 1 正确选择放大率 电弧和熔滴均属于微小物体，为了分析和判读的需要，必须对像 第二章双丝脉冲d i g 焊试验系统 进行放大，因此须正确选择放大率。当焊丝直径为1 2 m m 时，若拍摄短 路过渡过程特别是液体小桥的状态，放大率2 3 为宜。若放大率太小， 则不利于分析和判读；若放大率太大，则对背光的亮度有较高的要求， 而且物距与焦距比较接近，调焦困难，容易使成像模糊。 2 慎重选择背光 以激光为背光适合拍摄弧光较强的自由过渡过程，如细颗粒过渡、 射流过渡等，由于激光为单色光。使干涉滤光片的选择比较容易，能 够拍出视场较大的、清晰程度较好的画面。不足之处是所需激光功率 较大，一般在1 5 r o w 以上。 3 恰当选择摄影频率 摄影频率( 单位时间拍摄的底片数) 的下限不要低于熔滴过渡频率 的1 0 倍，其上限约为熔滴过渡频率的5 0 倍。 2 2 ，2 高速摄像系统 在本课题中，高速摄像系统沿用了高速摄影系统的光路，高速摄 影仪为k o d a k 公司的f a s t c a m - s u p e r1 0 k c ，该仪器以面阵c c d 器r 件的 电扫描技术为核心，记录电弧形态，结果直接在监视器上显示，并可 以通过s c s i 卡与计算机进行通讯，所拍摄的图像可以下载到计算机的 硬盘中以便于永久性的保存和分析。 2 2 3 信号采集系统 该系统由科海霍尔传感器、科海电压模块和p c l 一1 8 0 0 数据采集 卡组成。 科海的霍尔传感器具有很好的线性度，高的精度，并有良好的安 全性能，能有效的保证数据采集卡、计算机的安全它由三部分组成， 分别是核心部件、电源部分、信号调理部分。科海焊接电流传感器使 用的传感器核心部件是电流霍尔效应器件，主要功能是把焊接电流的 强电信号转换为可由计算机处理的弱电信号；电源部分是由2 2 0 v 1 8 v 变压器、整流桥以及正负1 5 v 的稳压源组成。 1 4 第二章双丝脉冲m i g 焊试验系统 焊接过程电压信号的采集所用到的器件也是科海公司生产的元件， 用到的是磁平衡原理。其中主要的元件是两个电阻，其中一个用导线 接到焊机上的正负极上，以产生一个磁场，在这个电阻的旁边的一个 电阻在产生一个和这个以有磁场方向相反的磁场，使总磁场的大小为 零，根据那个反向磁场的大小确定焊接电压的大小。 2 2 4 直流电焊机双丝脉冲焊控制器 要在直流焊机上实现双丝脉冲直流的气体保护焊，首先在硬件上 需要开发一个直流电焊机双丝脉冲控制器，根据焊接的控制原理，将 其连接到焊机控制电路中，以达到直流脉冲焊中相关参数( 如焊接电 压峰值，电压基值，脉冲频率，占空比等) 的协调，并在该脉冲电压 下，进行焊接试验研究。 在本文中开发的脉冲控制器，以调节方便、经济实用为主要目的， 采用“黑匣子”方式，接口简洁，可通过焊机的端子板和多种直流焊 机方便地连接。 该直流电焊机双丝脉冲焊控制器在经过了数次设计方案的比较、调 整后，最终采用了以单片机为核心的结构。数字化结构具有很多优点： 如运行可靠，参数调整快捷、准确，便于应用数码管，人机界面友好。 直流电焊机双丝脉冲控制器在单片机的控制下，按照直流脉冲焊 的控制要求，生成频率、占空比可调的脉冲控制信号，将给定峰值及 基值电压通过光电耦合器送往受控制的直流焊机外接端子板，并以遥 控电压给定的方式控制电焊机的输出电压。 两路输出采用推挽式设计，波形为反相位，并且两路输出的峰值、 基值电压是互相独立可调的，普通单丝焊时只需接主输出即可，双丝 焊时将主、从两路输出都接上。另外，在控制器上设置键盘及数码管， 以增强操作的方便性及直观性。 2 2 5 其它焊接设备 在本试验中，采用了林肯v - 3 0 0 焊机，该焊机由于采用逆变技术 具有多功能性，能够为手工焊，t i g ，m i g ，f c a w 提供持续的电流或 电压。其温度调节保护装置可防止焊机过热，并延长逆变器的寿命， 第二章双丝脉冲m 【g 焊试验系统 并且，高输出关闭电路可防止超负荷发生引起对变频器元件的损害。 本试验所采用的送丝机是s 一8 6 a 型半自动送丝机，该送丝机应用 p i d 调节器作为中心环节。能够实现无级、等速送丝，焊丝受力均匀。 送丝力大。焊枪电缆为同轴式结构，将气、电、丝等合为一体，内部 送丝软管可随时方便更换。多圈电位器保证了送丝速度的精确给定调 节和控制，并且通过数码显示装置可直接读出送丝速度。 除了上述设备外，高速可调的焊接工作台也是必不可少的，本试 验采用了s w h t l a 一2 c 直线焊接工作台，该工作台有效行程达到 9 0 0 r a m ，最大载荷5 0 k g 。焊接工作台采用单轴数控，可设置三个区间 焊接工作台运行速度位置，直接显示焊接工作台运行速度位置，焊接 小车的移动速度就是该工艺条件下的焊接速度【3 4 1 。焊枪可进行二维调 节，分粗调和细调两种情况，细调通过手轮旋转实现，粗调可通过调 节紧固螺丝移动十字架实现，同时焊枪可进行4 5 0 的旋转，这样就可以 根据实际焊接情况确定焊枪的位置。 1 6 第三章双丝脉冲m i g 焊熔滴过渡研究 第三章双丝脉冲m i g 焊熔滴过渡研究 焊接过程的稳定是焊接质量的保证，对于熔化极气体保护焊来说， 焊接过程的稳定也就使电弧及熔滴过渡的稳定，因此研究双丝m i g 焊 熔滴过渡问题对于这种工艺的可用性起着至关重要的作用。双丝脉冲 m i g 焊接工艺是一种熔化极气体保护焊，因此需要首先弄清楚熔化极 气体保护焊中不同熔滴过渡方式的工艺特点。 3 1 熔化极气体保护焊熔滴过渡形式 熔化极气体保护焊有多种熔滴过渡形式1 3 钉，根据过渡的外观现象 ( 如过渡形态、熔滴尺寸和过渡频率等) ，主要分为两类基本的过渡 形式：短路过渡和自由过渡，自由过渡又可分为滴状过渡和喷射过渡。 1 短路过渡 短路过渡目前是细丝c 0 2 气体保护焊最常用的一种过渡形式，一般 出现在焊接过程的弧隙较小时，在熔滴尚未长得很大或脱落之前，熔 滴表面就和熔池相接触而形成液桥，使电弧熄灭。当液桥金属过渡到 熔池后，又会出现弧隙并使电弧复燃，接着又产生短路过渡。如此反 复进行，每秒钟短路次数可达几十次到一百多次。 2 滴状过渡 通常出现在焊接过程的弧隙较大对( 即长弧焊时) ，焊丝末端形 成较粗大的熔滴。当熔滴大到一定程度后，便脱离焊丝末端，通过电 弧空间而落入熔池。 焊丝末端形成粗大的熔滴后，除了受到斑点压力和熔滴表面金属 蒸发及析出气体的反作用力而产生摆动外，还易受到外界因素的干扰， 使熔滴发生强烈晃动，导致电弧飘荡、弧长经常改变和焊接规范不稳 定。熔滴的剧烈晃动，也会对保护气流产生扰动，从而削弱保护效果。 生产经验表明，滴状过渡的工艺佳能是很差的，因为滴状过渡时， 由于熔滴粗大且过渡频率很低，故得到的焊缝表面鱼鳞纹粗糙，甚至 呈现断续的焊缝成形。因此，滴状过渡目前在焊接生产中很少采用。 1 7 第三章双丝脉冲g 焊熔滴过渡研究 3 喷射过渡 发生滴状过渡时，随着焊接电流的增大，过渡的熔滴尺寸减小， 当焊接电流增加到超过某一定值后，熔滴过渡的特性发生突变，从熔 滴过渡变为喷射过渡。 滴状过渡转化为喷射过渡，只有在焊接电流大于某一范围值时才 发生突变。这种引起熔滴过渡形态产生突变的电流值称为“临界电流”， 可作为判断是否能形成喷射过渡的重要条件。 用连续喷射过渡电弧进行焊接时，焊丝末端的液体金属呈尖锥形， 并且焊丝金属的导热系数愈小，则焊丝末端液体金属呈尖锥形愈明显。 在强大的电磁力和等离子流力的作用下，焊丝末端的液体金属从尖锥 的顶端沿焊丝轴线方向连续喷出直径小及运动速度快的细小熔滴，形 成连续喷射过渡。连续喷射过渡电弧和焊接过程很稳定，金属飞溅小。 3 2 双丝脉；d 0 m i g 焊熔滴过渡形式 3 2