（材料加工工程专业论文）变极性埋弧焊焊缝成形和熔化速度及工艺参数优化研究.pdf

摘要 t a n d e m 模式的双丝埋弧焊由于具有高效、接头性能良好等特点，成为中 厚板焊接中应用最广泛的一种方法。但由于其热输入过大，焊后组织晶粒粗大， 力学性能尤其是韧性急剧下降，因此如何在保证较高焊接效率的同时控制热输入 成为其在生产中进一步推广应用的瓶颈。而变极性电源埋弧焊能够利用变极性电 源控制热输入和熔敷率的特点，较好的解决这一问题。本文通过研究变极性电源 埋弧焊频率、占空比d 及偏置量伐等参数对焊缝成形和焊丝熔化速度的影响规律， 为t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中前后丝工艺参数优化组合提供参考，为推动 变极性电源在中厚板高效埋弧焊的应用打下基础。 实验结果表明，在低于5 0 h z 时，频率对熔深和熔宽的影响显著，熔深随频 率的增加呈下降的趋势，而熔宽呈上升的趋势。在高于5 0 h z 时，频率对焊缝熔 深和熔宽的影响减弱。占空比1 3 和偏置量0 【对熔深与熔宽的影响相似，熔深均随 占空比d 和偏置量a 的增加呈递增趋势，而熔宽变化则相反。 通过大量的实验和理论分析，本文建立了适用于变极性电源埋弧焊焊丝熔 化速度的数学模型，该模型综合反映了占空比d 和偏置量a 对焊丝熔化速度的影 响规律。在本实验范围内，该模型的理论计算结果与实测的焊丝熔化速度的最大 偏差为9 6 ，具有一定的精度，可以满足工程实践的要求。同时，对t a n d e m 模式的双丝埋弧焊前后丝熔化速度进行了测定，对建立的单丝埋弧焊数学模型 进行了系数修正，提高了其应用于双丝焊时的计算精度。 本文还在v b 环境下开发了单( 双) 丝多层多道埋弧焊工艺参数优化设计 的工具。利用该优化工具可以实现工艺参数优化设置，对工艺人员进行工艺参数 制定具有较好的指导意义，并经实例证明其具有较强的实用性和较高的精准性。 关糊： 变极性电源；埋弧焊；占空比；偏置；熔化速度；焊缝成形 a b s t r a c t t a n d e ms u b m e r g e da r cw e l d i n g ( t a n d e ms a w ) h a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i nt h i c kp l a t es t e e ls t r u c t u r ed u et oi t sh i g he f f i c i e n c ya n db e t t e rw e l dj o i n t h o w e v e r ， t h es u p e r i o r i t yo ft a n d e ms a ww a sb a s e do ne x c e s s i v ee n e r g y ，w h i c hc a nr e s u l ti n c o a r s eg r a i n si nt h ew e l da n dh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) a n dp o o rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fw e l dj o i n t ，e s p e c i a l l yt o u g h n e s s t h e r e f o r e ，h o wt oc o n t r o lt h ee n e r g y a n d h i g he f f i c i e n c yi nt a n d e ms a w i sa k e yp o i n tt h eb o t t l e n e c ki nt h ep r o d u c t i o n a n df u r t h e rp r o m o t i o n ，w h i c hc a nb es o l v e db yu s i n gt h ev a r i a b l ep o l a r i t ys a w i n t h i sp a p e r ，w ec a np r o v i d eg u i d a n c et oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r so ft h el e a d t r a i la r ci nt a n d e ms a wb ys t u d y i n gt h ee f f e c to ff r e q u e n c y ，d u t yc y c l epa n d o f f s e t0 【o fv a r i a b l yp o l a r i t ys a wo nt h ew e l df o r m i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ew i r e m e l t i n gr a t e ( w m r ) ，a n dm a k et h ev a r i a b l ep o l a r i t yp o w e rs o u r c ea p p l yi nt a n d e m s a w t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti nt h el o wf r e q u e n c yr e g i m e ，t h a ti sb e l o w5 0 h z ，t h e f r e q u e n c ys h o w e do b v i o u se f f e c to nt h ew e l df o r m i n gp e r f o r m a n c e t h ep e n e t r a t i o n i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff r e q u e n c y ，b u tw e l dw i d t hs h o w e do p p o s i t et e n d e n c y i nt h eh i g hf r e q u e n c yr e g i m e ，w h i c hw a so v e r5 0 h z ，i t se f f e c to nt h ew e l df o r m i n g p e r f o r m a n c ew a sv e r ys l i g h t t h ee f f e c to fd u t yc y c l epo nw e l df o r m i n gp e r f o r m a n c e h a dal o tc o m m o nw i t ho f f s e to t t h ep e n e t r a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fd u t y c y c l eda n do f f s e t 值，a n dw e l dw i d t hw a so p p o s i t ew i t hp e n e t r a t i o n t h ee x p e r i m e n t o ft h el e a da r ca d o p t e ds u p e rl o wv o l t a g ei nt a n d e ms a ww a sc a r r i e do u ta n dt h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eg r e a t e rp e n e t r a t i o na n dt h es a m ew e l dp e r f o r m a n c ew e r e a c h i e v e db yu s i n gt h i sm o d e l ，w h i c hh a ds o m ep r a c t i c a lv a l u e an e wm a t h e m a t i c a lm o d e lo fw i r em e l t i n gr a t e ( w m r ) ，w h i c hc o n s i d e r e dt h e e f f e c t so fd u t yc y c l epa n do f f s e tg t ，w a se s t a b l i s h e df o rt h ev a r i a b l ep o l a r i t ys a w t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h ee r r o ro ft h en e wm o d e lw a sn om o r et h a n9 6 t h i sm o d e lc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ew i r em e l t i n gr a t ei na c t u a li n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e w m ro f t h el c a da n dt r a i la r ci nt a n d e ms a ww a s m e a s u r e d a n dt h er a n g eo fc o r r e c t i o nf a c t o ro ft h i sn e wm o d e lw a sg i v e n ，w h i c hw a s a p p l i e di nt a n d e ms a w t ob em o r ea c c u r a c y i na d d i t i o n ，am u l t i - l a y e rm u l t i c h a n n e li n t e r f a c eo fs i n g l e ( d o u b l e ) w i r es a w h a sb e e nd e v e l o p e du s i n gv bl a n g u a g e ，w h i c hc a no f f e rg o o dg u i d et ot h et e c h n i c i a n i nd e s i g n i n gt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s a n di tw a sp r o v e dt h a tt h ei n t e r f a c e w a s p r a c t i c a lw i t ha ne x a m p l e k e yw o r d s ：v a r i a b l e p o l a r i t yp o w e rs o u r c e ，s a w , d u t yc y c l e ，o f f s e t ，m e l t i n g r a t e ，w e l df o r m i n gp e r f o r m a n c e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 双( 多) 丝埋弧焊应用工业背景 由于埋弧焊工艺具有焊接电流大、熔深大、生产效率高、焊缝外观质量好、 自动化程度高及无弧光等优点，目前广泛应用于中厚板不锈钢、铜合金及耐磨金 属等材料的焊接、堆焊。埋弧焊利用焊剂及覆盖在焊缝金属表面的渣壳既隔离了 熔池金属与空气的接触，又降低了熔池金属的冷却速度，使得冶金反应更加充分， 杂质减少，降低了焊缝生成气孔、裂纹等缺陷的敏感性。 随着现代冶金技术的不断进步，具有抗裂、抗腐蚀、高强度和高韧性，特别 是对热输入不敏感的焊材不断产生，这就减少了对埋弧焊这种高电流密度、大热 输入焊接方法使用的制约，为拓宽埋弧焊的应用范围提供了机会【lj 。而且，随着 船舶、起重机械、压力容器、海洋工程等工业的快速发展，国家相关政策对制造 业“发展高效焊接”、“提高焊接机械化、自动化水平”等的大力支持，例如造船 行业要求焊接机械化、自动化程度要求达到9 0 ，这也极大的推动了埋弧焊技术 的不断发展。在工艺方面，为达到一些特定的焊接要求而产生出很多新的工艺， 如双( 多) 丝埋弧焊、添加合金粉末埋弧焊、热丝填充埋弧焊等【2 4 1 ，特别是双 ( 多) 丝埋弧焊发展迅速，广泛应用于管道制造( 如图1 1 所示) 、海洋平台结 构、压力容器、建筑钢结构等领域【5 。引。因此，对双( 多) 丝埋弧焊工艺及相关 方面的研究很有现实意义。 图1 1 双( 多) 丝埋弧焊应用于管道焊接 第一章绪论 1 2 双丝埋弧焊分类及特点 1 2 1 双丝埋弧焊分类 双丝埋弧焊按电源数目多少可以分为单电源和双电源两种。双丝单电源埋弧 焊( t w i n ) 是两个电弧共用一个电源，两根焊丝以同一速度且同时通过同一导 电嘴向外送出，在焊剂覆盖的坡口中熔化，其工作模式如图1 2 所示。这种双丝 埋弧焊设备简单，成本较低，但使用单一电源，两个电弧的工艺参数不能单独调 节。同时，由于两丝靠得较近，两电弧相互干扰比较严重。这种双丝埋弧焊可使 用交直流电源，一般直流反接能得到较好的效果。焊丝的排列形式及焊丝间距 是影响这种双丝埋弧焊焊缝成形和焊接质量的重要因素，而焊丝间距及排列方式 取决于焊丝直径和焊接参数【9 1 。两焊丝既可纵向排列也可横向排列或成任意角 度。 图1 2t w i n 模式的双丝埋弧焊 图1 3t a n d e m 模式的双丝埋弧焊 双丝双电源埋弧焊( t a n d e m ) 是每根焊丝由一个电源独立供电，其工作 模式如图1 3 所示。根据两焊丝间距的不同，可以分为共熔池( 8 0 m m ) 两种。前者特别适合焊丝掺合金堆焊或焊接合金钢，而后者能起到 前弧预热、后弧填丝及后热的作用，以达到焊接或堆焊合金钢不出现裂纹和改善 焊接接头性能的目的【1 0 】。生产中一般多采用共熔池的形式，因为这种方式不仅可 以提高焊接速度，而且熔池体积大，存在时问长，冶金反应充分，大大降低了气 孔及裂纹产生的敏感性。 t a n d e m 模式的双丝埋弧焊能够克服t w i n 模式中单电源两个电弧工艺参 数不能单独调节的问题。同时，t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中前后丝采用交流 电源，通过独立调节两弧之间相位差，可以达到减小电磁干扰和电弧偏吹的目的。 第一章绪论 t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中，前丝和后丝共同决定了工件的热输入、最终的 组织状态和使用性能。通常t a n d e m 模式的埋弧焊中前后丝采用的电源模式为 直流反接正弦交流，前丝直流反接的作用是保证熔深，一般采用焊接电流较大、 电弧电压较小的工艺参数，后丝正弦交流的作用是保证熔池宽度和焊缝形状，一 般采用焊接电流较小、电弧电压较高的工艺参数。由于这种模式的双丝埋弧焊具 有熔深较大，熔敷率较高，且焊缝金属稀释率接近于单丝埋弧焊的特点，在提高 效率的基础上保证了焊接质量，因此在国内外的造船厂、高压容器厂和制管厂得 到了广泛的应用 1 1 - 1 5 。 1 2 2 双丝埋弧焊特点 单丝埋弧焊时为了提高效率，常采用增加焊接电流和提高焊接速度的方法， 但是这会导致焊缝成形恶化，产生咬边、晶粒粗大等缺陷，焊接接头质量下降。 因此，这两种提高效率的方法在单丝埋弧焊时受到限制。双丝埋弧焊是在单丝埋 弧焊基础上发展起来的高效焊接方法。相对于单丝埋弧焊，t a n d e m 模式的双 丝埋弧焊最显著的特点就是拥有较高的熔敷效率和焊接速度，生产效率得到有效 提高，同时又能获得合理的焊缝成形和良好的焊接质量。其特点如下： ( 1 ) 高速。t a n d e m 模式的双丝埋弧焊焊接时形成的熔池较大，金属在固 熔态存在的时间较长，因此相对于单电弧时的冷却速度和热循环过程较慢，这就 使焊缝中的微量元素有较长时间进行扩散。同时，焊缝中的低熔点共熔物因过冷 度的降低也减少了成分偏析。所有这些特点反映到焊接上，均表现为焊速提高， 这在厚度较小的材料焊接中已得到验证6 | 。 ( 2 ) 焊缝成形改善。在高速焊接过程中，单电弧由于能量密度集中于一点， 电弧穿透力强、冷却速度较快，熔化的金属来不及摊开而出现梨形焊道，成形质 量严重下降。而采用t a n d e m 模式的双丝埋弧焊，电弧能量增加，熔池冷却速 度降低，避免高速焊时梨形焊道的产生，成形质量得到一定的改善。 ( 3 ) 高熔敷率。t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中，前后丝可以根据实际需要 采用不同的电源模式。据米勒工厂提供的数据显示，以相同的焊接电流、电压进 行焊接，在占空比为6 3 e n 时，单位时间所能熔化的焊丝总量，交流方波电源 比直流电源多5 9 【1 7 】。因为使用交流方波电源，在电流换相期问，电源停止输 出大能量，此时虽然电弧温度下降，但焊丝端部的温度仍能达到15 0 0 ，在余 热的作用下焊丝仍在熔化，这部分能量被充分利用，从而提高了热量的利用率。 ( 4 ) 避免磁偏吹。采用单丝埋弧焊时电弧存在偏摆现象，而t w i n 模式的双 丝埋弧焊采用单电源且双丝距离较近，存在严重的电弧干扰现象。t a n d e m 模 式的双丝埋弧焊中前后丝可以采用不同的电源模式，如均采用变极性电源，通 第一章绪论 过调节焊接电流相位角关系，能够减小电弧干扰现象。同时交变的磁场有利于防 止电弧偏摆，防止因保护不好而出现气孔和裂纹等缺陷。 1 3 双( 多) 丝埋弧焊国内外研究现状 由于双( 多) 丝埋弧焊可以减少焊接道数，提高熔敷率，焊接生产效率得到 大幅度提高，许多学者对其工艺参数和力学性能研究较多。在国内，蔡立民1 1 7 j 以m z s 1 2 5 0 型双弧双丝焊机为例，对其工艺特点进行了说明。郭鹏等1 1 8 1 对 d 6 a 钢厚壁筒体进行了双丝埋弧焊工艺研究，分析了各种因素对焊接接头的影 响。徐济进等【19 】对a 1 0 5 钢的双丝埋弧焊中厚板对接试验进行了研究，结果表 明这种焊接方法可以满足大直径全焊接球阀的制造要求。王庆鹏【2 0 1 等对国家体育 场、中央电视台新址等钢结构中所使用厚板q 4 2 0 进行了双弧双丝埋弧焊试验研 究，对试验中出现的裂纹等缺陷进行了工艺改进，检测结果说明这种工艺虽然有 较大的焊接热输入，但仍能够保证q 4 2 0 及以下强度各钢种的焊接质量，真正实 现了双弧双丝埋弧焊在建筑钢结构行业中的采用和推广。屈金山1 2 l 】等对双丝埋弧 焊和单丝埋弧焊在1 6 m n 上进行了熔敷率、不同工艺参数下焊后力学性能的比 较，结果表明在热输入不变的条件下，双丝埋弧焊比单丝埋弧焊具有更高的熔敷 率和焊速，但冲击韧性稍有下降。胡德虎等【2 2 】对双丝螺旋埋弧焊各种工艺参数进 行优化与选择，克服了焊接中内焊空间不足，调整难度大等问题，指出了提高双 丝焊焊接质量的控制要点，为生产中广泛使用双丝埋弧焊技术提供了指导。付魁 军等【2 3 j 以x 7 0 管线钢为对象，研究了双丝埋弧焊工艺参数对焊接接头金相组织 与力学性能的影响。结果表明，焊接热输入是影响焊缝及热影响区韧性的主要因 素。高国兵等【2 4 】人介绍了三丝埋弧焊技术应用于厚板焊接的工艺技术和特点，并 通过试验进行了工艺评定。此外，资阳钢管厂、华北油田钢管厂和宝鸡钢管厂双 丝大螺旋焊管生产线的改造以及其他非石油行业制管厂家的直缝焊管生产线的 新建等，均为双( 多) 丝埋弧焊的发展提供了绝好机遇【9 l 。所以，随着双( 多) 丝 焊技术的逐渐成熟，其应用范围扩大到其他领域只是时间问题。 在国外，双( 多) 丝埋弧焊技术发展较早，其应用也非常广泛。有很多学者 致力于双( 多) 丝埋弧焊效率的提高。其中j t u s e k 等对并列多丝埋弧焊方法进 行了较系统的研究后【2 5 ，首先提出了金属粉末双丝埋弧焊 2 6 】，之后瑞典h o g a n a s 公司成功将其推广到多丝埋弧焊上。v v s h u r u p o v 等【27 j 对1 0 k h s n d 和 1 0 k h s n d a 两种桥梁结构钢使用双丝埋弧焊焊接接头的硬度、冲击韧性等进行 了研究，实验结果表明焊缝、热影响区的力学性能均能达到与母材相应的数值， 同时使用双丝埋弧焊能使焊接效率提高2 4 5 倍，焊接材料消耗减少。a b h a y s h a r m a 等【2 8 】对双丝埋弧焊利用不同的模型组合参数对前导电弧和尾拖电弧形态 4 第一章绪论 进行了研究。实验证明，两电弧之间的热源在几何形态和热流分布上存在差异， 同时模拟结果表明前导电弧主要负责熔深，尾拖电弧主要负责熔敷率。j t u s e k 等【2 9 】通过对单丝、双丝及三丝埋弧焊工艺参数、焊丝熔敷率、保护焊剂消耗量、 焊缝接头检测及微观截面分析等进行实验研究。结果表明使用双丝或三丝可以获 得高质量的焊接接头，使用双丝埋弧焊可以使焊接材料消耗减少2 0 ，而三丝埋 弧焊这一数据可达到3 0 ，同时使用三丝埋弧焊通过调节焊丝排布位置，更加适 合不同结构形式和不同的焊接要求。 1 4 变极性埋弧焊优势及应用 1 4 1 波形控制技术 在焊接领域，如何使焊接电源技术与焊接工艺技术完美结合是目前的发展趋 势，而波形控制技术是实现这一过程的媒介。因此研究波形控制技术是推动焊接 电源与工艺技术不断发展的重要内容之一。这种技术的最大优势是在小热输入下 能够获得更多的熔敷金属，提高焊接效率，既保证焊接接头质量又改善焊缝成形。 此外，该技术对防止磁偏吹也具有明显改善作用。 波形控制技术可以根据焊接需要获得不同的电流输出波形，避免了传统直流 和正弦交流电源只有一种固定波形的缺点，因此一直是焊接电源与控制技术的研 究热点。目前波形控制技术经过后级二次逆变转换，已经从原来的非熔化极 ( t i g 、p a w ) 焊接应用扩展到熔化极焊接( s a w 、m i g ) 应用。 在中厚板多层多道焊接中，为了兼顾效率与质量，每层焊的工艺参数应该有 目的的进行调节。如打底层采用较小的热输入获得较大的熔深，填充层应既能保 证后一焊道对前一焊道有明显正火作用以保证层间质量，同时又应具有较高的熔 r 辟 电 流 间问 电 流 打底焊填充焊盖面焊 图1 4 变极性波形变化对埋弧焊焊缝成形的影响 间 第一章绪论 敷率以快速填满坡口，而盖面层既要成形美观又要高效率。如图1 4 所示，利用 波形控制技术，可以根据需要采用不同的波形。打底层为了在较小热输入下获得 较大熔深，选用较小电流与直流反接组合，填充层为了获得较高熔敷率可以采用 偏负向的波形，而盖面层为了保证成形美观，可以进一步提高负半波的比例和电 流幅值。 1 4 2 变极性埋弧焊在双丝中的应用前景 双丝埋弧焊虽然具有高速高效的特点，但这些特点是依靠大热输入的途径实 现的。当生产中对焊接接头质量提出较高要求或工件服役条件苛刻( 低温环境、 腐蚀介质) 时，双丝埋弧焊过大的热输入会导致焊缝及热影响区晶粒粗大，致使 焊接接头的力学性能特别是韧性指标难以保证。另外，大幅提高焊接速度将产生 焊缝成形恶化，出现咬边、裂纹等缺陷，也会降低焊接接头质量。因此，高质量 与高效率相互矛盾成为双丝埋弧焊亟待解决的问题之一。 而变极性埋弧焊通过采用波形控制技术，避免了直流埋弧焊磁偏吹、正弦交 流埋弧焊过零速度慢而再次引弧困难等问题，实现了电流频率、正负半波导通比 例( 占空比b ) 和正负半波电流幅值( 偏置量a ) 等参数可以分别独立调节的功 能。其典型的电流输出波形如图1 5 所示。 电流 时间 时间 i p d c e p 半波电流幅值t p 。d c e p 半波时间 图1 5 变极性电源典型输出电流波形 利用变极性埋弧焊可以根据不同材料要求，通过调节焊接电流的正负半波时 间比例、幅值和频率，确定合适的电流波形和最佳的焊接规范，从而方便地改变 电弧形态、电弧作用力及母材的热输入量，达到控制工件热输入、获得最佳熔深 第一章绪论 和熔敷率、提高生产效率及正反面成形的目的。此外，这种焊接方法还具有类似 脉冲焊的特点，能够细化晶粒，提高焊接接头性能，同时增强熔池搅拌作用，从 而达到减少和抑制焊缝中产生气孔的目的【3 引。 目前，t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中前后丝搭配的电源模式通常为直流反 接正弦交流，这种电源搭配方式前后丝分工太明确，工艺参数可调范围较少， 很难达到控制热输入的目的，同时两电弧之间的电磁干扰也较严重，成形质量并 不是太好。如果将变极性电源应用到t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中，即前后 丝均采用变极性电源，这就可以充分利用变极性电源可调参数众多如频率、占空 比1 3 及偏置量等以及其具有的独特优点，为前后丝设置不同的工艺参数组合， 从而极大满足生产要求。 前丝通过调节频率、占空比p 及偏置量a 等参数，使输入工件的热量减少和 增大焊接电弧力对熔池的冲击作用，达到与直流反接时几乎相同的效果，从而减 小t a n d e m 模式的双丝埋弧焊过大的热输入，获得优良焊接质量。而后丝也可 通过调节频率、占空比1 3 及偏置量a 等参数，使热量尽可能多的用于熔化焊丝， 获得较大的熔敷率的同时又保证焊缝成形美观。此外，在t a n d e m 模式的双丝 埋弧焊中，当两弧的相位角相差0 度时电弧相互吸引，当相位角相差1 8 0 度时电 弧相互排斥。若前后丝均采用变极性电源，可以调节通过前后丝焊接电流的相 位角，使其相差9 0 度，如图1 - 6 所示( 其中粗实线和细实线分别代表两个不同 的电弧) ，可以最大限度的减小两电弧之间的干扰，解决电弧相互干扰现象，使 焊接过程稳定，获得优良的焊缝成形1 3 1 | 。 电 流 一电弧l 电弧2 图1 - 6 双丝埋弧焊两弧相位控制 角度 正因为变极性埋弧焊具有这样的优势，将其成功应用于t a n d e m 模式的双 丝埋弧焊中具有重大的现实意义。但应用的前提是首先必须对变极性埋弧焊频 第一章绪论 率、占空比1 3 及偏置量c 【等参数进行深入的研究，如这些参数如何影响焊接过程， 如何影响焊接电弧的热量分配，如何影响焊缝成形等。所以，对变极性埋弧焊参 数的研究工作势在必行。对传统t a n d e m 模式的双丝埋弧焊常采用直流反接 正弦交流的模式，霍光瑞等【3 2 】对其工艺参数与焊道成形关系进行了研究，系统分 析了焊接电流、电弧电压、焊接速度、双丝间距及位置组合、热输入、坡口形式 等与焊道成形的关系。杨秀芝等【3 3 】也对双丝埋弧焊工艺参数与焊缝成形进行了研 究，着重对焊丝间距对焊缝成形的影响进行了研究，并从接头成形和力学性能角 度分析，双丝间距、焊接速度以及焊接电流、电压应控制在合理的范围内，提出 采用大的焊接速度应选用较小的双丝问距，在中等焊接速度下，双丝间距控制在 2 0 1 0 0 m m ，同时焊接速度应控制在6 0 0 1 0 0 0 m m m i n 。但是针对变极性电源埋 弧焊频率、占空比d 及偏置量等参数对焊缝成形的研究很少。而合理的焊缝成 形是获得优良焊接质量的前提，所以只有掌握了其影响规律，才能根据生产需要 对t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中前后丝进行工艺参数合理组合，制定优化的 工艺参数，真正实现变极性电源在t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中的应用。 t a n d e m 模式的双丝埋弧焊高速高效的特点非常适合中厚板的焊接，而中 厚板焊接必然采用多层多道的焊接方法。多层多道焊时每层都有不同的规范要 求，如何在保证质量的前提下，使填充金属在较短的时间内填满坡口，这成为提 高生产效率的有效途径。填充金属量是由熔化的焊丝量决定，焊丝的熔化与焊接 电弧产热有关，因此当在t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中应用变极性电源时，就 必须研究变极性电源埋弧焊频率、占空比p 及偏置量0 【等参数对焊丝熔化速度的 影响规律。 在t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中使用变极性电源，从理论上可以极大改善 双丝埋弧焊的焊接质量，进一步扩大其生产应用范围。但变极性电源参数众多， 这会给本来就比较复杂的双丝工艺参数特别是多层多道焊工艺参数制定增加难 度。此时，传统的借助人工查阅经验焊接参数制定工艺的方法就显得不实用，而 且这会导致重复的工艺评定和焊接工艺规程，浪费不必要的人力和财力。因此需 要借助计算机智能的特点，开发实用的焊接专家系统。文献 3 4 - 3 6 1 介绍介绍了相关 系统的研究，如利用构造评价函数的方法进行焊接方法的优化，对系统数据库、 模块的设计等。工艺人员制定工艺参数时只需要调用系统中包含焊接母材库、焊 接规范参数数据库、焊接方法( 质量、效率和成本因子库) 等多种数据库就可以。 其对工艺人员仅实现了相关或相似母材、焊接参数等数据查阅的方便，对工艺参 数如何优化却没有涉及，不能够实现工艺人员自主进行参数设定、优化等功能。 本文采用v b 语言开发了针对中厚板多层多道单( 双) 丝埋弧焊工艺参数优化的 设计界面，从另一角度看是对焊接专家系统的进一步完善，具有工程实践指导意 第一章绪论 义。 1 5 本课题研究内容及技术路线 本文利用实验室p o w e rw a v ea c d c10 0 0 变极性埋弧焊焊机，研究频率、 占空比b 及偏置量0 【等参数与焊缝成形及焊丝熔化速度之间的影响规律，建立适 用于变极性电源埋弧焊焊丝熔化速度数学模型。同时，建立单( 双) 丝埋弧焊参 数优化界面，对实际生产提供指导意义。主要包括三部分内容： ( 1 ) 变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 ( 2 ) 变极性埋弧焊焊丝熔化速度数学模型的建立 ( 3 ) 多层多道埋弧焊工艺参数优化设计方法 其具体的实施技术路线如图1 7 所示。 i 对焊缝成形的影响规律对焊丝熔化速度的影响规律 孤 焊丝熔化速度模型 、 ， o 参数优化设计界面 u 为产品设定优化的焊接工艺参数 竺r 出妙 焊接工艺文件 图1 7技术路线 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 2 1 焊缝成形原理及影响因素 埋弧焊时，在焊接电弧热的作用下，母材、焊丝和焊剂被加热、熔化，共同 形成具有一定几何形状的熔池。由于焊接电弧沿着焊件接缝不断移动，因此熔池 也是移动的。在移动过程中，一方面，熔池在电弧力、表面张力及自身重力等共 同作用下保持一定的形状尺寸，另一方面，熔池尾部的液体金属逐渐远离电弧热 源，温度降低，不断凝固形成焊缝。 由于焊缝是由熔池凝固形成的，因此熔池的形状将决定焊缝的形状。焊缝的 形状一般指焊缝横截面的形状，通常采用焊缝熔深h ( 母材熔化的深度) 、焊缝 熔宽b ( 两焊趾之间的距离) 和焊缝余高h ( 焊缝横截面上焊趾连线之上的那部 分焊缝金属的最大高度) 来描述，图2 1 所示为t a n d e m 模式的双丝埋弧焊焊 缝截面示意图。由图知，在t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中，前后丝工艺参数对 获得合理焊缝成形所起作用是不相同的。前丝采用较大电流、较小电压保证一定 的熔深，后丝采用较小电流、较大电压保证一定的熔宽。 图2 1t a n d e m 模式的双丝埋弧焊焊缝截面 1 决定于前丝焊接电流2 决定于后丝焊接电流 3 决定于前丝焊接电压4 决定于后丝焊接电压 埋弧焊热效率系数较高，最大能达到0 9 。焊接电弧产热几乎全部用于熔化 母材、填充金属和焊剂，能显著影响熔池的形状尺寸。焊接电弧由阴极区、弧柱 区和阳极区三部分组成，每一部分对应不同的电压降，电弧各区的电压分布如图 2 2 所示。由图知，对每个焊接电弧，电弧电压u 。都等于阴极电压降u k 、弧 柱电压降u c 和阳极电压降u a 之和，即 u 。= u k + u c + u a ( 2 1 ) l o 阴 极区篓裟銎毫黧鬻电弧提黼总能鼬阴溉弧褪栅 极区三部分承担，其总能量p 可表示为 一一岫叫抛里喇删做区、弧柱区和阳 托甘甘i 、f 出 ，p 地+ p c + p a = i u k “u c + i u + i u a ( 2 蒜熏瀑塞豢蠹笼怒鬻- 2 ) 区产热机制很复杂，对各区的产热分析夏磊刍甚荔巾。烈：三竺苎由于各 要因素。目前，公认的各区产热公式二毒黼一性心儿刚万研也程中忽略些次 阴饭匹串位圩亨嘲内获得的热能p k 为 阳极区单位时间内荔怨的赫p k 台= 匕i 。( o k 、i - u w u t ) ( 2 - 3 ) 阳极区单位时间内获得的热能p a 为n 叫7 凇呦懒得的箍篓w ( 2 - 4 ) ；：垒。? u t 分另崂电子逸出电压和弧柱区温度的等效电压。 忆。 此时繁等富黧嚣慧登i 曼柱区的平均温度纂i 已翥密度较大， 嚣翟y ，和艺等翼璧时在使用含著裂茹湍；麓琴瓮 掌纛纛= 二黧，墨二k ：欺，且；当磊翼篙瓮差毒函弑_ 黧黼嚣燃彭版蛐况概。；二淼二蔫霖煞亲 进而星燃簸篇鬈篓；耄共同作腮响燃电弧产热及燃蹴 辫然慧然警，电盂菇三焉茹冀篡釜篙： 黧蒌黧霎磁一翟 弧斑耋篓翌萤围受到限制，所以熔宽的增磊瑟? 八。阡册鞭增加更快电 电源极性、焊接工艺参数除通过电弧产热嘉茹鑫成形产生影响外，也会通过 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 电弧力对焊缝成形产生影响。焊接电弧力主要包括电弧静压力、电弧动压力和斑 点压力三种。电弧静压力是由通过电弧的无数平行电流线之间的相互吸引力，在 上下不同直径构成的圆锥状电弧上引起压力差而产生，其作用于熔池表面，使熔 池下凹。同时，焊接电弧中的气体粒子在其作用下形成连续不断的粒子流，特别 是电弧中心处的粒子对熔池产生的作用力最强，有助于熔深的增加。而斑点压力 包括正粒子和电子对电极的撞击力等，其大小与电源极性有关。直流反接时，工 件接阴极受到正粒子的撞击，焊丝接阳极受到电子的撞击。由于正粒子质量大且 阴极压降也大，导致阴极即熔池受到的撞击力大于电极，液体金属在这种较大的 斑点压力作用下向下流动，将熔池中心的热量带向熔池底部，因此熔深加大。在 埋弧焊中，由于采用熔渣保护，电弧及熔池处于密封空间，外界气体流入较少， 因此电弧动压力不起主要作用，焊接电弧力主要以电弧静压力和斑点压力为主。 由上可知，焊缝成形好坏与焊接工艺参数、电源极性紧密有关，而变极性埋 弧焊中，调节频率、占空比b 及偏置量0 l 等参数会影响电源正负极存在的时间及 电流大小，这些参数的变化会影响焊接电弧产热和焊接电弧力的大小，进而影响 焊缝成形。在t a n d e m 模式的双丝埋弧焊中应用这种变极性电源，在制定工艺 参数时可以根据生产需要，通过调节频率、占空比b 及偏置量c 【等参数更加合理 的控制焊缝成形，保证焊接质量。所以需要对变极性埋弧焊参数影响焊缝成形的 规律进行研究。 2 2 变极性埋弧焊参数影响焊缝成形理论分析 2 2 1 频率对焊缝成形的影响 变极性埋弧焊频率( 周期) 大小决定电源正负极性转变快慢，其相应的各 区产热也会不同。图2 3 所示为不同频率( 周期) 电流理想输出波形图。 电 流 t l 一一 一 一11 一 f t l t 2 _ 3 -2 一 e t 2 间 i n 图2 3 不同频率( 周期) 电流理想输出波形 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 假设周期为t l 和t 2 的电流为正值与负值的时间( 占空比b 相同) 、大小均 相同( 偏置量0 【相同) ，即t l = 2 t 1 ，t 2 = 2 t 2 ，t l = 2 t 2 。以t 2 为参考时间段，此时 周期为t 。的电流一直为正值，而周期为t 2 的电流仅有一半为正值。在第一个t 2 时间段内，由f t = k p = m ( v 2 一v 1 ) 知，其中f 为电弧静压力，v l 和v 2 分别为焊 接电弧中正粒子的初始速度( 一般为零) 和冲击熔池的速度，周期为t 和周期 为t 2 的电弧中的正粒子末速度v 2 相同，但在第二个t 2 时间段内，周期为t l 的 电源极性没有发生改变，电弧中的正粒子仍在加速，而周期为t 2 的电源极性发 生改变，电弧中正粒子减速。因此，在这个时间段结束时，周期为t 1 的电弧中 的正粒子速度大于周期为t 2 的电弧中的正粒子的速度，正粒子对熔池的冲击作 用较大，产生较大的熔深。所以，随着频率的增加，电源在某一极性维持的时间 变短，大量正粒子在电场的作用下基本都在电弧空间中往返运动，而对熔池的冲 击力减弱，因此焊缝熔深减小。 2 2 2 占空比1 3 对焊缝成形的影响 在变极性埋弧焊中，占空比1 3 表示一个周期中电流为正值的时间所占比例。 占空比b 不同会影响工件、焊丝产热以及焊接电弧力的大小，从而影响焊缝成形。 图2 4 所示为频率、偏置量a 相同时不同占空比1 3 电流理想输出波形图。当 占空比d 增大时，电流为正的时间增加，即t s t 3 ，此时，工件处于阴极的时间加 长，相应的工件热量增大，熔深增加。同时，由f t = k p - m ( v 4 v 3 ) ，其中f 为 电弧静压力，v 3 和v 4 分别为焊接电弧中正粒子的初始速度( 一般为零) 和冲击 熔池的速度，占空比b 增大，电流为正的时间增加，这将使焊接电弧中正粒子对 熔池的冲击速度v 。增大。因此，随着占空比p 的增大，工件产热增加，正粒子 对熔池的冲击作用加大，二者共同作用使熔深增大。相反，熔深变浅，用于熔化 焊丝热量多，熔敷率提高。 电 流 l t 3 - t 3 一 一e t 4 一 t 5 一t 3e 卜 t 6 f n q 间 图2 - 4 不同占空比1 3 电流理想输出波形 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 2 2 3 偏置量a 对焊缝成形的影响 在变极性埋弧焊中，除了频率、占空比p 对焊缝成形有影响外，偏置量c 【 也会对焊缝成形产生影响。在频率和占空比p 保持不变时，偏置量0 【为正值，表 示电流为正时的幅值增大，为负时的幅值减小，且仅越大，电流幅值变化越大。 反之，情况相反。电流幅值随偏置量a 变化情况如图2 5 所示。 电 流 1 、4- l 7 t 7 偏置量a 乃一 一t 7 7 t 7 为正值 n , 2 f u q 为负值 时i 日- j 图2 5 不同偏置量0 【电流理想输出波形 偏置量a 为正值相比偏置量仪为0 时，电流为正时的幅值增大，电流密度增 大，焊接电弧力增加，对熔池向下的冲击作用加大，因此熔深增加。而且此时工 件接负，用于熔化工件的热量随着焊接电流的增加而增加，这也致使熔深增加。 相反，偏置量g t 为负值时，用于熔化工件的热量减少，热影响区变窄，熔深变浅。 同时焊丝熔敷率增加，熔宽有一定的增加。 综上分析知，采用变极性埋弧焊时，频率、占空比d 和偏置量c 【等参数不仅 会对熔化工件与焊丝的热量分配产生影响，也会对焊接电弧力产生影响，这二者 共同作用影响焊缝成形，从而影响焊接接头质量。但以上仅仅是理论分析，需要 通过实验进一步验证。 2 3 试验设备、材料与方案 2 3 1 实验设备 本文采用林肯p o w e rw a v ea c d c1 0 0 0 埋弧焊机，如图2 - 6 所示。林肯p o w e r w a v ea c d c1 0 0 0 机器是第一台将波形控制技术应用于埋弧焊的电源，该焊机 具有直流和交流方波( 带2 5 正负偏置功能) 两种输出波形，输出频率在 1 0 1 0 0 h z 范围内连续可调。焊接电流在1 0 0 - 1 0 0 0 a 范围连续可调。可以满足各 种焊丝直径和焊接材料的焊接需要。焊机具有网络控制功能，可以对各种焊接参 1 4 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 数进行自动记录和分析。该焊机最突出的优势在于当输出交流方波波形时，具有 灵活的波形控制技术，利用波形变化可控制熔深和焊道形状，实现焊丝负半周熔 敷无电弧偏吹以及电弧与电弧的干扰由相位转换控制，从而实现焊接过程的最佳 控制。此外，该焊机采用全模块化逆变型焊接电源，具有平特性，下降特性或功 率调节技术，可用于多弧焊系统的电子相位调整，三相功率因数校正输入，电弧 特性不受输入电源变化影响等众多特点。 图2 - 6 林肯p o w e rw a v ea c d c10 0 0 埋弧焊机 该焊机主要由主辅两焊机、十字梁型焊接操作机、送丝系统和焊剂漏斗、 p o w e rf e e d10 ac o n t r o l l e r 四大部分构成。 一、主辅焊机 主焊机供给前丝电源，辅焊机供给后丝电源，两台焊机通过控制盒实现主焊 机对辅焊机的控制。 二、十字梁型焊接操作机 该焊接操作具有平移、升降、旋转三个自由度，可以实现最大焊接长度3 米， 微调 上移按钮 微调 卜移按钮 焊接机头焊剂收激光指j ； ，婴翌。+ 蝥翌：d 起弧按钮熄弧按钮急停按钮 生移按钮右移按钮 赳“搜m埘“搜m芯厅殳司1 图2 7a u t o 控制盒面板布局图 第二章变极性埋弧焊参数对焊缝成形的影响 最大焊接直径1 米。机头行走速度范围为o 1 1 3 m m i n 。机头的运动由a u t o 控制盒来完成，其控制面板布局如图2 7 所示。 三、送丝系统和焊剂漏斗 送丝系统由前后两独立送丝机p o w e rf e e d1 0s f h 组成，通过主辅焊机供 给电源实现前后两丝独立送丝。该送丝系统与焊剂漏斗位于十字梁型焊接操作 机的机头部位。 四、p o w e rf e e dl0 ac o n t r o l l e r 双丝埋弧焊的所有工艺参数，计时器，程序记忆，配置和诊断故障都需从控 制箱操作，其布局如下图2 - 8 所示。 w f s a m p sv o l t s t r i m oo 厂弋 l 一 s t a r t s t o p o n o f f a u t o f l u x f 工l l 厂弋 一 l 一 i r p o r t w e l dm o f e a cc o n t r o l w a v e f o r mc o n y r o lt e c h n o l o g y s e t i n c h u p i n c h d o w n 1 s t a r to p t i o n s e n do p t i o n s 图2 - 8 p o w e rf e e dio ac o n t r o l l e r 面板布局图