（材料加工工程专业论文）新型厚板钢结构大电流高效time焊接技术的研究与应用.pdf

上海交通大学博士后研究工作报告 厚板钢结构大电流高效新型t i m e 焊接 技术的研究与应用 摘要采用c a d c a m 技术对厚板钢结构大电流t i m e 焊枪结构、 高速送丝系统、多元保护气体、焊接电源等系统进行了设计、研制与改 造，使用f e m 数值计算方法对厚板钢结构大电流t i m e 焊枪结构等系 统进行了优化，研制出来的厚板钢结构大电流t i m e 焊接系统经焊接 工艺实验以及焊接质量检验，满足厚板钢结构的优质、高效的焊接工艺 要求，并成功应用于实际焊接生产，为高效优质的t i m e 技术在我国 焊接工业的实际应用打下了良好的基础。 关键词：t i m e 焊接系统设计结构优化c a d a d m 本项目为中国博士后科学基金资助项目 一卜一 上海交通大学博士后研究工作报告 r e s e a r c ha n da p p l l c a t l o no ft h en e w h u g ec u r r e n t a n dh i g he f f i c i e n c yn e wt i m e w e l d i n gt e c h n i q u e o n t h e h e a v yt h i c k n e s sp l a t e s t e e l s t r u c t u r e a b s t r a c t u s i n g t h ec a d c a m t e c h n i q u e ，t h eh i g h e f f e c t i v et i m e w e l d i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ew e l d i n gt o r c h ，w i r e - f e e ds y s t e m ，t h ee q u i p m e n t o f m u l t i p h a s eg a ss h i e l da n dw e l d i n gp o w e rs u p p l yr e s o u r c e ，a r ed e s i g n e d ， m a n u f a c t u r e do rr e c o n s t r u c t e di nt h eh e a v yt h i c k n e s sp l a t eo fs t e e ls t r u c t u r e o nt h es a m et i m e ，t h ei m p o r t a n tw e l d i n gt o r c h ss t r u c t u r eo f h i g he f f e c t i v e t i m e w e l d i n gs y s t e mi so p t i m i z e db y t h ef e m t h en e w t i m e w e l d i n g s y s t e mi sp r o v e de f f e c t i v e l yt os a r i s f yt h er e q u i r eo fh u g ec u r r e n tt i m e w e l d i n gt e c h n i q u eb yt h e l o t so fw e l d i n gt e c h n o l o g y e v a l u a t i n g t e s ta n d w e l d i n gq u a l i t yt e s t i t h a sl a i dd o w nas t r o n gf o u n d a t i o no ft h et i m e w e l d i n gd e v e l o p i n g b e c a u s et h en e wt i m e w e l d i n gi s a p p l i e d i nt h e p r a c t i c a lw e l d i n gp r o c e s ss u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：t i m e w e l d i n gs y s t e md e s i g n s t r u c t u r eo p t i m i z e c a d ，c a m t h e p r o j e c ti ss u p p o r tb y c h i n ap o s t d o c t o r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n 上海交通大学博士后研究工作报告 新型厚板钢结构大电流高效t i m e 焊接技术的研究与应用 l 前言 t i m e 焊接是t r a n s f e ri o n i z e dm o l t e ne n e r g yp r o c e s s 的简称，属于熔化极气体 保护焊( m a g ) 工艺范畴，是一种新型、快速、高效和高性能的气保护电弧焊接技 术，t i m e 焊接在传统m a g 焊接工艺的大电流禁区开拓了新的实用领域。它采用 平外特性电源、大干伸长和特殊的四元保护气体( t i m e 气体成分为o ，c o ，h e ， a r ) 通过增大送丝速度来增加焊丝熔敷率，在焊接质量有明显改善的同时将焊丝熔 敷率提高了2 3 倍。 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，各国公司坚持不懈的寻找降低生产成本、提高生产率的新技术。在大 多数制造业公司中，焊接成本占生产成本很大比例，因此各公司不断改进焊接工艺、 提高焊接效率、降低焊接成本，以期提高产品竞争力i 。 为了寻求降低焊接成本的最佳途径，人们进行了焊接产品成本分析，来决定如 何投资才能获益最大。图1 1 所示为西欧自动化焊接和手工焊接的成本分配图。 图1 1 西欧自动化焊接和手工焊接的成本分配图 从图中可以看出，无论自动化焊接还是手工电弧焊，资本和劳动力成本都占 总成本的8 0 以上。所以，若想大幅度降低生产成本，必须提高熔敷率，即在单位 时间内熔化更多的焊丝。 提高熔敷率最直接的办法是增加使用焊接电流。自从手工电弧焊被m i g m a g 焊接工艺代替以后，使用的焊接电流有了大幅度提高，熔敷率也明显增加，是手工 电弧焊的3 4 倍。然而，伴随着经济的飞速发展，传统m i g m a g 焊接技术所能达 到的熔敷率已经不能满足市场竞争的需求。如果进一步提高焊接电流，进入所谓的 旋转射流过渡区域，熔滴过渡极不稳定，飞溅量大，焊缝成形恶劣，无实用价值。 不稳定的熔滴过渡形式限制了焊接使用电流上限，成为提高熔敷率的“瓶颈”。正是 在这种情况下，出现了i i m e 焊接技术，它能够在大电流区间获得稳定的熔滴过 上海交通大学博士后研究工作报告 渡形式，从根本上解决了焊接电流“瓶颈”问题，从而实现了高熔敷率焊接1 1 8 i 。 19 8 0 年，t i m e 焊接技术由c a n a d aw e l dp r o c e s s 公司的j c h u r c h 等人研究成 功，并于8 0 年代首先应用于加拿大，1 9 9 0 年一i m e 焊接技术被首次引入欧洲，现 已在加拿大、美国、奥地利、日本等国家中使用，并已获得美国、日本等国的发明 专利权。在德国，t i m e 焊接技术甚至被认为是钢结构最具希望、最具国际竞争力 的制造手段之一i ”l 。 目前，在各种生产建设中，大厚度钢结构件已被广泛使用，尤其是在船舶、桥 梁等的建设中，如果使用传统的焊接工艺，焊接生产速度慢，焊缝组织不理想，焊 接接头力学性能差，效率低。而大电流高效t t i m e 焊接技术具有焊丝熔敷速率高、 焊接接头组织性能好、飞溅小、焊缝表面成形光滑美观的优点，而且能够进行全位 置焊接，可以大大提高焊接生产效率，降低焊接生产成本。因此，i m e 焊接技术 的研究成果，已在加拿大、美国、奥地利、日本等许多发达国家中广泛使用，并获 得了美国、臼本等国的发明专利权，应用前景十分广阔1 1 ”】。 上海交通大学博士后研究工作报告 2 t i m e 焊接技术特点 2 1t i m e 焊接的优势 工i m e 焊接工艺所使用的送丝速度远远超过了传统工艺的使用范围，人们通常 以送丝速度这一参数来表征工i m e 焊接技术。 t i m e 焊接技术自身的特点不但决定了它在继承传统m a g 焊接工艺优点的基 础上又有了新的突破，而且具有无可比拟的优势，表2 1 为这两种焊接方法的比较。 表2 1 传统m a g 焊与t i m e 焊接工艺比较 表2 1 传统m a g 焊与t i m e 焊接工艺比较( 续) 在通常的m a g 焊接过程中，在焊丝直径为1 6 m m ，电流为3 0 0 a 的情况下，焊 丝输送速度一旦超过1 5 m m i n ，焊丝端部就会软化，此时的焊接电弧是一种极不稳 定的旋转电弧，不仅没有稳定的旋转半径，而且旋转速度也无规律地变化，同时还 伴随着前后强烈的振摆，从而使焊接过程无法正常进行。而在采用t i m e 焊接工 艺的情况下，当直径为1 2 m m 的焊丝，焊接电流在3 0 0 a 以下，输送速度超过1 5 m m i n 时，无前述现象产生，焊接过程稳定：当焊接电流在4 8 0 a 以下，输送速度为3 0 m m i n 时，其电弧的旋转直径约为4 c m ，电弧的旋转速度在1 2 0 r s 左右。试验证明，当焊 接电流为6 5 0 a ，焊丝输送速度达5 0 m m i n 时，焊接电弧及熔滴过渡状态仍未失其稳 定、平静的特征。传统的m a g 焊接时，直径1 6 m m 的低碳钢焊丝，许用的最大电 流为4 5 0 a ，最高送丝速度是1 5 - 1 6 m m i n ，此时，焊丝熔敷速率最高也只可达 1 3 5 e d m i m 而在采用t i m e 工艺焊接时，采用直径为1 2 m m 的低碳钢焊丝，许用 电流可达6 5 0 7 0 0 a ，最高送丝速度可达5 0 m m i n ，熔敷速度最高可达5 0 0 9 m i n ，从 而使焊接生产率相应地提高数倍。 从上可知，t i m e 焊接技术具有下述的主要优势：( 1 ) 大幅度地提高了焊丝熔 敷率和焊接速度；与通常的m a g 相比，在相同直径焊丝条件下，可使用的焊接电 流更大、送丝速度更快，从而使熔深更深、金属填充量更大、焊接效率更高。( 2 ) 改善熔敷金属和焊接接头的质量：t i m e 焊接具有良好的气体保护，焊接电弧挺度 高，熔滴完全在保护性良好的弧柱内进行挺直的射流过渡，熔敷金属不易到污染； 同时，由于t i m e 焊接独特的电弧特性、熔滴射流过渡、熔池运动及其物理化学 冶金性能可减少熔敷金属中的s 、p 含量，降低气孔和裂纹的敏感性，提高焊缝的低 上海交通大学博士后研究工作报告 温韧性，全面提高焊接接头的质量。( 3 ) 焊接工艺性能好；由于熔滴能进行短距离 挺直性好的喷流过渡，可实施全位置焊接。( 4 ) t i m e 焊接时飞溅量小；由于电弧 挺度好，熔滴呈稳定的轴向射流过渡，所以熔滴间相互冲击力小，飞溅量可降至 0 3 9 m i n 以下。另外，由于熔滴很小，其热量也较小，飞溅出来后会很快冷却，因 而不会粘着在焊件表面上，节省了焊后清理的时间。( 5 ) 焊缝平滑美观、余高小， 焊后变形小，焊接成本较低。 同时t i m e 焊接电弧具有以下特点：( 1 ) 保护气流对焊接区保护良好、在高速 焊接时使之不易受到污染；( 2 ) 熔滴在弧柱内进行挺直的旋转射流过渡；( 3 ) 焊接 电弧挺度较高，焊丝熔敷速度快，焊接速度高。在i m e 焊接工艺方面，也具有 ( 1 ) 焊缝金属的物理冶金、化学冶金性能好：( 2 ) 焊接时飞溅量小；( 3 ) 焊缝平滑 美观、余高小，焊后变形小；( 4 ) 接头的气孔、夹杂等缺陷少；( 5 ) 焊接工艺性好， 焊接成本低，焊接质量高等特点。 2 2t i m e 焊接技术的经济性及其应用范围 根据有关统计资料，对于薄板高强钢结构的焊接，与t i g 、m a g 、s a w 等焊接 方法相比，在焊接经济性方面，一i m e 焊接技术具有以下主要优点：( 1 ) 低的研究 开发成本；( 2 ) 更强的工艺适应性；( 3 ) 控弧更好、更容易：( 4 ) 耗材( 焊丝、焊 剂) 成本较低；( 5 ) 较低的能耗，更高的焊接生产效率率；( 6 ) 低氢焊缝、接头质 量更高。 t i m e 焊接设备灵活，可以用于其它焊接工艺，而且可以焊接的材料也很多， 主要用于焊接低碳钢和低合金钢，还应用于细晶结构钢( 抗拉强度达到8 9 0 n r a m 2 ) 、 高温耐热材料( 1 3 c r m 0 4 4 ) 、低温钢、特种钢( 装甲板) 、高屈服强度钢( h y 8 0 ) 等。目前主要应用于造船业( 因焊接工时占船体建造总工时的3 0 4 0 ，t i m e 焊接技术的应用加快建造速度和缩短“船台周期”，将显著降低船体建造成本，有直 接的经济效益) 、钢结构工程、汽车制造业( 对焊接接头抗冲击性能有需求的地方) 、 机械工程、罐结构、军工产品( 如焊接坦克装甲板和潜艇，已有应用实例) i - 1 4 。 - - - 4 , - - 上海交通大学博士后研究工作报告 3 t i m e 焊接技术的研究状况 3 1 国外研究现状 从目前所掌握的文献来看，没有见到有关t i m e 焊接机理方面研究的深入报 道，绝大部分文献仅从应用角度予以介绍，使用的焊接电流小于6 0 0 a 。其研究工作 主要涉及设备、焊丝和保护气体等3 个方面。f r o n i u s 公司提供了焊接电源和送丝机 构的简单资料，其它的详细报道较少，与设备相比，进行焊接工艺性能、焊丝研究 和保护气体配制的研究较多，资料也比较丰富。 加拿大的研究者利用所开发的工i m e 焊接工艺对潜艇用钢h y 8 0 进行了全位置 焊接试验。其分析结果表明，在熔敷金属中的磷p 含量为m a g 焊时的6 0 7 0 ， 硫s 的含量为m a g 焊时的6 5 8 0 ，从而使焊件的低温韧性得以明显改善。例 如，对1 6 m m 厚的h y 8 0 平焊焊件，在- - 2 9 下进行冲击试验，其接头的动态破裂 能量可达1 3 0 0 j t ”1 。 3 1 1 焊丝研究状况 工i m e 焊接技术对焊丝质量要求很高，送丝速度在2 5 3 5 m m i n 之间，焊丝的 质量，尤其是表面光洁度，直接影响到熔滴过渡类型和焊缝成型。这就要求焊丝表 面镀铜层要均匀，以便尽量减小焊丝通过导电嘴时引起焊接电流的波动，从而影响 焊接过程的稳定性。如果使用镀铜层质量不好的焊丝还想获得稳定的旋转射流过渡 形式，需要提高的数值大约为高质量焊丝所使用的焊接电压的5 一1 0 。 t i m e 焊接技术主要使用实心焊丝，药芯焊丝的使用比例较小。广泛应用的 t i m e 焊接技术在工艺上均采用实芯焊丝配合t i m e 气体保护，在电流提高到 7 0 0 a 时，送丝速度可以达到5 0 m m i n ，一般采用的最高送丝速度为4 0 m m i n 。当送 丝速度大于2 8 m m i n 时，可以获得稳定的旋转射流过渡形式，不但能够得到“锅底 状”熔深，防止未融合缺陷的发生，还可以获得更高的焊缝力学性能，而且由于焊 接速度的提高，热输入的降低、焊接变形较小。 以实心焊丝为主t i m e 焊接工艺，气体的成分对焊接过程影响很大。德国的焊 接工作者对气体成分的作用进行了深入探讨。系统地测试了1 5 种不同成分的a r ，h e ， c o ，和o ，的混合气体。除t i m e 气体外，按1 0 c o ，6 0 6 5 a r 和2 5 3 0 h e 进行配比的三元气体也可以得到令人满意的焊接结果。不过，对于给定的送丝速度， 焊接电压可变区间不如采用t i m 。e 气体所来得宽。到目前为止，实际工业应用中 的送丝速度 2 5 m m i n 的t i m e 焊接工艺已经写入欧洲标准。以三元气体6 0 a r ， 3 0 h e ，1 0 c o ，代替原始的t i m e 气体可以降低约4 0 的气体成本。以此气体作 为保护气体，采用1 2 m m 直径的焊丝，送丝速度1 5 2 5 m m i n ，即处于所谓喷射过 渡区，熔敷速度8 1 1 s k g h 。送丝速度4 0 m r a i n ，处于旋转射流过渡，熔敷速度可 达2 1 k g h t l 9 1 。 使用德国s g 2 焊丝( 直径分别为1 2 m m 和1 0 m m ，成分为0 0 8 c ，0 8 5 s ， 1 5 m n ) ，焊枪与垂直方向的夹角5 。，导电嘴与工件的距离3 0 m m ，采用旋转射流 过渡，与1 5 种保护气体进行搭配实验。研究认为三元气体6 5 a r ，2 5 h e ，1 0 c o ， 在送丝速度2 0 3 0 m m i n ，焊接电压在4 2 4 6 v 之间等同于四元t i m e 气体。当 送丝速度达到4 8 5 m m i n 时，直径1 0 m m 焊丝要比直径1 2 m m 焊丝的旋转电弧稳定。 另外，由强烈集中的等离子束形成的高能喷射易导致类指状熔深，不利于焊缝接 上海交通大学博士后研究工作报告 头性能。所以应选择正确的焊接参数，使用合适的保护气体来避免。 据研究，在a r ( h e ) 中只加c o ，使形成喷射电弧的电流值增高了，只有在送丝 速度相对高的情况下才出现旋转电弧，o ，具有相反作用。若是采用a r + o ，保护气体， 在很低的电流下就出现了旋转射流过渡。旋转射流过渡非常适合焊对接焊缝。如果 配以合适的焊接参数也能可靠地焊接角焊缝。 送丝速度在2 5 3 5 m m i n 之间，焊丝质量特别是表面光洁度，对电弧形态和焊缝 横剖面有特别大的影响。据推测在电流从导电嘴流向焊丝时，焊丝表面光洁度影响 接触电阻大小，同时影响电弧的稳定性。焊丝的化学成分尤其是0 ，和n 的含量影 响焊接工艺的稳定性。 t i m e 焊接的焊丝以实心焊丝为主，也有用药芯焊丝的。文献1 1 6 】研究了有关药 芯焊丝t i m e 焊接的工艺情况。近年来药芯焊丝的使用呈大幅度增长趋势，与实 心焊丝相比具有明显的优越性。一方面它具有实心焊丝的一些优点，比如焊缝成形 好，另一方面，采用气体保护焊时可以实现半自动化，得到高熔敷率。使用药芯焊 丝，电流主要流过金属外壳，因此可以获得更高的电流密度，得到更高的温升，这 对提高熔敷率也是一个重要因素。相同直径的药芯焊丝，焊药越多意味着金属壳越 薄，获得的电流密度越大，熔敷率越高。 为了确定高速送丝时使用药芯焊丝进行气体保护焊是否仍有优势，德国焊接工 作者对三种未镀铜的药芯焊丝进行了测试：一种芯部为金属粉末：一种为常用药芯 焊丝；一种芯部为金红石。表3 1 是由药芯焊丝生产厂家提供的以8 2 a r + 1 8 c o ， 作为保护气体得到的焊缝金属的力学性能值。 表3 1 焊缝金属的力学性能 为确定在大电流下适用于平角焊缝的焊接参数，进行了一系列实验，为了减少 实验工作量，做了先期基本测试，确定的边界条件如下：焊枪倾角：与垂直方向夹 角5 。，送丝速度：2 5 m m i n ，3 5 m m i n 和4 5 m m i n ，焊丝伸出长度：2 5 m m ，保护 气体：t i m e 气体( 0 5 0 2 ，8 c o ，2 6 5 h e ，6 5 a r ) ，气体流量：2 5 1 m i n 。 在基本测试阶段就已经观察到药芯焊丝与实心焊丝的区别： ( 1 ) 在整个电流区间，三种药芯焊丝均出现稳定的喷射过渡。没有发生旋转射 流过渡。与实心焊丝相比，药芯焊丝的弧长短一些。 ( 2 ) 在保证正常工艺的前提下，与实心焊丝相比，药芯焊丝的焊接电压具有更 宽的调节范围。焊接电压的变化仅使顶层焊道的剖面和熔深发生明显的改变。 ( 3 ) 与预期的结果相反，尽管药芯焊丝很柔软，在所有的送丝速度区间均未出 现送丝困难。只有在送丝一开始就不正常时才发生堵丝现象。 上海交通大学博士后研究工作报告 ( 4 ) 金属芯焊丝对电弧电压和导电嘴到工件上的距离变化相对敏感一些。与实 心焊丝相比，金属芯焊丝对焊接参数和上述边界条件的允许变动范围更宽，不过在 大电流区间焊接过程不稳定，飞溅更大；由于弧长短，熔深和余高都大；送丝速度 偏高时，焊缝成形极差。 ( 5 ) 在所有被测的药芯焊丝中，金红石药芯焊丝的焊接过程最稳定，整个焊接 过程安静流畅，没有任何飞溅。焊接电压有约1 0 v 的调节区间。焊道表面完全为熔 渣覆盖，焊后大部分熔渣自动清除。焊道表面连续、光滑。在所有的电流区间，焊 缝剖面呈正三角形，侧壁熔合形状与实一t b 焊丝在旋转射流过渡下所得的形状相同。 由于焊丝内焊药量大( 约占2 0 ) ，在大电流区间，即使焊道很短，因为焊药预流， 也会发生夹渣。改变焊枪倾斜角也不能解决问题。送丝速度4 5 m m i n 时夹渣量很大， 在3 0 m m i n 时可以得到令人满意的角焊缝。 ( 6 ) 普通药芯焊丝在焊接过程稳定性方面可与金红石药芯焊丝相比。对一个稳 定的焊接过程，其焊接电压的波动区间为9 v 。送丝速度可以达到4 5 m m i n 。焊缝成 形及侧壁熔合良好，脱渣性一般。焊缝金属与母材之间的过渡不如金红石药芯焊丝 的平滑，而且焊缝表面粗糙，焊接过程噪声大。送丝速度为4 5 m m i n 时，获得满意 焊缝的最高焊接速度为6 0 c m m i n ，若再提高焊接速度，焊缝出现“驼峰”，同时发 生侧壁不熔合。由于焊药含量较少( 大约占8 ) ，只在长焊道时因焊药预流发生夹 渣。焊接速度为6 0 m m i n 、送丝速度为4 5 m m i n 时，夹渣出现在焊缝根部，间隔均 匀。通过摆动焊枪和改变焊枪倾斜角来消除这种影响只取得有限进展。 ( 7 ) 由于药芯焊丝相对实一t b 焊丝来说截面更小，所以在相同的条件下具有更大 的电流密度，因而具有更高的熔化率，特别是当焊丝伸出长度增加时，其不足之处 是夹渣问题，还有待于进一步探索。 3 1 2 保护气体研究状况 虽然t i m e 焊接技术有着无可比拟的优点，但在t i m e 焊接技术进入欧洲市 场不久，国外焊接开发人员开始致力于少氦或无氦混合保护气体的高熔敷率焊接方 法的研究。此时，尽管所用的保护气体已经不是原来的t i m e 气体，我们仍然将 能够获得高熔敷率的m a g 焊接方法称为t i m e 焊接技术。i m e 气体的优越性 能已经被证实，它是t i m e 焊接技术在连续大电流区间获得稳定旋转射流过渡形 式的关键，但其昂贵的价格使许多用户对t i m e 焊接技术望而却步。造成t i m e 气体价格高昂主要有两方面原因：其一，混合气体配比成分允许的偏差范围较窄， 而且还需要使用特殊设备混合均匀，焊接生产难度加大。因此，大大增加了使用 t i m e 气体的成本；其二，尽管国外有天然氦气资源，但氮气与其它焊接用气相比， 价格仍然偏高，使得t i m e 气体成本本身就较高。因此，i m e 气体的成本问题 是国外焊接开发人员开展少氦或无氦混合保护气体的高熔敷率焊接方法的研究的主 要原因，各国都需要拥有自主的知识产权，所以，尽管使用t i m e 焊接技术能够 节省2 0 3 0 工时，而且节省下来的这部分成本足以弥补t i m e 气体带来的成本 增加，人们还是要研究以少氦或无氦混合气体保护的商熔敷率焊接方法，以期降低 生产成本，提高焊接生产效率 1 7 - 2 0 l 。 德国焊接工作者在这方面做了很多工作。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体作保护，在大电流区间得到的旋转射流过渡形式极不稳定， 焊接过程飞溅大，焊缝成型恶劣，因此限制了使用焊接电流，从而限制熔敷率进一 步提高。 上海交通大学博士后研究工作报告 日本研究人员在混合气体的配比成分对熔滴过渡形式的影响规律方面也做了很 多工作 2 1 - 2 2 1 。他们对a r 、c o ，、h e 三元混合气体的配比成分对熔滴过渡形式的影响 规律做了大量的工艺实验，得到了( a r + c o ，+ h e ) 三元混合气体在相同焊接参数、 不同配比成分下的熔滴过渡形式图，如图3 1 所示。所用的焊接参数如下：( 1 ) 焊 接电流5 0 0 a ；( 2 ) 焊接电压在3 8 4 4 v 之间；( 3 ) 送丝速度为3 0 m m i n ；( 4 ) 干伸 长为2 5 r a m ；( 5 ) 焊丝直径1 2 m m 。 曲翻拍加加1 0 0 r 多一h 一少 图3 1a r + c 0 2 + h e 三元混合气体的配比成分 由图3 1 可以看出，以m 和c o ，混合气体做保护，c o ，配比成分小于1 5 时， 熔滴过渡形式为大滴过渡；以a r 和h e 混合气体做保护，h e 配比成分在6 0 和9 0 之间，熔滴过渡形式为旋转射流过渡，当h e 配比成分大于9 0 时，熔滴过渡形式 为大滴过渡。文献还给出了a r + c o ，+ h e 三元混合气体和a r + c o ，二元混合气体做保 护时得到的旋转射流过渡的示意图如图3 2 所示。从图3 2 可以看出，这两种旋转射 流过渡形式截然不同，前者熔滴过渡比较稳定，有一定的旋转半径，熔滴向斜下旋 转方向旋转；而后者不同，旋转方向不确定，熔滴过渡过程很不稳定。可以说，在 上述条件下，无氦保护气体所得到的旋转射流过渡形式很不稳定。 ( a ) a r + c 0 2 + h e 三元混合气体( b ) a r + c 0 2 二元混合气体 图3 2 混合气体对旋转射流过渡旋转方式影响的示意图 上海交通大学博士后研究工作报告 3 1 3 熔滴过渡的研究状况 文献【2 3 1 在( 4 0 0 6 0 0 ) a 范围内大电流条件下，填丝气体保护焊通常采用由a r 、 h e 、c o ，和o ，组成的三元或四元的混合气体，由于稳定的电弧使焊接效率提高，为 了了解混合气体对熔滴过渡的影响，针对焊接过程中在不同气体保护下的熔滴过渡 现象进行了系统的研究，而且对保护气体的作用进行了分类。研究结论为：( 1 ) 根 据焊接电流，大电流气体保护焊的熔滴过渡形式基本上可分为四类：滴状过渡、轴 向射流过渡、摆动射流和旋转射流过渡。滴状过渡又可分为大颗粒过渡和排斥过渡。 而轴向射流过渡又可分为射滴过渡、射流过渡和排斥喷射过渡。( 2 ) 对于熔滴过渡 形式的变化，熔化焊丝的长度起主要作用。当熔化焊丝段较短时，由于是轴向收缩 形式的非稳态，所以以颗粒过渡和轴向射流过渡形式为主。反之，当熔化焊丝段较 长时，由于是扭曲形式的非稳态，所以以摆动射流和旋转射流过渡为主。实验结果 表明可以用熔化焊丝的长度来解释保护气体的成分对过渡形式的影响。 ( 1 ) ( a r + c 0 2 ) 混合 当用( a r + c o ，) 混合气作保护气时，熔滴过渡形式基本上可分为四类：滴状过渡， 轴向射流、摆动射流和旋转射流过渡。在实际中滴状过渡所表现的特征是熔滴尺寸 小于焊丝直径。这种过渡形式又可以分为大滴过渡和排斥过渡二种形式。 另外，喷射过渡是轴向射流、摆动射流和旋转射流的一般术语。在实际焊接中， 它具有熔滴尺寸小于焊丝直径的特性。 轴向射流是指熔滴直接滴入至熔池的过渡形式，它又可分为三类：射滴过渡、 射流过渡和排斥射流过渡。在旋转射流的情况下，熔滴是以稳定旋转的熔化焊丝过 渡到熔池中。 介于轴向射流和旋转射流中有一种过渡形式，它是指熔滴在焊丝摆动不稳定的 情况下过渡到熔池中，被称为摆动射流。这种形式的过渡范围介于轴向射流和旋转 射流之间。以( a r + c o ，) 混合气作保护的熔滴过渡形式通过研究，我们可以发现： 随着电流的增加，滴状过渡形式经由轴向射流和摆动射流转变为旋转射流形式，其 转变区问的一部分是介于滴状射流和轴向射流之间，另一部分是介于摆动射流和旋 转射流之间。 在以上过渡形式的转变区间中，当c o ，气体超过5 时，电流随混合气体中c o ， 含量的增加而变大。当c o ：气体为0 - 1 0 时，在滴状过渡范围内只能观察到大滴滴 落过渡形式，而在轴向射流范围内只能观察到射流过渡形式。另方面，当c o ，气 体大于1 0 时，在滴状过渡范围主要是大滴排斥过渡，而在轴向射流过渡中主要是 排斥喷射过渡。实验结果表明了采用c o ：加入保护气体中的方法能增加作用在熔化 焊上的电弧力。由电弧产生的滞留作用使得熔化焊丝的有效长度减小。可能由于这 个原因，当c o ：气体增加时，在焊接大电流范围内主要产生与较短熔化焊丝有关的 熔滴过渡形式。我们认为这也将能解释为什么随c o ，气体的增加在过渡形式间焊接 电流受到限制的原因。 ( 2 ) ( a r + h e ) 混合气 当用( a r + h e ) 混合气体作保护气体时，我们可观察到相同的过渡形式：滴状射 流，轴向射流，摆动射流和旋转射流。然而比较可以发现有二个不同点：一是当h e 气含量为( o 7 0 ) 时，过渡形式之间边界上的焊接电流与其无关：二是摆动射流 与旋转射流之间的范围较宽。 当h e 气成分为( 0 - 7 0 ) 时，在滴状过渡范围内以大滴滴落过渡形式为主。而 上海交通大学博士后研究工作报告 在轴向射流过渡范围内以排斥过渡和射流过渡为主。当h e 气含量大于7 0 时，在 滴状过渡范围内以排斥过渡为主，而在轴向射流过渡范围内以排斥射流过渡为主。 所以，在保护气体中加入h e 气能显著的增加焊丝伸出长度，这与加入c o ，气体 时发生的情况相反。 ( 3 ) ( a r + h e + 0 2 ) 混合气 采用( a r + h e + o ，) 混合气作保护气时观察到的熔滴过渡形式也可分为：滴状、 轴向射流、摆动射流和旋转射流这四种过渡形式。在( a r + h e ) 混合气中加入o ，气 使轴向射流过渡的范围增大，同时使摆动射流的范围减小。在混合气中加入o ，气会 焊丝伸出长度缩短的结果。在滴状过渡范围内以大颗粒过渡为主；在轴向射流过度 范围内以排斥和射流过渡为主。观察到焊丝的伸出长度随着o ，气的增加而减小。在 这种情况下，由于观察到的过渡形式既不是排斥过渡又不是排斥射流过渡，所以o ， 的增加似乎不能提高电弧力；而普遍认为o ，的增加会使熔融焊丝的表面能减小。因 此，可以用熔滴表面能减小来解释为何在保护气体中加入0 ，气后使焊丝伸出长度缩 短的原因。 ( 4 ) 熔滴过渡的模型 在下i m e 焊接中，洛伦兹是具有自身磁场的焊接电流间相互作用产生的电磁 力。它使具有电磁流体动力学的液柱产生不稳定性，从而影响了金属熔滴的过渡形 式。 在此视熔化焊丝为液柱。在轴向收缩形式中产生非稳态的情况下，只能观察到 纵剖面的轴对称变形。当扭曲形式中产生非稳态时，液柱受到了螺旋形的变形。而 当沟槽形式中产生的非稳态时，外界扰动使之产生了具有几何记忆的扭曲带状体， 同时可能沿着带状体形成沟槽。在实际焊接中这些非稳态出现在轴向收缩和扭曲的 形式中。通过对熔化焊丝形状的分析，我们假定当所受非稳态影响是以受轴向收缩 的形式为主时，产生滴状过渡和轴向喷射过渡；如果所受非稳定影响是以受扭曲的形 式为主时，产生旋转射流过渡。通过用数字表达式来计算液柱的动态非稳定性，从 而对熔滴过渡形式的转变进行讨论。我们对液柱施加z 向和q 向的扰动，在扰动中 的液柱表面图像通过以下关系式给出： r = r + c o s 一m0 + ( 2n ， ) z 】 ( 1 ) 8280 c o s ”t ( 2 ) 其中r 是液柱半径，入是扰动波长，e 是干扰频率，在公式【l 】中，m 决定了液柱非 稳态的形式。如果m = 0 时，产生轴向收缩形式的非稳态：如果m = l 时，产生扭曲 形式的非稳态；如果m = 2 时，产生沟槽形式的非稳态。忽略粘滞力，我们假定压 力仅仅是由表面张力产生的，那么我们可以获得以下主要等式： 9 面d v = - v p + j b v v = 0 v b = 卢o j 塑+ v e ：o 夙 j = 盯( e + v b ) v b = 0 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) e 海交通大学博士后研究工作报告 其中p 是密度，v 是液体流速b 是磁场强度，e 是电磁强度，p 。是磁透率，o 是电 导率。在这些主要公式的基础上，我们可得模态x ( - - - - 2nr ) 与表厩干扰振幅c o 。 的角频率之间的关系式： 小未了【x l m 两( x ) ( x 2 + m2 - 1 ) 警m ) ( 9 ) q 2 卫咕( x 2 + m2 - 1 ) 一藩弛) m ) - 1 + 2 x 飞ri r a ( 丽x ) 一怒】黜【f + 心 x ：塑 l ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 在以上等式中，y 是表面张力，l 。( x ) 是第一类m 的修正贝斯尔函数，k 。( x ) 是第 二类m 的修正贝斯尔函数。 假定p = 7 x 1 0 3 k e g m 3 ，y = 1 2 n m ，r = 0 6 m m 和i = 3 0 0 a ，我们获得的计算结果 表明，当0 x o 沟槽的非稳态形式是稳定的。在( q 2 x ) 所有形式( m = 0 ，1 ，2 ) 的曲线中，q2 有最小值。当假定( m = 2 ) 的曲线为 最小值时，则非稳态增长到最大速率。以最大速率增长的非稳态作为电流的函数。 大速率的增长意味着这种形式起着更主要作用。在沟槽形式中非稳态( m = 2 ) 的增 长速率远小于在轴向收缩形式( m = 0 ) 和扭曲形式( m = 1 ) 中。这就表明：与在轴 向收缩形式或扭曲形式的非稳态相比较，非稳态在沟槽形式中是极少出现的。这一 结论能被满意的接受，因为试验结果表明在实际焊接中不能观察到在沟槽形式中的 非稳态。然而，我们不能就此下结论：由于在轴向收缩形式中非稳态的增长速率( 1 3 1 = o ) 大于在扭曲形式中非稳态的增长速率( m = 1 ) ，所以旋转喷射过渡是由于扭曲 形式的非稳态引起的。 扰动波长 的实验数值是通过实验数值a 计算出来的；假定y 表示滴落过渡， 在轴向收缩形式中非稳态的增长速率远大于在扭曲形式中非稳态的增长速率。假定 表示射流过渡形式，轴向收缩形式的非稳态和扭曲形式的非稳态具有相同的增长 速率。假定射流过渡形式的最大值是 ，扭曲形式的非稳态的增长速率远大于轴向 收缩形式的非稳态。实验结果表明熔化焊丝部分短时，以大滴过渡和轴向过渡形式 为主。相反，熔化焊丝变长，则摆动射流和旋转过渡形式起主导作用，这是由于此 时是扭曲形式的非稳态。 综上所述，当用( a t + h e ) 混合气时，在所表现的过渡形式中摆动射流和旋转 射流过渡形式占了大块区域。我们可以通过在( a r + h e ) 混合气中产生的熔化焊丝段变 长和扭曲形式的非稳态增强来解释这一结果。 在( a r + h e ) 混合气中加入o ，使得轴向射流过渡的范围变大，也使摆动射流过 渡的范围减小。这一结果可以用扰动波长来解释。同时随保护气体中o ，含量的增加， 熔化焊丝长度成比例的缩短。在( a x + c o ，) 混合气保护下所表现的过渡形式中，其转 变区间的焊接电流随c o ，含量的增加而升高。产生这结果的原因是：( 1 ) 由于电 上海交通大学博士后研究工作报告 弧力阻止了熔化焊丝的顶端：( 2 ) 随c o ：含量的增加，焊丝的有效长度成比例的缩 短：( 3 ) 与过渡形式有关的扰动波长明显变短。 3 1 4t i m e 焊接电弧形态的研究 ( 1 ) 短路电弧( s h o r t a r c ) ( 送丝速度4 2 m m i n ，c r n i l 9 9 焊丝直径1 2 m m ，焊接电流1 4 5 a ，电弧电压1 7 8 ) 图3 3 短路电弧形态 ( 2 ) 喷射电弧( s p r a ya r c ) ( 送丝速度1 0 8 r r d m i n ，s g 2 3 焊丝直径1 2 m m ，焊接电流3 1 5 a ，电弧电压4 6 v ) 图3 4 喷射电弧图形 2 一 上海交通大学博士后研究工作报告 ( 3 ) 旋转电弧( r o t a t i n g a r c ) ( 送丝速度3 0 r n m i n ，s g 2 3 焊丝直径1 2 m m ，焊接电流5 1 5 a ，电弧电压4 6 v ) 图3 5 旋转电弧图形 ( 4 ) 前后双丝t i m e 焊接电弧( t a n d e ma r ct i m e t w i n ) ( 送丝速度3 5 m m i n ，a 1 s i5 焊丝直径1 2 m m ，焊接电流7 5 a ，电弧电压1 8 8 v ) 图3 6 前后双丝焊接电弧图形 3 2 国内研究状况 国内的焊接工作者也进行了许多高效m a g 焊接( 或者广义t i m e 焊接) 原理、 技术、设备和工艺方面的研究工作【2 4 。”。 3 2 1 熔滴过渡机理的研究 上海交通大学博士后研究工作报告 文献1 2 4 1 从熔滴过渡形式、焊接电弧形态及焊缝成形等方面着手，研究在a r + o ， 保护气氛条件下的脉冲旋转喷射过渡特征及其物理机制，为在脉冲焊时，通过调节 焊接规范合理地控制焊缝成形提供依据。通过高速摄影方法，分析了在a r + o ，混合 气体熔化极脉冲焊中形成旋转喷射过渡时的电弧形态和熔滴过渡形态。研究的结果 表明：在a r + o ：保护气体中形成脉冲旋转喷射过渡时，焊丝末端熔化金属的瞬时空 间形态为螺旋线形连续液流束，并以这种形式偏摆旋转向熔池过渡。当形成脉冲旋 转喷射过渡时，电弧形态与轴向射流时不同，呈中间向外鼓的腰鼓形电弧，可据此 作为形成旋转喷射过渡的判据之一。如图3 7 所示 地玉 图3 7 腰鼓形电弧形成 在a r + 0 2 保护气体中形成旋转喷射过渡时，熔化的焊丝末端形态如图3 8 所示。 图3 8 熔化的焊丝末端形态 可见，在电弧热和力的作用下，熔化的焊丝末端突然变细形成铅笔尖状，在此 称为液尖；在液尖下方，则形成细长的液锥。液尖和液锥与焊丝轴线形成一个偏转 角度，并在电弧力的作用下绕焊丝轴线偏摆。液锥是一条直径很细的、均匀的、看 不见端点的柔性连续细线，熔化的金属不是一滴一滴脱离焊丝，而是连续地从液尖 处流向弧柱，最后进入熔池。本文称所观察到的细线状液锥为“液流束”。它在液尖 的带动下，沿液尖所指方向先向外，然后向里收缩，有时甚至形成“s ”形，同时液 流束绕焊丝轴线作旋转运动。在相同含氧量时，随脉冲能量的增大，液尖的偏摆角 增大，液流束变细；而在相同脉冲规范、不同含氧量时，液流束的偏摆以含氧量为 2 时摆幅最大。出现上述现象的原因是：在a r + o ，保护气体中，氧是表面活性元素， 可大大降低熔化金属的表面张力，使焊丝在熔化过程中不易在端部处长成大的熔滴， 而是在等离子流力的作用下形成细长的液尖：加之当形成旋转喷射过渡时，电弧的 能量很高，阳极斑点易于上爬并包覆整个细长的液尖，使液尖急剧软化。当由于某 种原因使作用于液尖上的电弧力不一定呈轴对称分布时，液尖便失稳发生偏摆。正 是因为氧降低了金属的表面张力，使得液态金属以极小的滴状脱离液尖，当熔滴过 渡速度达到定值时，这些熔滴将连成串，形成一束连续的、直径均匀的液流液流 束在偏摆时呈“s ”形，与焊丝末端液尖所指方向、液态金属脱离液尖的速度和液流 柬所受的电弧力大小有关。可用如图3 9 所示的模型来解释。 上海交通大学博士后研究工作报告 露囝 啪c l ， 除! 该烽 、巷7 涤西 图3 1 0 液流束的空间瞬时三维位置示意图 可见液流束呈空间螺旋线形， 上述分析的正确性。 图3 1l 是保护气体为a r + 0 2 、 弧形态其相应的示意图。 在两垂直平面观察到的则是“s ”形。由此证实了 脉冲时间为1 0 m s 、不同脉冲电流时的三种典型电 搿么名 “】_ 且群r ”野虹 k i 酋存t 图3 1 i 电弧形态示意图 t 海交通大学博士后研究工作报告 根据对焊接过程参数的分析认为，不同电弧形态的形成与脉冲规范参数有关。 当脉冲能量较小时，电弧比较稳定，观察可见电弧最外层是钟罩形的较暗外焰，沿 焊丝轴线有一条流束的黑线，包围该黑线的是喇叭形的烁亮弧心，喇叭形的弧心上 部拘束得较厉害，弧心与外焰的轮廓比较清晰，如图3 11 a 所示。脉冲能量增大时， 喇叭形弧心的上部拘束减弱，底部扩展变大，变成角锥形弧心，弧心和外焰的清晰 度降低，如图3 1 l b 。进一步增大脉冲能量后，弧心的外轮廓变得模糊，下部不再扩 展，而是向内收缩，形成中部向外凸、底部向内收缩的腰鼓形电弧，弧心部分隐约 可见棒槌状的暗影，如图3 1 1 c ，此时电弧的弧心和外焰的分界线已模糊，并伴随着 “呼呼”的声响。 研究发现，当形成脉冲旋转喷射过渡时，熔滴呈液流束的形式向熔池过渡，焊 接电弧呈鼓形，焊缝截面呈“扇形”或“锅底”形，增大了熔宽，改善了焊缝熔透 形状，在a r + 2 o ，保护气体中形成脉冲旋转喷射过渡时的焊缝截面形状，呈“扇形” 或“锅底”形。与m a g 焊轴向射流过渡时的指状熔深相比，它改善了焊缝熔透形 状。研究者认为它们与脉冲能量及气体物理性质等有关，同时对焊缝熔透形状得以 改善的原因进行了分析：当a 什o ，气体保护焊形成脉冲旋转喷射过渡时，焊丝的熔 化速度可大大提高。这