（材料加工工程专业论文）旁路耦合电弧gmaw工艺及机理研究.pdf

t h er e s e a r c ho n t e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mo f d o u b l ee l e c t r o d eg m a w b y x u e c h e n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 2 0 0 5 m s ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rf a nd i n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h iy u a p r , 2 0 1 0 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：辫减 日期彬年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：勿年月夕日 日期：擀月0 日 1 2 2 磁场控制法一4 1 2 3 多丝焊接法1 0 1 2 4 复合热源法13 1 3 本文研究背景及主要研究内容18 1 3 1 本文研究背景1 8 1 3 2 本文主要研究内容1 8 1 3 3 本文主要创新点1 9 第2 章旁路耦合电弧g m a w 试验系统2 0 2 1 非熔化极单旁路耦合电弧g m a w 试验系统2 0 2 1 1 系统组成2 1 2 1 - 2 各组成部分型号与参数2 1 2 1 3 工作原理2 5 2 2 非熔化极双旁路耦合电弧g m a w 试验系统2 6 2 2 1 系统组成2 7 2 2 2 各组成部分型号与参数2 7 2 2 3 工作原理3 0 2 3 双丝旁路耦合电弧g m a w 试验系统3 1 2 3 1 系统组成3 2 2 - 3 2 各组成部分型号与参数3 2 2 3 - 3 工作原理：3 4 2 4 本章小结3 5 第3 章旁路耦合电弧g m a w 熔滴过渡受力分析与计算3 6 3 1 熔滴过渡受力分析3 6 3 1 1 传统g m a w 熔滴受力分析3 6 3 1 2 非熔化极双旁路耦合电弧g m a w 熔滴受力分析3 8 3 2 熔滴下落中的受力分析3 9 3 3 熔滴过渡的受力和动量计算4 0 3 3 1 计算原理4 0 3 3 2 原始数据提取4 2 3 3 3 计算结果4 5 3 3 4 结果分析4 5 3 4 不同旁路电流对熔滴过渡的影响4 7 3 4 1 旁路电流对熔滴过渡形式的影响4 7 旁路耦合电弧g m a w 工艺及机理研究 re n 一 m 1 i 鼍曼量 3 4 2 旁路电流对熔滴过渡频率的影响4 8 3 5 旁路电流对作用于焊接熔池表面电弧力的影响4 9 3 5 1 受力分析4 9 3 5 2 试验结果5 0 3 6 本苹小结5 1 第4 章旁路耦合电弧g m a w 焊接温度场计算与模拟5 2 4 1 热源模型的建立5 2 4 2 温度场模型的建立与求解5 3 4 2 1 数学模型5 3 4 2 2 网格划分5 4 4 2 3 模拟参数取值5 4 4 3 模拟结果与试验验证5 6 4 4 本苹小结6 0 第5 章双丝旁路耦合电弧g m a w 焊接过程控制6 1 5 1 单闭环控制方法6 3 5 1 1p i d 控制6 3 5 1 2 模糊控制6 6 5 13 九点控制。6 8 5 2 双路闭环控制方法7 1 5 2 1 控制器设计7 1 5 2 2 控制结果及分析7 3 5 3 多变量解耦控制方法7 7 5 3 1 控制器设计7 7 5 3 2 控制结果及分析7 8 5 4 本苹小结8 0 第6 章旁路耦合电弧g m a w 焊接工艺研究8 2 6 1 焊枪几何参数的研究8 2 6 1 1 非熔化极单旁路耦合电弧g m a w 焊枪几何参数研究8 2 6 1 2 非熔化极双旁路耦合电弧g m a w 焊枪几何参数研究8 6 6 1 3 双丝旁路耦合电弧g m a w 焊枪几何参数研究。9 1 6 2 平板高速堆焊工艺研究9 2 6 2 1 非熔化极单旁路耦合电弧g m a w 平板高速堆焊工艺研究9 2 6 2 2 非熔化极双旁路耦合电弧g m a w 平板高速堆焊工艺研究。9 5 6 2 - 3 双丝旁路耦合电弧g m a w 平板高速堆焊工艺研究。9 7 6 3 搭接接头高速焊接工艺研究9 8 6 3 1 非熔化极单旁路耦合电弧g m a w 搭接接头高速焊接工艺研究。9 8 6 3 2 非熔化极双旁路耦合电弧g m a w 搭接接头高速焊接工艺研究1 0 0 6 4 本草小结1 0 2 结论10 4 参考文献10 7 致谢1 1 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录11 5 博士学位论文 摘要 针对目前高效m i g m a g 焊接技术中存在的设备复杂成本高、工艺参数匹配复 杂、有些方法需要使用特殊保护气体或焊接材料、薄板和超薄板焊接效果欠佳等 问题，提出利用旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护焊f 旁路耦合电弧g m a w ) 这种 低成本、新型高效化m i g 焊接方法系统，通过改变旁路电弧参数分别改变作用于 熔滴和熔池上的力场分布和热输入，从而合理分配焊丝与母材热量，有效降低大 电流焊接时的电弧压力，在高效焊接时避免产生焊缝成型缺陷。该焊接方法可应 用于汽车薄板的高效焊接、水利机械、压力和化工容器复杂形状工件表面高效堆 焊等领域，具有重要的理论意义和工程实用价值，是一种全新且有发展潜力的焊 接方法。 为了深入研究和正确掌握旁路耦合电弧g m a w 高效焊接方法的耦合电弧特 性，熔滴过渡机理以及焊丝与母材热输入的分配原则，为其能够更好的应用于实 际焊接生产奠定基础，本文对该种焊接方法的旁路电流电弧对耦合电弧形态和熔 滴过渡方式的影响规律、焊接时焊丝与母材之间热量输入的分配规律、焊接过程 控制以及高速焊接工艺进行了系统的试验研究和理论分析。 第一，为了研究旁路电流电弧对该焊接方法熔滴过渡过程和熔池表面电弧力 的影响规律，本文对非熔化极双旁路耦合电弧g m a w 方法进行了熔滴过渡受力分 析，并对焊接熔滴在耦合电弧中下落时的竖直方向合加速度和受到作用力的合力 进行了简化计算。分析了相同焊接总电流条件下，不同旁路电流对熔滴下落速度、 作用力和熔滴过渡形态的影响。理论分析和计算结果均表明旁路电流电弧的引入 不仅有利的促进了焊接熔滴过渡的顺利进行，使焊接过程在低于传统g m a w 临界 电流的条件下实现熔滴喷射过渡，而且可以降低焊接熔池表面电弧压力从而减小 焊接熔透量。 第二，为了研究旁路电流电弧对该焊接方法热输入分配方式的影响规律，在 进一步研究了热量在面热源和体热源之间的分配方式的基础上，建立了一种适用 于旁路耦合电弧g m a w 方法的复合热源模型，对旁路耦合电弧g m a w 方法焊接时 的温度场进行了数值分析和计算，模拟了不同焊接参数下工件温度场的分布情况， 分析了焊接参数对母材热输入的影响规律，并进行了相同焊接参数条件下的堆焊 试验，采集得到了不同焊接参数下工件背面特征点的焊接热循环曲线，并与相应 的数值模拟结果进行了对比分析，焊接试验结果较好的验证了旁路耦合电弧 g m a w 方法复合热源模型的合理性。 第三，针对旁路恒流外特性m i g 焊的送丝速度和焊接电流对双丝旁路耦合电 弧g m a w 过程稳定性和母材热输入的影响规律及其相互的耦合关系进行试验研 究。在此基础上尝试多种控制方案，寻找最优控制途径。首先通过单闭环控制系 统对旁路送丝速度实现了控制，保证了焊接过程的稳定性；其次通过双路闭环控 制系统对焊接过程中的母材热输入实现了控制，进一步去除了焊接过程中影响母 旁路耦合电弧g m a w 工艺及机理研究 材热输入和焊缝质量稳定的焊接总电流波动带来的干扰因素；最后，在双路闭环 控制系统的基础上对旁路送丝速度和电流的耦合关系实现了部分解耦控制，进一 步提高了控制系统的精度和焊接系统的稳定性。 第四，在理论分析和控制方案保障的基础上，分别对非熔化极单旁路、双旁 路和双丝旁路耦合电弧g m a w 三种不同形式的旁路耦合电弧g m a w 的焊接工艺 进行了深入研究，对影响其焊接过程与焊缝成形质量的焊枪几何参数进行了试验 确定，得到了各方法下的最佳焊枪几何参数及参数选取原则。在此基础上将三种 不同形式的旁路耦合电弧g m a w 方法分别应用于低碳钢和镀锌板的高速堆焊和 搭接接头的焊接试验中，分别得到了各方法下的高速堆焊参数范围和镀锌板高速 堆焊和搭接试验结果，并对结果进行了分析。 关键词：旁路耦合电弧g m a w ；电弧形态；熔滴过渡；焊接温度场；过程控制； 焊枪几何参数；高速焊：搭接 n 博士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m si nh i g h - e f f i c i e n c ym i g m a gw e l d i n g ，s u c h 勰c o m p l e x d e v i c e sa n dh i g hc o s t , d i f f i c u l t yi np r o c e s sp a r a m e t e r sm a t c h i n g ，d i f f i c u l t yi nw e l d i n g t h i np l a t ea n de v e nr e q u i r i n gs p e c i a ls h i e l d i n gg a sa n dw e l d i n gm a t e r i a l si ns o m e h i g h - e f f i c i e n c yw e l d i n gm e t h o d s ， an e wl o w - c o s t h i g h - e f f i c i e n c yw e l d i n g m e t h o d d eg 【a ww a sp r o p o s e d i nd e g n i a wp r o c e s s t h ef o r c ef i e l dd i s t r i b u t i o n a n dh e a ti n p u to nd r o p l e ta n dw e l d i n gp o o lc a l lb ea d j u s t e da p p r o p r i a t e l yb yc h a n g i n g w e l d i n gp a r a m e t e r so fb y p a s sa r c t h e r e f o r e ，t h eh e a ti n p u to nb a s em e t a la n dw e l d i n g w i r ec a l lb ed i s t r i b u t e dr e a s o n a b l ya n dt h ea r cf o r c ec a nb er e d u c e de f f e c t i v e l ya t l a r g e c u r r e n tw e l d i n g ，d e c r e a s i n gw e l dd e f e c t si nh i g h - e f f i c i e n c yw e l d i n g m sw e l d i n g m e t h o dc a nb e a p p l i e d t o h i g h - e 伍c i e n c yw e l d i n g o ns h e e tf o ra u t o m o b i l e h i g h - e f f i c i e n c ys u r f a c i n go np r e s s u r ea n dc h e m i c a lc o n t a i n e r s a n d o n d e g n 蜊i s an o v e l 。p o t e n t i a lw e l d i n gm e t h o d ，w h i c hh a st h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l e n g i n e e r i n gv a l u e i no r d e rt os t u d ya n du n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o u p l e da r c ，m e c h a n i s mo f m e t a lt r a n s f e ra n dd i s t r i b u t i o nl a wo fh e a ti n p u to nb a s em e t a la n dw e l d i n gw i r ef u r t h e r a n dl a yaf o u n d a t i o nf o ra c t u a lw e l d i n gp r o d u c t i o n , t e s tr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s w e r ed o n eo ni n f l u e n c el a wo fb y p a s sc u r r e n t a r c0 1 1c o u p l e d 撒s h a p ea n dm e t a l t r a n s f e rm o d e ，d i s t r i b u t i o nl a wo f1 1 e a li n m 也w e l d i n gp r o c e s sc o n t r o la n dh i g h - s p e e d w e l d i n gt e c h n o l o g y i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c el a wo fb y p a s sc u r r e n t a r ca g a i n s tm e t a lt r a n s f e r p r o c e s sa n da r cf o r c eo i ls u r f a c eo fw e l d i n gp o o l ，f o r c ea n a l y s i so nd r o p l e tw a sd o n ei n n o n - c o n s u m a b l ed b g ma wp r o c e s sa n ds i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nw a sm a d eo n a c c e l e r a t i o na n dr e s u l t a n tf o r c ew h e nm e t a ld r o p l e tf e l lt h r o u g ht h ec o u p l e da r c t h e n t h ei n f l u e n c eo nf a l l i n gs p e e d , f o r c eo fd r o p l e ta n dm e t a lt r a n s f e rm o d eu n d e rd i f f e r e n t b y p a s sc u r r e n tb u tt h es a m et o t a lc u r r e n tw e r ea n a l y z e d b o t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no fb y p a s sc u r r e n t a r cn o to n l yp r o m o t e d t h em e t a lt r a n s f e r , r e d u c e dt h ec r i t i c a lc u r r e n to fm e t a lt r a n s f e r , b u ta l s od e c r e a s e dt h e a r cf o r c eo ns u r f a c eo fw e l d i n gp o o l ，t h e r e b yr e d u c i n gt h ew e l dp e n e t r a t i o n o nt h eb a s i so fs t a b l ew e l d i n gp r o c e s s ，t h eh e a td i s t r i b u t i o nm o d eb e t w e e ns u r f a c e a n db o d yh e a ts o u r c ew a sf u r t h e rs t u d i e da n dac o m p o s i t eh e a ts o u r c em o d e ls u i t a b l e f o rd e g w a sd e v e l o p e d n u m e r i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nw e r em a d ef o rt h e w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l do fd e g m a wt h e nt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do f w o r k p i e c ew a ss i m u l a t e du 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 sa n di n f l u e n c el a wo fh e a t i n p u tu 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 sa n a l y z e d c o r r e s p o n d i n gs u r f a c i n g v e r i f i c a t i o nt e s t sw e r ec a r r i e do u ta n dw e l d i n g1 1 e a tc y c l ec u r v e so ff e a t u r ep o i n t so nt h e b a c ko ft h ew o r k p i e c ew e r ea c q u i r e d 硼1 ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a t t h e p r o p o s e dc o m p o s i t eh e a ts o u r c ew a sr e a s o n a b l ea n dc o u l dr e f l e c tt h e h e a t d i s t r i b u t i o no fd e g m 渔wp r o c e s ss u i t a b l y ，n l es t a b i l i t yo fc o n s u m a b l ed e g m a wp r o c e s si sp o o rd u et ot h ea d d i t i o no fa g m a wt o r c h ar a p i dp r o t o t y p i n gc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e dt os o l v et h i sp r o b l e m o nt h i sb a s i s c o n t r o lt e s t si nc o n s u m a b l ed e g m 渔wp r o c e s sw e r ec a r r i e do u ta n d o b t a i n e dw e l db e a d sw i t hg o o df o r m a t i o n 硼1 ew e l d i n gp r o c e s so fc o n s u m a b l ed e g m a w , n o n - c o n s u m a b l ed e g m - a wa n d l l i 旁路耦合电弧g m a w 工艺及机理研究 d b g m a ww e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r yp a r a m e t e r so f w e l d i n gt o r c h e so nw e l d i n gp r o c e s ss t a b i l i t ya n dw e l d i n gq u a l i t yw a ss t u d i e da n dt h e o p t i m a lg e o m e t r yp a r a m e t e r so fw e l d i n gt o r c hw e r eo b t a i n e d o nt h i sb a s i s ，t h et h r e e d i f f e r e n tt y p e so fw e l d i n gm e t h o d sw e r ea p p l i e dt oh i g h - s p e e ds u r f a c i n ga n do v e r l a p w e l d i n go nm i l ds t e e la n dz i n c c o a t e ds t e e lr e s p e c t i v e l y t h ep a r a m e t e r sr a n g eo f h i g h - s p e e ds u r f a c i n gw a sd e t e r m i n e da n dc o m p a r i s o na n da n a l y s i so i lt h et e s tr e s u l t s w e r ec a r d e do u t k e yw o r d s d o u b l ee l e c l x o d eg m a w ；a r cs h a p e ；m e t a lt r a n s f e r ；w e l d i n gt e m p e r a t u r e f i e l d ；p r o c e s sc o n t r o l ；g e o m e t r yp a r a m e t e r so f w e l d i n gt o r c h e s ；h i g h - s p e e d w e l d i n g ；o v e r l a pw e l d i n g i v 博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 1 1 高效化焊接方法的意义 随着我国制造业的迅猛发展和焊接技术的不断进步，焊接结构得到了越来越 广泛的使用，每年的焊接工程量巨大并逐年递增，这就对焊接效率提出了更高的 要求。在诸多焊接方法中，由于m g 眦g 焊易于实现自动化焊接，具有生产效率 高、可以全位置焊接、节能、接头质量好等优点，成为高效化焊接方法的重要选 择。以发达国家美国和日本为例气体保护焊在整个焊接工艺中所占的比例约为7 0 左右，而我国在2 0 0 5 年才达至u 2 5 的水平【l 】因此m i g m a g 焊在我国具有极大 的发展空间和潜力。但传统m i g m a g 焊工艺能达到的最高送丝速度小于 1 6 1 8 m r a i n ，最高焊接速度低于l m m i n ，为了适应现代焊接生产高效率的要求， 进一步提高m i g m a g 焊生产效率的研究成为近年来焊接领域的热点问题之一f 2 】。 实现高效m i g m a g 焊需要解决的主要问题是要保证大电流和高焊速条件下熔滴 过渡、电弧形态和熔池流动的稳定性。针对以上问题国内外研究者采用不同的解 决方法发展出了一些高效m i g m a g 焊方法如双丝高速焊系统、t i m e 焊系统、磁 控大电流焊系统、激光- - m i g 复合焊系统等并在一些产品的生产中得到了成功地 应用。但高效m i g m a g 焊技术的发展仍然存在一些问题，如设备复杂成本高、有 些方法需要特殊气体或焊接材料、薄板和超薄板焊接效果欠佳等缺点限制了它们 在某些应用场合的推广和应用。本课题采用了一种利用旁路电弧干预和控制m i g 焊熔滴过渡、电弧力和母材热输入实现高效焊接的方法。原理是利用旁路电弧与 m i g 主弧形成耦合电弧并产生电磁、热和力之间的相互作用，通过改变旁路电弧 参数可以分别改变作用于熔滴和熔池上的力场分布和热输入，从而可以合理分配 焊丝与母材热量，有效地降低大焊接电流时的电弧压力，在高效焊接时避免产生 焊缝成型缺陷。该方法有望成为一种全新的低成本高效m i g m a g 焊方法，能够就 其它高效m i g m a g 焊方法在某些应用上的缺点进行有益的补充。前期的研究工作 已经证明了该方法的可行性。 本文的研究内容丰富了对多弧焊接物理过程的理论认识和理解，而且依此形 成的新的高效焊接技术可应用于汽车薄板的高效焊接、水利机械、压力和化工容 器复杂形状工件表面高效堆焊等领域，具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 1 2 高效化焊接方法需解决的问题与难点 根据文献【3 】建立了描述熔敷金属表面形状的静态平衡模型，应用该模型对高 速焊时导致焊缝咬边的因素进行了计算与讨论，指出增大材料润湿性，减小熔宽， 增大单位长度上的熔敷金属量是减小咬边倾向的途径。文献4 1 认为在大电流焊接 条件下，电弧压力增加，其对熔化金属的挖掘作用占了主要的比重，电弧力的作 用迫使更多液态金属向电弧后方聚集导致咬边或驼峰焊道的形成。电弧压力越大 产生缺陷的趋势也越大。由于电弧压力与焊接电流为平方关系，因此在大电流条 件下更容易产生焊缝成型缺陷。由文献3 ，5 ，6 1 的研究可知，随着焊接速度的提高， 要增大焊接电流以提高焊丝的熔化速度，同时要在焊丝和母材之间合理分配热量， 减少对母材的热输入保持母材熔深不变才能避免高速焊接焊缝成形缺陷的产生。 因此为了实现高速焊接，防止焊缝成形缺陷，一方面要减小对母材的热输入和电 弧压力，同时还要增大通过焊丝的焊接电流，但这是一个矛盾。对于常规m i g m a g 焊以及上述的一些高效m i g m a g 焊方法，通过焊丝的焊接电流就等于作用在母材 上的焊接电流如果要提高焊丝的熔化速度，就必然增加了对母材的热输入和电弧 压力因而无法根本解决这一矛盾。 1 2 高效化焊接方法的国内外发展现状 随着焊接技术的发展，高效焊接越来越受到生产厂家的重视，逐渐成为造船， 汽车、工程机械、化工能源等生产行业研究和应用的热点【7 1 。近年来，激烈的市场 竞争环境和工业需求的急剧扩大更是推动了新型高效化焊接技术的产生和发展。 高效化焊接的标志是在保证焊接质量的前提下提高焊接效率。实现高效焊接主要 有两个途径：一是大幅提高焊接速度，二是大幅提高熔敷率，但一般来讲这两方 面的提高最终都要归结为焊接电流的大幅提高。但大焊接电流会导致作用于熔滴 和熔池的电弧力急剧增加，破坏焊接过程的稳定性并使母材热输入升高而导致焊 缝组织变差、焊接变形变大。提高焊速后，虽然可以降低热输入，但熔滴过渡和 熔池流动状态的不稳定仍然会导致焊缝咬边甚至“驼峰”焊道【8 】。为了获得稳定的 高效m i g m a g 焊过程，国内外焊接工作者对高速焊接时缺陷产生的机理、稳定大 规范条件下的熔滴过渡和熔池流态、控制焊接热输入等方面入手进行了大量卓有 成效的研究工作，在此基础上也发展出了多种高效m i g m a g 焊接方法，很多已开 始应用于实际生产中。 1 2 1 多元气体保护法 传统单丝m i g m a g 焊提高熔敷率的措施是增加送丝速度和提高焊接电流，但 随着送丝速度和电流的提高熔滴过渡变为不稳定的旋转射流过渡，会产生大量飞 溅，对熔池的剧烈搅动也会导致焊接缺陷的产生，因此解决旋转射流过渡的稳定 问题是实现单丝大电流m a g 焊的关键。利用焊接保护气体对熔滴过渡和电弧的重 要影响，j o h nc h u r c h 首先发明了称为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 ) 的4 元混合气体保护m a g 焊【9 】，在大电流m a g 焊条件下得到了稳定的旋转射流过 2 博士学位论文 曼鲁曼曼舅l , i i i i _ 1 _ ：| i 皇曼曼舅曼皇量量皇鼍 渡，并由f r o n i u s 公司实现了该项技术的产业化。t i m e 焊可以极大地提高焊接熔 敷率，送丝速度可达到2 8 5 0 m m i n ，最大熔敷率达4 3 0 舳，熔敷效率为传统 m i g m a g 焊的3 倍。德国国林德公司的l i n f a s t 方法同样采用了多元保护气，能 达到类似的焊接效果【1 0 1 。 文献 1 1 1 研制开发了一套多元气体大电流m a g 焊试验系统，它包括一元化控 制的i g b t 逆变电源，电枢电压与速度反馈双闭环控制的双驱动送丝系统，双水冷 焊枪以及质量流量闭环控制的精密气体配比供给系统。焊接试验证明，该系统具 有焊接电源动态响应速度快，送丝速度稳定，调速范围宽，气体配比精密的特点， 实现了1 2 r a m 焊丝大电流m a g 焊接高效的目标，其熔敷速率为普通m a g 焊的2 3 倍。所用送丝双闭环控制系统框图如图1 1 所示，气体配比供给系统如图1 2 所示， 焊接接头的宏观金相如图1 3 所示。 图1 1 送丝双闭环控制系统 磊隔耳石巧葙1l 1 ￥ 器器 至口 直 至 卜吨匦亟 匿习吨堕 盖了丽 图1 2 气体配比系统 图1 3 焊接接头宏观金相图 文献 1 2 】介绍了t i m e 焊工艺的特点、工艺本身对焊接设备的要求以及此工 艺在国内外的研究现状和高效m a g 焊的发展趋势。从焊接工艺方法的角度对比了 传统m a g 焊和t i m e 焊的不同，如表1 1 所示，并对相同焊丝直径下2 种工艺的最 大许用电流和所能达到的最高送丝速度和最大熔敷率作了比较 1 3 - 1 5 】，结果如表1 2 所示。 3 怫气体混合器 旁路耦合电弧g m a w 工艺及机理研究 表1 1 传统m a g 焊与t l m e 焊不同点 t i m e 焊1 27 0 05 04 5 0 与传统m i g m a g 焊相比，多元混合气体保护焊在高速高效方面的优势非常明 显，但无论是t - i m e 焊还是l i n f a s t 焊保护气组分中均含有昂贵的h e 气，而我国 是h e 资源贫瘠的国家。另外实现t i m e 焊或l i n f a s t , 焊i 艺还需配以专用高性能 焊接电源，对焊丝表面粗糙度和送丝装置也有较高要求，使得该方法的焊接成本 较高，限制了其在我国的使用。 1 2 2 磁场控制法 文献1 6 ，1 7 1 提出了磁控大电流m a g 焊方法，在传统m a g 焊工艺的基础上，采 用外加磁场控制器件，控制焊接过程中的熔滴过渡行为和焊接电弧形态，实现了 常规气体保护条件下，在连续大电流焊接时获得稳定的旋转射流过渡形式，实现 了对不稳定旋转射流过渡的有效控制。分析了由于导电流体的旋转而引起的周向 电流，以及由于周向电流与外加磁场的相互作用而产生的对熔滴过渡过程的影响。 通过试验验证了外加磁场可以有效的控制高效m a g 焊接的旋转射流过渡过程。得 到稳定性好、可控性好的旋转射流过渡，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 焊工艺。其研究结果如图1 4 所示。 四一圆 a ) t l m e 焊接b ) 无磁场控制c ) 有磁场控制 图1 4 有无磁场控制作用的对比试验结果 文献【1 8 】针对磁控大电流m a g 焊使用空心线圈作为磁控器件焊接时存在的实 用性、可控性、冷却和保护效果等问题，优化并设计了两种新型的磁场发生装置， 并通过平板堆焊和角焊缝的工艺试验得到了飞溅更小，焊缝成形更好的焊接效果。 4 博士学位论文 其焊接工艺参数如表1 3 和表1 4 所示，其研究结果如图1 5 ，图1 6 和图1 7 所示。 表1 3 磁控大电流m a g 平板堆焊的工艺参数 电弧 送丝 励磁焊接千仲气体 电压速度电流速度长流量 业也：堕：坠塑堕：些业堕1 4 54 01 01 23 52 0 曩) 焊缝成形b ) 电弧形态 图1 5 空心线圈作为磁控器件的大电流m a g 平板堆焊 a ) 焊缝成形b ) 电弧形态 图1 6 内置导磁铁芯的线圈作为磁控器件的大电流m a g 平板堆焊 裹1 4 磁控大电流m a g 角焊缝工艺参数 电弧 送丝 励磁焊接于伸气体 电压速度屯流速度长流量 业堂堂：坠塑：堂：些坠：堕： 4 04 51 51 43 52 0 a ) 焊缝成形”电弧形态 图1 7 采用全封闭型磁控器件的大电流m a g 角焊缝 文献1 9 1 将励磁电流大小和励磁频率可调的横向旋转磁场应用于m a g 焊电 弧，利用高速摄像技术，研究保护气体为9 ( 柚9 8 + 9 ( o 妣的m a g 焊。在励磁 频率不变的情况下，调节励磁电流大小，以及在励磁电流不变的情况下，调节励 磁频率的大小。分别研究了励磁电流大小和励磁频率对m a g 焊电弧影响的机理和 电弧的运动行为，研究励磁电流大小对弧高的影响规律；试验结果表明：当励磁 频率不变时，励磁电流越大，电弧旋转半径越大，弧高降低；当励磁电流不变时， 励磁频率越大，电弧旋转半径越小，弧高降低。其研究结果如图1 8 和图1 9 所示。 5 箩；，i，貔 雹 旁路耦合电弧g m a w 工艺及机理研究 n 苫 簪 嚣 鬈 摧 意 罾 星 蟊 埋 鹾 簧 嚣 鬈 裂 旋转磁场励磁簇举h z 图1 8 频率增加时的焊接电弧形态 搦溅电漉，a 图1 9 励磁电流连续增大时的电弧形态 文献【2 0 】对纵向磁致旋转射流过渡m a g 焊焊接时励磁电流对焊接电弧形态及 其运动的影响规律做了相关研究，结果表明随着励磁电流的增加，焊接电弧的旋 转角速度增大，使得液态旋转熔滴被拉长，从而导致焊接电弧长度减小，其研究 博士学位论文 鼍 瑙 粥 毫 嚣 薯 鬈 礤 垂 霹 越 搬 鬃 露 髓露电飘乏，a 图1 1 1 励磁电流对电弧高度和电弧旋转角速度的影响 文献 2 1 1 将纵向磁场应用于9 8 a r + 2 0 2 和8 0 a r + - 2 0 c 0 2 保护的射流过渡 m a g 焊，借助高速摄像手段研究外加纵向磁场对m a g 焊电弧形态及运动特征的影 响规律，揭示纵向磁场对m a g 焊电弧的作用本质在于压缩电弧。通过分析液流束 末端的液态金属的受力情况，确立纵向磁场作用下m a g 焊的熔滴过渡机制。试验 结果表明，外加纵向磁场使得相对“静态 的锥形m a g 焊电弧转变为高速旋转的 螺旋状电弧，并且随着励磁电流的增大，电弧旋转角速度加快、可见弧长缩短、 电弧电场强度提高。同时外加纵向磁场的引入还能够降低焊接电流、提高熔滴过 渡频率和焊丝熔化系数。外加纵向磁场对射流过渡m a g 焊接过程稳定性的影响特 点与所采用的保护气体的物理性质相关。其研究结果如图1 1 2 ，图1 1 3 和图1 1 4 所示。 莲 撼 著 避 瑷 誊 豢 时阔d m s 图1 1 2 纵向磁场对焊接电流的影响 励磁电流枞 图1 1 3 励磁电流对焊接电流和焊丝熔化系数的影响 7 旁路耦合电弧g m a w 工艺及机理研究 图1 1 4 纵向磁场作用下m a g 焊的熔滴受力分析 文献 2 2 】在外加间歇交变纵向磁场的作用下，通过高速摄像观察到了m i g 焊接 电弧有沿着焊丝轴向逆时针和顺时针交替旋转的现象，其形态随励磁电流增大而 扩张，亮度降低，并受到不同形状熔滴的影响，同时焊接电流也会随之发生相应 的改变。其研究结果如图1 1 5 所示。 园_ 目 a )b