（材料加工工程专业论文）脉冲埋弧焊方法研究及应用探讨.pdf

摘要 自动埋弧焊工艺由于具有高的生产率、优良的焊接质量、灵活的调节 特性以及较好的劳动条件等诸多优点，已在船舶、能源、机械等工业部门 得到广泛的应用。该工艺已成为当前机械化水平较高的焊接工艺方法之一。 针对埋弧焊工艺在厚板焊接时，采用大热输入量所造成的焊接热影响区 ( h a z ) 粗晶区过热，致使晶粒粗大、韧性指标下降的缺点，本文提出了 一种新型的采用直流脉冲电流的埋弧焊工艺。并且研制开发了脉冲电流控 制器。该控制器采用以单片机为核心。其主要功能包括恒定峰值焊接电流 输出、恒定基值焊接电流输出、峰值一基值脉冲焊接电流输出的三种输出 控制形式。以及采用数码管监视脉冲参数和控制器运行状态等。经过实际 的脉冲自动埋弧焊试验表明，该脉冲电流控制器运行可靠，参数调整快捷、 准确，人机界面友好。采用脉冲频率f = 1 5h z 、占空比k m = 1 5 、脉冲 峰值焊接电流i = 1 0 0 0 1 2 0 0a 、脉冲基值焊接电流i = 4 0 0 6 0 0a 的脉冲 自动埋弧焊的焊缝成形优良。与普通埋弧焊相比，脉冲埋弧焊的焊缝熔深 大、焊接热影响区宽度窄、粗晶区晶粒得到细化、粗晶区段的尺寸变小， 其硬度也有所降低。 总之，本文提出的脉冲电流埋弧焊工艺方法思路新颖：所研制开发的 脉冲电流控制器操作简便、运行可靠、满足工作要求。该项研究具有广泛 的应用前景，具有重要的理论意义及工程实际应用价值。 关键词：脉冲，自动埋弧焊，热输入，脉冲频率，占空比，热影响区 a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cs u b m e r g e da r cw e l d i n g ( s a w ) h a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt ol o t so f i n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c ha ss h i p b u i l d i n g ，e n e r g ys o u r c e s ，m a c h i n ea n d s oo n ，b e c a u s ei th a sm a n ym e r i t sf o re x a m p l e h i g hp r o d u c t i v i t y , h i g hq u a l i t y , f l e x i b l e a a j u s t m e n ta n dg o o dw o r kc o n d i t i o n s n o ws a w h a sb e e nr e g a r d e da so n eo ft h e w e l d i n gt e c h n o l o g i e so fh i g hm e c h a n i z a t i o n w h e ns a w i su s e dt ot h i c kb o a r dw i t h h i g hh e a ti n p u t ，t h et e n a c i t yo fh a z w i l ld e c l i n ea n dt h es i z eo fg r a i nw i l li n c r e a s e ， b e c a u s eo ft h eo v e r h e a t i n go nh e a t a f f e c t e dz o n e ( h a z ) i no r d e rt oo v e r c o m et h e a b o v e s h o r t c o m i n g s ，an e w s a w t e c h n o l o g y , t h ep u l s e dd i r e c tc u r r e n t ( d c ) a u t o m a t i c s a w , w i l lb eb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r a n dap u l s ec o n t r o l l e ri sd e v e l o p e df o r d ca u t o m a t i cs a w am i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) i st h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e r t h e m a i nf u n c t i o n so ft h ep u l s ec o n t m h e ri n c l u d e ：c o n s t a n tp e a kw e l d i n gc u r r e n to u t p u t ， c o n s t a n tb a s ew e l d i n gc u r r e n to u t p u t ，p e a k b a s ew e l d i n gc u r r e n to u t p u ta n dt h ep u l s e p a r a m e t e r sm o n i t o r i n gw i t hd i g i t a ll i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ( l e d ) t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n to np u l s e ds a w w i t ht h ep u l s ec o m r o u e rs h o wt h a t ：t h ec o n t r o l l e rr u n s s t a b l ya n dc o r r e c t l y ；t h ea d j u s t m e n to fp a r a m e t e r si sp r o m p ta n da c c u r a t e ；a n dt h e h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei so fa m i t y w h e np u l s ep a r a m e t e r sf = 1 5 h z ，k m = 1 5 ，t h e p e a kw e l d i n g c u r r e n ti = 1 0 0 0 - 1 2 0 0 aa n dt h eb a s ew e l d i n gc u r r e n ti = 4 0 0 6 0 0 a ， g o o d s h a p e dw e l dw o u l db eg o t c o m p a r e dw i t ht h ec o m m o ns a w , p u l s e ds a w c o u l dg e td e e p e rp e n e t r a t i o n ，n a r r o w e rh a z ，s m a l l e rg r a i na n ds m a l l e rc o a r s e - g r a i n e d r e g i o n ，a n dl o w e r h a r d n e s s i nc o n c l u s i o n ，t h et e c h n o l o g yo fp u l s e ds a w p u tf o r w a r di n t h i sp a p e ri so f n o v e l t yt h o u g h t s ；a n dt h ed e v e l o p e dp u l s ec o n t r o l l e rc o u l dm e e tt h en e e d so f w o r k t h er e s e a r c hh a sw i d e l yp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n ，a n di th a si m p o r t a n tm e a n i n g si n t h e o r ya n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：p u l s e ，a u t o m a t i cs a w , h e a ti n p u t ，p u l s ef r e q u e n c y , d u t yf a c t o r ，h a z 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘茔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河贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 书咨苟吱签字同期：2 口。弓年多月西闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘鲎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) 1 削嘲靖戳：1 士召讯 囊字同期：了p 。；年f 月巧r 导师签名摩柱 签字f = i 1 期：j 卯弓年占月j ，同 第一章绪论 1 1埋弧焊工艺的特点 第一章绪论 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。它是当前生产效率 比较高的机械化焊接工艺方法之一。埋弧焊工艺主要应用于钢板结构的焊 接。可以焊接的材质有：碳素结构钢、低合金结构钢、耐热钢、不锈钢、 复合钢板等。埋弧焊工艺广泛应用于船舶、锅炉、起重机械、冶金机械、 石油管道、化工容器等工业部门。埋弧焊工艺的实施过程由以下四个部分 组成： ( 1 ) 焊接电源：接在导电嘴与工件之间。其作用是使通过导电嘴送出的 焊丝与工件之间生成电弧，为焊接过程提供热能。 ( 2 ) 焊丝：由焊丝盘经过送丝机构和导电嘴，送入焊接区。在电弧高温 及电弧力的作用下熔化，形成熔滴并且过渡到熔池中，进行冶金反应， 以及作为填充金属而成为焊缝金属的组成部分。 ( 3 ) 焊剂：颗粒状的焊剂出焊剂漏斗经过软管均匀地堆敷在待焊区域。 ( 4 ) 焊接小车：焊丝、焊丝盘及送丝机构：焊剂及焊剂漏斗；焊接控制 盘等，通常装在一台焊接小车上，以实现焊接电弧的移动。在正常的焊接 条件下，焊接小车的移动速度就是该工艺条件下的焊接速度。以国产 m z 1 0 0 0 型埋弧焊机为例，其焊接速度为2 5 一1 1 7 c m m i l l 。1 。 1 1 1 埋弧焊工艺原理 埋弧焊的焊接过程如图1 1 所示。由于连续送进的焊丝在预先堆敷的 颗粒状焊剂层下燃烧电弧。电弧的热量使焊丝、焊齐q 及工件母材金属熔化。 此时，在电弧区由于金属及焊剂的蒸气形成一个空腔，电弧就在该空腔内 稳定燃烧。空腔的底部是焊丝与母材金属熔化形成的液体熔池。空腔的顶 部熔融态焊剂形成熔渣。熔池金属中进行着激烈而复杂的焊接冶金反应， 形成的气泡快速逸出熔池表面。所以，高温下的液体熔池金属，受到熔渣、 电弧区气氛的保护，从而不受空气的作用。焊接过程中，随着焊接电弧不 断地向前移动，电弧力将会把液态金属推向熔池的尾部，并且逐渐的冷却、 凝固而形成焊缝。同时敷益在高温液体金属上面的熔渣，也不断冷却、凝 第一章绪论 固，最终敷盖在焊缝金属上而形成渣壳。 图1 1埋弧焊焊接过程 1 焊件2 焊剂3 焊剂漏斗4 ，焊丝 5 送丝导轮6 导电嘴7 焊缝8 渣壳 在埋弧焊接过程中，由于焊丝连续不断地送进到电弧区：焊丝端部在 电弧热量的作用下不断熔化；焊接小车也以一定的速度沿待焊部位向前移 动；所以在埋弧焊工艺中，送丝速度、焊丝熔化速度、焊接速度三者之间 应当相互配合，以达到最佳的平衡状态，才能保持焊接过程的稳定性，确 保焊接结构的优良品质。 1 1 2 埋弧焊工艺的优点 ( 1 ) 生产率高：由于埋弧焊所使用的焊接电流值比较大，相应的电流密 度也比较大。焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较，见表 卜i ”1 。因此，这种工艺的电弧熔深能力以及焊丝的熔化速度都是非常高的， 如图1 2 所示”1 。在一般情况下，i 型坡口，单面一次熔深可达2 0 m m 。同时， 埋弧焊的焊速比较高，厚8 l o m m 的钢板对接，单丝埋弧焊工艺的焊速可达 5 0 8 0 c m m in ，而焊条电弧焊仅为1 0 3 0 c m m i n “4 3 。 ( 2 ) 焊接质量高：由于气、渣保护作用，使得熔化的液体高温金属不与 空气接触。因此，焊缝金属中含氮、氧量比较低。而且熔池金属凝固结晶 比较慢，使得焊接冶金反应进行的比较充分。减少了焊缝中产生气孔、裂 纹的可能性。此外，焊接工艺参数可以通过自动调节系统保持稳定；对于 焊工技术水平要求不高；焊缝成形好；焊缝成分稳定；焊接接头力学性能 2 第一章绪论 好。总之，焊接质量高。 表1 1焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较 焊条( 焊丝) 焊条电弧焊埋弧焊 焊接电流电流密度焊接电流电流密度 直径d r a m i ，as a m m 。i aj a m m 。 25 6 - 6 51 6 2 52 0 0 - 4 0 06 3 - 1 2 5 38 0 1 3 01 1 1 83 5 0 6 0 05 0 8 5 41 2 5 2 0 01 0 - 1 65 0 0 - 8 0 04 0 6 3 51 9 0 2 5 01 0 1 87 0 0 1 0 0 03 0 5 0 = o 二2 5 妻2 0 堪 篓b 蓊1 0 驶5 0 双丝埋弧： 翠， i ，7 单煞电渣j 轧 ， ， ， 氐 自儡护联医焊e。 嘎弧擘 。影 - j汹( 千伸长6 4 m m 一一 掉簧奄弧辫ll| 焊接电漉a 图卜2各种焊接方法的熔敷速度 ( 3 ) 可以自动调节：在埋弧焊过程中，焊接工艺参数可以自动调节并保 持稳定的工作状态。因此，既保证了焊接质量，又减轻了劳动强度。 ( 4 ) 劳动条件好：埋弧焊的弧光不外露没有弧光辐射。此外，机械化 的焊接工艺减轻了焊工的劳动强度。这些都是埋弧焊独特的优点。 总之，埋弧焊可以采用比较大的电流。与焊条电弧焊相比，最大的优 点就是焊缝质量优良，焊接速度快。因此，理弧焊特别适用于大型工件的 直缝和环缝焊接。而且易于实现机械化。 1 1 3 埋弧焊工艺的缺点 ( 1 ) 埋弧焊采用颗粒状的焊剂以堆积的形式进行保护。因此，该工艺一 第一章绪论 般只适用于平焊和角焊位置的焊接。对于其他空间位置的焊接，则应采用 特殊装置等技术措施，以确保焊剂对焊接区的覆盖，并且防止液体熔渣及 熔池金属的流淌，才能获得优质的焊接接头。 ( 2 ) 埋弧焊时，不能直接观察到电弧与坡口的相对位置，应该特别注意 防止焊偏。如有特殊要求应采用焊缝自动跟踪装置，以保证从导电嘴送出 的焊丝对准焊缝。 ( 3 ) 埋弧焊使用的焊接电流比较大，电弧的电场强度也比较高。当焊接 电流小于1 0 0 a 时，则电弧的稳定性较差。因此，该工艺方法不适宜焊接薄 板结构。 ( 4 ) 由于埋弧焊焊剂的主要成分是m n o 、s i 0 2 等金属及非金属氧化物。 因此，难于焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。 ( 5 ) 该工艺适宜于长焊缝的焊接。由于埋弧焊机的机动灵活性比较差， 焊接设备也比较复杂，短焊缝的焊接体现不出生产效率高的特点。 1 2自动理弧焊的研究动态 自从上个世纪三、四十年代埋弧焊工艺出现以来，至今该项工艺已经 比较成熟。在前苏联的卫国战争中，由子埋弧焊工艺对于坦克生产提供了 巨大的技术支持，巴东电焊研究所受到国家的奖励与表彰。这也说明了工 程技术的发展与当时的社会条件、政治形势、科学技术水平有着密切的关 系。我国改革开放政策的实践表明：随着机械、电子、冶金等工业部门的 科学技术进步，焊接新工艺、新技术、新材料也不断出现。国家的相关政 策以及科技发展形势对于制造业的发展是巨大的支持。“发展高效焊接”、 “提高焊接机械化、自动化水平”、“发展绿色的制造业”等明确的目标已 经为传统的焊接技术指明了发展方向。例如，造船行业的焊接效率要求达 到9 0 ，焊接机械化、自动化程度要求达到7 0 。因此，对于船舶、军工、 冶金、石油、起重机械、压力容器等各工业部门的“十五”期间的发展规 划，埋弧焊工艺设备、材料的科研与开发面临着更大的机遇与挑战。 关于埋弧焊工艺的研究现状及水平，可以归纳为以下几个方面： 1 2 1 单面焊双面成形 单面焊双面成形自动埋弧焊工艺是采用较大的焊接电流，将焊件一次 熔透。由于该工艺条件下的熔池宽度比较大，熔深大，所以熔敷速度比较 第一章绪论 高。因此，必须采用相应的技术措施一强制成形的衬垫。使熔池在衬垫上 冷却凝固，这样才能达到一次成形。采用这种工艺方法，可以大大提高生 产效率、减轻劳动强度、改善劳动条件。具有较高的经济效益及社会效益。 目前，已经开发并在生产中应用的衬垫类型有：铜衬垫、焊剂衬垫、 焊剂铜衬垫，以及陶瓷衬垫等。同时，根据衬垫的不同类型还应配合不同 的辅助装置。例如，龙门压力架一焊剂铜衬垫埋弧焊工艺；气缸式纵缝焊 剂骜工艺：皮带式环缝焊剂垫工艺；水冷滑块一铜衬埋弧焊工艺；热固化 焊剂衬垫埋弧焊工艺；以及金属粉末衬垫单面焊等形式。 然而上述各种衬垫，包括铜、钢、金属与焊剂组合衬垫，其主要成分 为s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，属于中性材料。其优点是不熔入熔池，也不与焊缝金属 发生反应。目前国外已有这种衬垫作为商品出售。尤其是低氢型衬垫商品， 其使用、保存及注意事项均与低氢碱性焊条相同。 总之，单面焊双面成形埋弧焊工艺有许多优点，但也有不足之处。当 焊件的厚度增大时，所采用的焊接热输入量也相应的增加，才能保证工件 的熔透及背面成形的质量优良。这样做的结果是：明显地导致热影响区的 奥氏体晶粒长大，从而焊接接头的力学性能，特别是低温韧性指标难以达 到要求。因此，对于焊接接头韧性指标要求比较高的厚板结构，很少采用 这种工艺方法。 1 2 2 热丝埋弧焊工艺 热丝焊工艺就是焊丝从导电嘴送出以后，先受到一个“预热电流回路 的作用，使焊丝在预热电流通过以后，由于电阻热而使焊丝本身的温度升 高。这种处于较高温度的焊丝，在进入焊接区时，其熔化速度、熔化量均 有显著的提高。因此，提高了埋弧焊的熔敷率及生产效率。目前，该工艺 已在焊接生产中应用，反映良好。 1 2 3 多丝埋弧焊工艺 多丝埋弧焊是同时使用2 根或2 根以上的焊丝完成一条焊缝的焊接方 法。这是一种既保证合理的焊缝成形和优良的焊接质量，又可提高焊接速 度的高效焊接工艺方法。 主要应用于船舶、管道、压力容器等焊接结构的生产中。该工艺可以 使用细丝也可以使用粗丝。因此，它可以焊接3 m m 壁厚的薄壁液化石油气 贮罐，又可以焊接厚板结构。并且可以单面焊双面成形”。 第章绪论 多丝埋弧焊工艺的焊丝排列以及与电源的连接方式，通常有以下三种 ( 如图1 3 所示) ： 图1 3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 ( 1 ) 纵列式：各焊丝沿焊缝前后排列。各丝分别使用独立的电源，各焊 丝独立形成电弧进行焊接。纵列式多丝埋弧焊的特点是：焊缝熔深大：熔 宽较窄；每个电弧均可独立调节焊接工艺参数：而且可以分别使用不同电 流种类和极性的焊接电源。 ( 2 ) 横列双丝串联式：各焊丝分别接于同一焊接电源的一个电极。二焊 丝横跨接缝的两侧，利用焊丝问的间接电弧进行焊接。因此，母材熔化量 少，焊缝的熔合比小。由于焊丝合用一个电源，所以设备比较简单。 ( 3 ) 横列双丝并联式：各焊丝均并联于同一电源，横跨接缝两坝0 并列前 进。这种形式的特点是：焊缝的熔深大。同样，由于焊丝共用一个电源， 虽然设备简单，但是每一个电弧的功率很难单独调节。 目前，国内还没有生产适合造船工业需要的采用大直径焊丝、大电流 进行焊接的双丝埋弧焊机。国外在一些厚板结构的焊接生产中，已经应用 了具有3 - 6 只送丝电机，可以同时进行3 1 0 根焊丝的多弧埋弧焊。国外双 丝埋弧焊机的型号有：林肯公司的l t - 5 6 ：日本松f 公司的y m l5 0 2 f 2 ： 日本大阪电气的g 1 d ：i = ； 本大阪变压器的s w t - 2 4 ：瑞典e s a b 的a 6d o u b l e m a s t e r 等。 1 2 4 窄间隙埋弧焊工艺 窄间隙埋弧焊适用于锅炉、原子反应堆等厚板结构的焊接。其特点是 6 第一章绪论 坡口的截面积小，仅是一般埋弧焊的7 0 。因此。需要的热量就少；受到 的热影响也小。因此，焊接变形以及材料性能的变化都比一般的埋弧焊要 小。 厚板结构窄间隙埋弧焊的优点是提高焊接生产率，降低成本，节约能 源及材料。但是实际应用上也有较大的困难。其一是，在平行坡口内，可 能产生不充分的侧壁熔合现象：其二是，要求使用的焊剂能顺利的从窄间 隙中排除熔渣”3 。因此，能否在生产中使用这种工艺，其技术关键就在于研 究改进焊剂，使形成的熔渣容易脱落并排除。从国外资料可知，目前上述 两个技术难点，均已解决。采用新型焊剂及巾3 2 m mw 2 0 4 焊丝，成功地焊 接了厚l o o m m 的a s t ma 5 1 6 g 7 0 等钢材。根据不同的板厚，坡口间隙为 9 - 2 0 m m ，焊接电流为4 0 0 6 0 0a ，电弧电压为2 6 2 8 v ，电源采用交流或直 流均可。 1 2 5 添加合金粉末埋弧焊工艺 添加合金粉末的埋弧焊( s u b m e r g e d a r c w e l d i n g w i t h a l l o y e d m e t a l p o w d e r s s a w a m p ) 是一种能够提高熔敷速率，又不使焊接接头性能变差 的高效焊接技术。9 1 该工艺的基本要点是在坡1 2 1 中预先铺放一层金属粉末( 或金属细粒、切 断的短焊丝等) ，然后进行埋弧焊。国外从6 0 年代末期至今一直在研究、 开发和应用这种技术，已研究了系列合金粉末、焊剂和合金粉末添加装 置广泛用于船舶、压力容器、重型机器等制造行业。 研究表明，在埋弧焊焊缝中添加适当成分的合金粉末改善了焊缝的 微观组织。添加合金粉末后，尽管采用了大的热输入焊接，焊缝中先共析 铁素体的平均尺寸却减小了，而且添加含金粉末后针状铁索体含量明显增 加，柱状晶的方向性减小。因此有利于改善焊缝组织。添加合金粉并采用 大的热输入，尽管接个h a z 及其粗晶区的宽度有所增加，但是对于接头性 能有重要影响的h a z 粗晶区原始奥氏体的晶粒平均尺寸基本不变。这说明 它受热输入的影响并不显著。 1 2 6 焊缝金属的外加磁场处理 近年来，采用外加磁场对埋弧焊的焊缝金属进行处理的方法，已经引 起人们的重视。采用的外加磁场是以一定频率间歇交变的纵向磁场“。 该磁场由安装在直流自动埋弧焊机导电嘴上的激磁线圈产生其磁力线方 7 第一苹绪论 向基本上与电弧轴线平行，因此称为轴向磁场。施加轴向磁场后。熔池液 态金属作复杂的循环运动，使焊接熔池中的温度变得相对均衡。因而提高 了结晶前沿的温度梯度。同时，随着熔池金属搅拌速度的增加，扩散过程 加快，使界面溶质原子层的厚度减小。因此，平面状结晶前沿的稳定性提 高，降低了浓度起伏，因而降低了焊缝金属的化学不均匀性“。此外，通 过电磁搅拌，改变了焊缝中非金属夹杂物的大小和尺寸分布，促进了奥氏 体晶内针状铁素体的生成和细化，从而提高了熔敷金属的韧性。电磁搅拌 使熔池液态金属运动速度增大，使结晶前沿的稳定性提高，降低了浓度起 伏，减小了熔敷金属的成分偏析。这些对于提高焊接接头的力学性能都是 有利的。 1 2 7 研制新型的焊接材料 改善焊接材料的性能还可以通过改变焊丝和焊剂的化学成分来实现。 研究发现，可通过提高焊剂的碱度来提高组织的性能。“”1 通过提高焊剂的碱度，使焊缝锰含量增加，提高了奥氏体的稳定性， 从而抑制了晶界铁索体的形成。促进了晶内y n 的转变。锰含量的增加， 增加了奥氏体晶粒内t i n 、t i 0 2 等非金属夹杂物的数量，它们作为针状铁 素体的形核核心，促进了针状铁素体的形成。硅含量的降低，减少了马氏 体和奥氏体的数量，有效地提高了金属的韧性。焊剂碱度的变化所引起的 氧含量的变化，改变了焊缝中夹杂物的尺寸、数量和分布以及原奥氏体晶 粒的尺寸。当提高碱度后，由于焊缝金属中夹杂物的总量减少，使其晶界 的作用减弱，y 晶粒容易长大。因此，当铁索体首先在奥氏体晶界形核长 大时，所形成的晶界铁素体的数量较少。针状铁素体开始在奥氏体晶粒内 合适尺寸的夹杂物上形核。此时，由于y 晶粒内夹杂物数量增加，促进了 晶内针状铁索体的转变，因而在粗大的奥氏体晶粒内形成了大量针状铁素 体，提高了焊缝金属的低温冲击韧性。总之，随着焊剂碱度的提高，焊缝 金属中锰、钛含量增加，而氧、硅含量降低，这有利于针状铁素体的形成。 焊齐u 碱度的提高，降低了焊缝金属中的氧含量，使原奥氏体晶粒尺寸增大， 并产生了有利于针状铁素体形核的夹杂物尺寸和分布，促进了针状铁素体 在焊缝金属中的形成。同时，熔敷金属的低温冲击韧性也得到提高。 1 2 8 改善埋弧焊焊接接头组织性能的研究 随着科学技术的发展，各工业部门的设备都朝着大型化、高参数的方 第一章绪论 向发展。高压厚壁的焊接结构的需求日益增多，对于这些厚壁结构，采用 的焊接工艺参数需要有高的热输入，才能保证熔透及反面成形。同时也能 获得较高的焊接生产率。然而，这样焊接的结果必然会导致接头的热影响 区晶粒长大，致使接头的力学性能特别是低温韧性指标难以保证。因此， 各国学者针对这方面的课题，进行了研究工作。归纳起来，有以下几个方 面： ( 1 ) 根据板材、焊材的具体情况，通过大量的试验，总结出获得优良性 能的工艺参数组合。这种优化工作在采用计算机技术以后，可以减少许 多的重复劳动。 ( 2 ) 针对不同结构的材质，开展焊后热处理的研究。其目的是利用金属 学、热处理原理等有关科学规律，控制材料的性能。目前也取得了一定的 成果，并在焊接实践中应用。 ( 3 ) 为了改善热影响区的韧性指标，国外的某些单位正在研究在钢中加 入某些高温下能形成稳定化合物的合金元索，致使在奥氏体晶界和晶内， 同时获得细微晶粒。在钢种的配方中，加入t i 、b 、r e 等元素，试制成功 了“可采用大热输入”的焊接用高强钢。经过试验证明，多项韧性指标均 有所提高。 1 3 本课题的研究目的、意义、技术路线及研究内容 根据埋弧焊工艺在国民经济中所起的作用，以及该工艺的优缺点，参 考了国内外关于焊接工艺的科研及生产水平。本课题的研究目的是：开发 一种输出脉冲电流的埋弧焊工艺，使焊接电流成为在一定恒流的基础上， 进行一定频率和幅值变化的脉冲电流，从而控制焊接热输入量。通过采用 一定的技术措施，使埋弧焊焊接接头的组织、性能得到改善，从而使h a z 的组织细化，提高其韧性。这项研究工作对于提高埋弧焊的焊接质量水平 具有重要的理论意义及工程实际的应用价值。 本研究的技术路线为：利用电子学、自动控制理论及单片机技术，设 计并制造用于埋弧焊系统的“直流电焊机脉冲电流控制器”，根据埋弧焊的 控制原理，将该脉冲电流控制器，连接到埋弧焊控制电路中，以获得不同 参数的脉冲电流，并在该脉冲电流下，进行焊接试验、研究。在研究工作 中寻求各脉冲参数对焊接质量的影响，优选出最佳参数。根据金属学试验 的结果，总结出脉冲埋弧焊焊接接头组织、硬度等的有关规律。 本课题的研究内容包括： 9 第一章绪论 ( 1 ) 直流电焊机脉冲电流控制器的研制开发。 ( 2 ) 采用脉冲电流控制器的脉冲埋弧焊工艺试验：对于不同的脉冲频 率、占空比、峰值焊接电流、基值焊接电流以及电弧电压等工艺参数下的 焊接情况进行分析、比较，总结有关规律。 ( 3 ) 将不同脉冲参数的焊缝及h a z 与传统恒流埋弧焊情况下的焊缝及 h a z 进行金相组织分析、测定硬度等有关数据。从而总结出脉冲埋弧焊的相 关规律，向有关的生产单位推荐。 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 2 1 直流电焊机脉冲电流控制器概述 要在直流自动埋弧焊机上实现脉冲直流电流的埋弧焊接，首先在硬件 上需要开发一个直流电焊机脉冲电流控制器，以达到直流脉冲焊中相关参 数的给定与控制。如焊接电流峰值，焊接电流基值，脉冲频率，占空比等。 在本课题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，可通过焊机的端予扳和多种直流焊机方 便地连接，如l i n c o l nd c 系列直流弧焊机( 如d c 4 0 0 、d c 6 0 0 、d c 1 0 0 0 等) 。 该直流电焊机脉冲电流控制器已经申报了中国专利，目前该专利正在 受理之中( 专利申请号：0 3 2 5 7 8 2 3 7 ，申请日期：2 0 0 3 年6 月1 0 日) 。 2 2 控制器原理及功毹 2 2 1 控制器原理 直流电焊机脉冲电流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，参数的调整快捷、准确，便于应用数码管等友好的人机界面。 该控制器的功能原理图，如图2 1 所示。 直流电焊机脉冲电流控制器在单片机的控制下，按照直流脉冲埋弧焊 的控制要求，生成频率可调、占空比可调的脉冲控制信号，将蜂值电流给 定及基值电流给定，通过高速电子开关送往受控制的直流自动埋弧焊机外 接端子板，并以遥控电流给定的方式控制电焊机的输出电流。 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 2 控制器功能设计 直流电焊机脉冲电流控制器针对本课题试验的要求，以及在生产中灵 活应用的需要，设计并实现了如下的主要功能 ( 1 ) 恒定峰值焊接电流的控制输出： 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 该控制器可以始终向电焊机送出峰值电流控制信号。这样便于生产、 试验中对峰值电流的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参数不变的情 况下方便地单独比较峰值电流的焊接效果。 将这种电流控制输出方式命名为控制模式1 ( m o d e1 ) 。 电谭o c5 v 言囱囱囱囱酱 一l ! ! 兰一 “” 堑 片一善善毒毒粤 t 。i m 6 d 。 摹窜4 $ x自0d 空穰 键嚣 晶撮机 - 0 - 习- _ 荑 由由噬纛 图2 - 1控制器功能原理图 ( 2 ) 恒定基值焊接电流的控制输出： 该控制器可以始终向电焊机送出基值电流控制信号。与m o d e1 的作 用类似，这便于生产、试验中对基值电流的调节、给定进行校准。以及在 其它焊接参数不变的情况下方便地单独比较基值电流的焊接效果。 将这种电流控制输出方式命名为控制模式2 ( m o d e2 ) 。 ( 3 ) 峰值基值脉冲焊接电流的控制输出： 控制器根据己设定的脉冲参数，向电焊机交替送出峰值电流控制信号 和基值电流控制信号。以使直流自动埋弧焊机在焊接电流输出端形成符合 相应频率要求的脉冲焊接电流。 将这种电流控制输出方式命名为控制模式3 ( m o d e3 ) 。 “) 直流埋弧焊中脉冲参数解耦合调节： 1 2 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 直流埋弧焊中脉冲参数解耦合调节是指，当调节某个脉冲参数的时候， 调节行为不会对其它参数产生影响。这样，使参数的调节简洁方便，同时 避免了在以模拟器件为主时为实现脉冲参数耦合所造成的电路设计复杂的 情况。 ( 5 ) 4 位八段数码管直观地表示出脉冲控制器的运行状态： 利用4 位八段数码管，对控制器的工作参数及工作状态进行监视。其 中前两位表示脉冲频率。设计范围是0 1 9 9 h z ；后两位表示脉冲占空比，设 计范围是5 一9 5 。 此外，利用占空比数码管( 第3 ，4 位) 的两个空闲小数点，监视脉冲 控制器的脉冲输出端，以这两个小数点位的组合显示，直观地表示出脉冲 控制器的运行状态( 参见上述的三种焊接电流控制输出状态) 。小数点位的 组合显示具体如下： m o d e1 ：第3 位数码管小数点常亮： m o d e2 ：第4 位数码管小数点常亮： m o d e3 ：第3 、4 位数码管小数点根据实际脉冲控制参数交替闪亮。 2 3 脉冲控制器硬件部分 该控制器的硬件部分是以单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 为控制核心，以高速电子 开关c d 4 0 6 6 为控制器和直流自动埋弧焊机之间的接口。另外，配有键盘 ( 6 个按键) 及4 位8 段数码管构成的显示屏。硬件各部分详细说明如下。 2 3 1 单片机( m c u ) m c u 采用的是a t m e l 公司的a t 8 9 c 2 0 5 1 。是一种高性能的8 位c m o s 微型控制器件，兼容5 1 单片机的指令及引脚定义，其内嵌1 2 8 b 的r a m 和2 k bf l a s h 可编程擦除只读存储器，可反复编程。a t 8 9 c 2 0 5 1 的工作 频率可达到2 4 m h z ，具有2 个1 6 位定时器以及p l 、p 3 接口，共1 5 个 i o 引脚。因此，能够满足设计功能的要求“。 控制器中a t 8 9 c 2 0 5 1 的复位及时钟电路如图2 2 所示。采用了上电复 位和按键复位( r e s e t ) 两种复位方式。系统时钟为外接的1 2 m h z 晶振。 a t 8 9 c 2 0 5 1 的p 1 接口( p 1 0 一p 1 6 ) 用来发送8 段数码管的显示内容 及数码管片选信号。p 1 0 p 1 3 输出各位数码管显示值的b c d 编码，p 1 4 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 给出各数码管的小数点位的显示信号。值得注意的是，a t 8 9 c 2 0 5 1 的p 1 0 、 p 1 1 不仅是标准i o ，还是片内模拟比较器的引脚。片内没有为其设置上拉 电阻“。所以，当p 1 0 、p 1 1 作为输出端使用时，需要外接上拉电阻，以 提高其带载能力。这与其它的i o 引脚不同。对于其它i o 引脚，芯片内已 经内置了上拉电阻，无需外接。 此外，p 1 5 、p 1 6 用作4 位数码管的扫描选片信号输出端。 加0 u f e c l 点c t r d l 建岱勘# j g k d u - p b - i c h e n a l i 嬲7 慧白o j c l 2m 吲 c 9 t _ 玎一 3 0 p =- c a p 宰c a p3 0 9 气r 8 9 c 2 0 5 1 图2 2控制器中a t 8 9 c 2 0 5 1 的复位及时钟电路 a t 8 9 c 2 0 5 1 的p 3 接口用作按键接1 2 1 ( p 3 0 p 3 7 ) 和脉冲控制信号输 出端口( p 3 5 、p 3 7 ) 。 2 3 2 高速电子开关 控制器中的高速电子开关采用的是c d 4 0 6 6 芯片。c d 4 0 6 6 的结构框图 如图2 3 所示。c d 4 0 6 6 为由逻辑输入信号可控的c m o s 型四双向开关。因 为其构造为c m o s ，所以对控制输入信号线路影响较小。另外，由信号输 入而引起的开通( o n ) 阻抗变化较小，应用范围广，可作为断路器、调制 器、解调器等使用“”。 c d 4 0 6 6 的主要特点如下： ( 1 ) 工作电源电压范围：v d d v s s = 3 1 8v 1 4 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 ( 2 ) 导通阻抗：8 0 q ( v d d v s s = 1 5v ) ( 3 ) 高关阻抗，小漏电流： o 1 n a ( v d d v s s = 1 0v ，t = 2 5 ) ( 4 ) 各开关间交调失真小：5 0 d b ( f = 8 m h z ) ( 5 ) 线性好：失真率为0 ，1 ( 6 ) 各开关问的开阻抗差小：5 q ( v d d - v s s = 1 5v ，v i s = 1 5v ) v d d c o n tc o n td 1d 2c 1c 2 ad 1 41 31 2l ll o98 商峨学 a 1a 2b ib 2 c o b n tc o c n t v s s 图2 - 3c d 4 0 6 6 的结构框图“” c d 4 0 6 6 接收来自a t 8 9 c 2 0 5 l 上p 3 7 、p 3 5 的脉冲控制信号，并据此 分别选通高、低焊接电流的给定控制信号，将信号送到直流自动埋弧焊机 的遥控电流控制信号端子。 2 3 3 键盘 键盘部分由6 个按键组成，分别为：复位键( r e s e t ) 、工作模式键 ( m o d e ) 、频率增、频率减、占空比增及占空比减按键。其中，r e s e t 是单片机的复位键，它使单片机恢复到默认的工作参数( 1 h z ，5 0 占空比， 工作模式为m o d e1 ) ；m o d e 键为直流电焊机脉冲电流控制器的工作状 态选择键，可循环选择3 种焊接电流输出状态，即m o d e1 、m o d e2 和 m o d e3 ( 参见本章2 2 节) 。 2 3 4 焊接电流给定 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 焊接电流的给定部分需要根据被控焊机的硬件情况而定。以l i n c o l n 系列直流焊机为例，焊接电流的给定部分为2 个独立的电位器( 1 0 k q 2 w ) “，与c d 4 0 6 6 连接，分别给定焊接的峰值电流和基值电流。 2 3 5 显示屏 控制器显示屏由4 个8 段数码管组成，由m c u 以2 m s 为时间单位进 行循环扫描。其中，数码管显示内容的译码驱动任务由c m o s 芯片c d 4 5 1 1 完成：数码管选片译码、驱动选用7 4 l s l 3 8 八路译码器。 数码管显示译码驱动电路如图2 - 4 所示。c d 4 5 1 1 为7 段b c d 码译码 驱动器。由于a t 8 9 c 2 0 5 1 的i i o 引脚比较少，必须以较少的引脚信号表示 完整的信息，因此译码器必不可少。如图2 - 4 所示，c d 4 5 1 1 从p 1 0 - p 1 3 接收b c d 码，并据此驱动数码管显示。 图2 - 4 显示译码驱动电路 各数码管的小数点( d o t ) 所代表的意义不同： 第1 位数码管的小数点为脉冲频率值的小数点位 第2 位数码管的数点空闲不用： 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 第3 位数码管的小数点监视脉冲峰值焊接电流的控制信号( p 3 7 ) ： 第4 位数码管的小数点监视脉冲基值焊接电流的控制信号( p 3 5 。 所以，根据各位的小数点所代表的意义，经m c u 运算后，将结果叠加 于p 1 口，由p 1 4 分别送出。 4 位数码管采用扫描显示方式，其扫描选片译码驱动电路如图2 5 所示。 采用7 4 l s l 3 8 三八译码器，接收a t 8 9 c 2 0 5 1p 1 5 、p 1 6 的选片信号，译 码后经p n p 三级管驱动相应的数码管显示。这样，可对扫描的数码管提供 较大的工作电流，提高其显示亮度。 图2 5数码管选片译码驱动电路 2 4 脉冲控制器软件部分 a t 8 9 c 2 0 5 1 的指令系统与m c s5 1 系列单片机完全兼容。控制程序的 编制采用了目前流行的单片机开发软件k e i luv i s i o n2 。c 5 1 已经被完 全集成到“v i s i o n2 的集成开发环境中。这个集成开发环境主要包含：编 译器、汇编器、实时操作系统、项目管理器以及调试器等。p v i s i o n2 i d e 可为它们提供单一而灵活的开发环境。它提供的标准c 编译器为8 0 5 1 及其 兼容微控制器的软件开发提供了c 语言环境，同时又保留了汇编代码高效、 快速的特点”。 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 因为c 语言很好的结构性和模块化，所以用c 编写的程序更容易阅读 和维护。而且由于模块化使c 语言编写的程序有很好的可移植性。功能化 的代码能够很方便的从一个工程移植到另一个工程，从而减少了开发时间。 用c 语言编写程序比汇编语言更符合人们的思考习惯。开发者可以更专心 的考虑算法而不是考虑一些细节问题。c 5 1 可以使编程者尽量少地对硬件 进行操作，是一种功能性和结构性很强的语言。 2 4 1a t 8 9 c 2 0 5 1 的定时器设置 若要使焊接电流脉冲控制器的准确地运行，就离不开定时器及其中断 程序。a t 8 9 c 2 0 5 1 具有2 个1 6 位定时器计数器，并与5 1 系列单片机完全 兼容，即t o t 1 。在本设计中只使用了定时器t o ，与其相关的特殊功能寄 存器为：t h 0 ，t l 0 ，t m o d ，t c o n 。 t m o d ( 其中的m 1 m 0 位) 决定t o 的运行方式，如表2 1 所示： 表2 1定时器的方式选择“o 由于脉冲控制器需要不断地快速形成t o 定时器中断，其时f 司间隔较短 ( o 2 m s ) ，所以，t o 采用方式2 运行最为合理。并将t o 定时器中断设为 高级中断。 2 4 2 软件结构 软件采用的是c 语言的结构化设计。其主要结构包括： ( 1 ) 主程序； ( 2 ) t 0 定时器中断服务程序： ( 3 ) 数码管扫描子程序： ( 4 ) 键盘扫描子程序： ( 5 ) 按键事件处理子程序。 第二章直流电焊机脉冲电流控制器 主程序流程框图如图2 - 6 所示。主要完成控制器上电初始化设定定 时器中断优先级和运行方式，设置控制器默认工作参数，并启动定时器。 以及，键盘和数码管的循环扫描工作。 t o 定时器中断服务程序是本软件的核心，其流程示意图如图2 7 所示。 定时器采用方式2 运行，每0 ：2 m s 产生一个t o 定时中断。主要完成脉冲控 制信号的输出，以及获得并处理2 m s 、2 0 m s 、