（材料加工工程专业论文）双丝脉冲mig焊工艺研究.pdf

摘要 焊接的高效化、环保化，智能化成了2 l 世纪钢结构制造业发展的迫切要求。 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、焊缝成形恶化等焊接 缺陷，在解决上述问题的前提下，本文旨在研究完善一种高效、实用的双丝脉冲 m i g 焊接工艺。 本研究课题采用了t a n d e m 型双丝脉冲m i g 焊试验系统，两台焊机通过双 丝脉冲控制器连接，实现推挽式输出，以减小两个电弧之间的干扰。两焊丝相互 隔离，由两台电源分别供电，避免了电源之间的相互影响，使焊接电弧得到较好 的控制。 本论文在深入分析双丝脉冲m i g 焊接过程的机理后，针对影响焊接过程的 主要工艺参数，通过大量的试验，研究了前后丝均采用直径0 1 2 m m 焊丝和前丝 采用直径0 1 2 m m 焊丝后丝采用直径0 1 6 m m 焊丝两种情况下焊接电流、焊接电 压、脉冲频率、脉宽比、焊丝倾角、干伸长度等不同参数对焊接过程的影响规律， 采用了高速摄像摄影手段观测各组试验参数下的熔滴过渡和电弧行为，结合为 本试验开发的焊接信号采集测试分析软件，确定了对实际工程焊接有实际指导意 义的参数范围。 关键词：m i g 焊双丝脉冲熔滴过渡工艺 a b s t r a c t t h ee f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a l i s ma n di n t e l l i g e n t i z eo fw e l d i n gh a v eb e c o m et h e u r g e n tn e e do f t h ed e v e l o p m e n to ft h es t e e ls t r u c t u r ei n21 nc e n t u r y a sf o rt h en o r m a l m i g m a g , w e l d i n gd e f e c t ss u c ha si n c o m p l e t ep e n e t r a t i o n ，w o r s c n m gf o r m a t i o no f w e l dw 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 os o l v et h ep r o b l e m s a b o v ei np r e m i s e ，a l le f f i c i e n ta n da p p l i e dt a n d e mp u l s e dm i gh a sb e e ns t u d i e di n t h i sp a p e r t h er e s e a r c hd e v e l o p e dt a n d e mp u l s e dm i gs y s t e m ，i nw h i c ht h et w ow e l d i n g p o w e rs o u l c e sw e 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 ec o n t r o l l e r i m p l e m e n t e dt h ep u s h - p u l lo u t p u to f t h et w ow e l d i n gp o w e rs o u r c e sa n dt h u sr e d u c e d t h ei n t e r f i e r e n c eb e t w e e nt h et w oa r c s t h et w oa r cw e l d i n gt o r c h e sw e r ei n d e p e n d e n t w 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 ew e l d i n g p 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 gp o w e r s 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 t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h et h e o r yo ft h ed o u b l e - w i r ep u l s e dm i gf o rt h em a i n p a r a m e t e r si n f l u e n c e dt h ew e l d i n gp r o c e s st h r o u g h al o to ft r i a l s t h i sr e s e a r c h a d o p t e dt w ow e l d i n gp r o c e s sm e t h o dw h i c hi n c l u d i n gt h eb o t hw i r eu s e do 1 2 m m w i r ea n dt h el e a d i n gw i r eu s e do 1 2 m mw i r ew h i l et r a v l i n gw i r eu s e do1 6 m mw i r e ， t h e nc o m p a r e dt h ep a r a m e t e r si nt h et w ow e l d i n gp r o c e s ss u c ha st h ew e l d i n gc u r r e n t , w e l d i n gv o l t a g e ，p u l s e df r e q u e n c y ，p u l s e dw i d t hr a t i o ，w i r ea n g l ea n dt h es t e m e l o n g a t i o nw h i c h a f f e c t e dt h ew e l d i n gp r o c e s s u s i n gh i g h s p e e dc a m e r a p h o t o g r a p h y ， t h em e t a lt r a n s f e ra n da r cb e h a v i o ru 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 e r eo b s e r v e d a n dr e c o r d e d c o m b i n e dt h ep h o t oe l e c t r i c i t ys i g n a lt e s t i n gs y s t e mf o rt h i st r i a l ，t h e p a r a m e t e rr a n g e w h i c hw a st h eg u i d e l i n e sf o rt h ep r a c t i c ew e l d i n gp r o j e c tw a s a s c e r t a i n e d k e yw o r d s ：m i gp u l s e t a n d e mm e t a lt r a n s f e rp r o c e s s i n g 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，也不包含为获得苤鲞叁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。 毒名：主，眵手鼽叼年五月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕空盘堂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： 签字醐：呷年 纠簿 2 月牛日 导师签名：李栏 签字日期：力矽7 年月严日 第一章绪论 1 1 双丝焊的研究动态 第一章绪论 1 1 1 双丝焊工艺的发展与研究现状 中国加入w t o 后加快了钢铁工业结构调整与优化大大提高了钢铁企业技 术创新、管理和生产的水平，使我钢铁生产继续保持健康发展，满足了国民经济 快速发展的市场需求。钢铁产品将长期作为最主要的、用量最大的结构和功能材 料，在人类生活中发挥着重要作用。钢铁行业的持续高速发展，又为材料连接技 术创新提供了良好的基础与机遇，同时对材料连接技术创新提出了更高的要求。 焊接作为一种重要的材料加工和制造技术，它广泛地应用于石油化工、工程 机械、电力、航空航天和海洋工程等的结构件制造以及微电子、传感器等工业领 域。随着国民经济的迅速发展，焊接产品在国民经济各个部门中的应用日益广泛。 据统计，2 0 世纪9 0 年代初我国焊接结构产量已达到钢产量的3 0 ，2 0 0 0 年， 全世界7 5 的钢材经塑性加工，4 5 金属结构经焊接n - r 成型。随着科学技术 特别是新材料的不断发展，主要针对金属材料加工的焊接技术也已发展成为面向 所有材料进行连接加工的科学与技术。2 l 世纪我国乃至全世界焊接结构的产量 将达到钢产量的5 0 【l - 3 1 。 以实现高速度、高熔敷率、高质量的焊接工艺为目标，国内外在多丝多弧焊 接工艺、多元气体保护焊接工艺、活性化焊接新工艺等方面开展了广泛而深入的 研究。 双丝( 双弧) 焊是多丝多弧焊接工艺的基础。在国内外已经开展了广泛的研 究。早在1 9 4 8 年，为了提高生产效率，就有人开始研究双丝埋弧焊技术，并且 该项技术很快为人们所接受，并出现了多种双丝埋弧焊方法，如纵列式、横列双 丝串联式、横列双丝并联式等。1 9 5 5 年人们开始研究双丝( 双弧) 气体保护焊， 可是当时由于焊接电源技术比较落后，无法解决相邻电弧之间的电磁干扰问题， 从而限制了该项技术的应用，双电弧共熔池焊并没有发挥出应有的潜f l 皂t 4 , s j 。 早期的双丝气体保护焊中，两根焊丝使用同一个导电嘴，焊丝的电位相同， 且共用1 个或2 个大功率的直流电源。熔滴过渡过程很不稳定，因为当其中一根 焊丝产生短路时，所有的电流都会流经短路的焊丝，导致焊丝短路处能量瞬间剧 第一章绪论 增而爆断；焊接电流和弧长产生细微的变化就会引起焊接过程不稳定，熔滴过渡 产生飞溅，焊缝成形变差。 近十年，双丝( 多丝) 气保焊技术得到迅速发展。近年来，德国、日本、 奥地利、瑞士等公司在多根焊丝配以单个或多个电源方面进行焊接开展了大量的 研究工作，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用化的成果。其 中比较有影响的有德国的c l o o s 公司的t a n d e mt w i na r c 焊接工艺、奥地利 f r o n i u s 公司的t i m et w i n 焊接工艺和瑞典的a g a a b 公司的r a p i d m e l t 焊接工 艺。此外，日本在双弧焊方面亦进行了广泛的研究【6 8 1 。 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 ) i 艺，由加拿大w e l dp r o c e s s 公司 的j o l l i lc h u r c h 于2 0 世纪8 0 年代发明，并在欧洲得到了广泛应用【9 l o 】。奥地利 f r o n i u s 公司于1 9 9 0 年提出t i m e 高效焊接工艺，2 0 0 3 年又提出t i m et w i n 焊接 工艺，两根焊丝在一个保护气罩里相互绝缘，由两台独立的电源供电，双电弧共 一个熔池。t i m e 焊接工艺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 m i n ，但在实际的应用中，其送丝速度最高约为1 9 m r a i n 。这种工艺在低合 金钢、高合金钢及铝合金材料焊接体现了很好的经济效益。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 国氦气资源匮乏，这必将阻碍该工艺在我国的推广。 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 l l ，其送丝速度可 以达到5 0 m m 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。 德国c l o o s 公司在1 9 9 6 年开发了t a n d e m 焊接工艺。经过长期的研究与实 践，目前c l o o s 公司的t a n d e m 焊接工艺取得了以下技术突破：两根焊丝直径 可以一样也可以不一样；两根焊丝可以是不同的材质( 如碳钢和不锈钢，在复合 钢板焊接中体现了很大的优势) ；每根焊丝可以独立调整参数，相位任意设定； 可使用其中的一根焊丝进行单丝焊。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1 0 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【1 1 1 4 】。 1 1 2 双丝气保焊的主要研究方向 目前，从国内外对双弧焊接工艺方法研究的现状来看，按电弧的种类与位置 来分，其研究主要集中在三个方面：复合双弧焊、双面双弧焊及单面双弧焊1 5 1 。 2 第一章绪论 下面仅就与课题相关的单面双弧焊进行论述与分析。 单面双弧焊一般而言就是指双丝焊接( 即同时使用2 根焊丝在较高的焊接速 度、相同保护气氛下熔化到同一个熔池中，完成一条焊缝的焊接方法) ，它包括 采用单个焊枪配上填丝及双焊丝和双焊枪的双丝焊接。 随着熔化极气体保护焊的应用普及，国内外对熔化极气体保护双弧焊的研究 也逐渐增多”，双丝m i g m a g 作为高效化的焊接方法，是目前国际焊接界研究 和推广的热点之一。国际上目前主要有加拿大焊接研究所开发的窄间隙脉冲双焊 丝g m a w 焊接工艺，解决了电磁场的相互干扰和窄间隙侧壁熔合问题；日本的 n k k 船厂开发的用于角焊缝的焊接的双高速旋转电弧的焊接工艺；奥地利弗尼 斯公司开发了单枪双丝m i g 焊技术；德国c l o o s 公司也于2 0 世纪9 0 年代开发出 了 t a n d e m ”双丝焊接技术。国内曾研制了双焊丝的c 0 2 气体保护焊工艺，用于电 机机座的焊接。实际应用中证明它可以减小焊接变形，提高焊接质量和生产效率， 改善劳动条件，节约焊接材料”一。加拿大焊接研究所研制的脉冲双焊丝g m a w 焊接设备用于窄间隙的高强钢焊接，两电弧分别采用不同的电源供电，利用两电 源脉冲峰值的相移来控制双丝的焊接，抑制电磁场之间的相互干扰，成功地解决 了窄间隙焊接侧壁熔合问题”一。日本i h h 发明了双弧t i g 焊法，两个电极是四方 形的，中间用绝缘材料绝缘，另加热丝补充；三者都采用脉冲电流，两个电极和 基值电流时间由同步器协调至正好互补，但电流值不同，避免了一个电弧热量过 于集中，电流太大发生烧穿。日本的藤村告史开发的三丝焊接系统，采用电流相 位控制的脉冲焊接焊丝，电弧在三条焊丝上轮流燃烧，通过调节各焊丝之间的位 置关系及其焊接方向的夹角改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼 峰等成形缺陷。2 0 0 6 年中日青年学术交流会上，日本d a i s h e n 公司和大阪大学联 合开发的高速脉冲t a n d e mg m a w ，深入地研究了两根焊丝的相互位置对焊接电 弧的影响，在适当的焊接条件下，可将焊接速度提高到单丝焊接的3 - - 4 倍，并获 得优良的焊缝成形和力学性能”。 总之，双弧焊接作为一种高效节能、优质经济的焊接工艺方法，在实际生产 中具有良好的应用前景。随着焊接技术的发展，双弧焊接技术必将得以完善和发 展，同时还会出现新的电弧组合焊接工艺方法。双弧焊接的应用范围也将扩大， 并促进焊接技术的更大发展。现在，其正朝着多丝多弧焊、脉冲协同控制双弧和 设备的轻巧灵活方向发展。 1 1 3 双丝气保焊主要表现形式 双丝焊在熔化极气体保护焊中的应用目前还处于研究发展阶段，主要的工艺 形式有两种2 0 垅1 ：一种是单导电嘴双丝， 1 0 t w i n a r c ，另一种是双导电嘴双丝， 第一章绪论 即t h n d e m a r c 如图卜1 所示 a ) w i na r cb t a n d c ma r c 囤l l 职丝熔化极气体保护焊焊接系统示意图 t w i na r c 双丝焊系统( 图1 - l 中a 所示) 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) ，形 成共同的熔池。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 c 的优点是利用电弧自身调节，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， 焊丝间的相互影响力较大，很难精确控制两根焊丝的熔化及熔滴过渡。 t a n d e m a r c 双丝焊系统( 图1 - 1 中b 所示) 由两台焊机，两台送丝机及一把焊枪 组成，可与自动化专机或焊接机器人配套使用。两个送丝机通过两根送丝管分别 将两根焊丝送进焊枪中两个独立的导电嘴，焊丝在双电弧中被熔化，形成一个熔 池。 目前开发的双丝脉冲m i g m a g 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，可咀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。 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 一l 中b 所示。该技术将两根焊丝按一定的角度 置于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，这样可以虽佳地控制电弧，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 第一章绪论 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，最快可以达至t 6 m 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。 1 2 本课题的研究意义 本课题拟开发一种输出脉冲电流的不同焊丝直径( 0 1 2 m m 和0 1 6 m m ) 的双 丝m i g 焊工艺，使焊接电流成为在恒流基础上频率和幅值变化可调的脉冲电流。 通过调整两个脉冲电流的相位差，控制焊接热输入量，提高其焊接效率；优化焊 接参数，以满足工程实际应用。 未来我国焊接产业的发展趋势是发展高效、自动化、智能型、节能、环保型 的焊接。预计在2 1 世纪的前1 5 年，我国的焊接技术仍然是在传统的框架内继续增 长与改进。当前我国的焊接施工中熔化极气体保护焊逐渐取代手工电弧焊将成为 焊接的主流。 在水电站建设，长输管道建设等野外施工项目中，很大一部分结构需要在现 场拼装，传统的高效焊接方法如埋弧焊受到制约。目前针对野外施工的高效焊接 市场非常巨大，以三峡水利工程为例，单就压力钢管一项就达4 5 万吨的焊接工 程量，其中l 3 左右为钢管制作场焊接，约2 3 在安装现场焊接，此外蜗壳、锥管、 肘管、永久船闸等的现场焊接所占比重更大。国家天然气西气东输工程全长约 4 0 0 0 公里的输气管道，输气管径1 0 1 6 m m ，焊接接头的数量竟达3 2 万个以上，整 个管道上焊缝的长度至少l 万4 千公里。如此巨大的焊接市场，对于开发适合野外 施工的高效脉冲双丝焊工艺有非常重要的意义【2 3 - 2 4 1 。 一般来说，高效焊接技术主要是提高焊接速度和提高熔敷效率。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0 3 o 5 m m i n ，简单 的提高焊接速度会产生焊接缺陷，其中最主要的是焊缝成形差，易出现“咬边“和 “驼峰”焊道。采用特殊的单丝电流波形控制法，最多可将焊速提高到l 1 2 m m 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。而针对 厚板焊接，主要是提高熔敷效率的问题。双丝焊接可以有效地扩大焊接规范参数 范围，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的热效率， 5 第一章绪论 在相同熔敷速度的前提下有效减小热输入，这对防止焊接变形具有重要意义。 1 3 课题的研究内容 课题的主要研究内容： ( 1 ) 直流电焊机双丝脉冲电流控制器的改进和完善。 ( 2 ) 采用脉冲电流控制器的双丝m i g 焊工艺试验确定工艺参数范围。 前后丝均采用直径0 1 2 m m 相同焊丝的情况下，针对影响焊接过程的各种主 要焊接参数( 电弧电压、峰值焊接电流、基值焊接电流，占空比、脉冲频率、干 伸长度、焊接速度等) 进行焊接试验； 前丝采用直径0 1 2 m m 焊丝，后丝采用直径0 1 6 m m 焊丝情况下，结合前后 丝采用相同焊丝的试验情况，有针对性的进行试验，观察各种主要工艺参数对焊 接过程的影响。 ( 3 ) 利用高速摄像( 摄影) 系统和焊接信号采集测试分析软件对两种试验 情况进行分析、比较，总结有关规律。 ( 4 ) 将不同脉冲参数的焊缝及h a z 进行金相组织观察，总结出相同和相 异焊丝情况下双丝脉冲m i g 焊的相关规律。 ( 5 ) 研究优化一套能应用实际工程的双丝脉冲m i g 焊工艺参数。 6 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 本次试验的目的是通过系统性的工艺试验，借助焊接信号采集测试分析系 统，高速摄影( 摄像) 系统对焊接过程进行测试分析，对双丝脉冲m i g 焊的工 艺性进行研究，优化焊接参数，总结该焊接工艺规律，以达到工程实用化。 2 1 试验总体设计 工艺试验涉及的焊接参数多，根据实验室现有条件，经过分析讨论，选定焊 接速度、脉冲基值、脉冲峰值、脉冲频率、脉冲占空比、焊丝干伸长度、焊丝倾 角、焊丝间距等作为本次试验的自变量因素。本次试验的流程图见2 1 。 图2 1 实验总体设计流程图 7 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 2 2 试验系统构成 本次双丝脉冲m i g 焊工艺研究系统按所起主要功能的不同，可分为四大功能 模块。分别是基本焊接系统、焊接信号采集系统、高速摄影( 摄像) 系统、脉冲 控制系统。 本实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，两根焊丝沿 行走方向一前一后串列摆放，前导焊接电源和跟踪焊接电源分别为前导焊丝和跟 踪焊丝提供电能。两根焊丝虽然共一把焊枪，但它们的导电嘴是完全绝缘的。每 根焊丝承担个较单纯、特定的工艺要求，并根据各自特定的工艺要求，选择合 理的工艺参数，达到高效率、高质量的目的。为了对这两个电弧进行各自独立的 焊接参数控制，每个电弧有各自一套独立的设备。本次实验的设备连接示意图见 图2 - 2 ，具体的试验条件如表2 1 所示。 在本节中将对实验系统的4 大功能模块分别进行介绍。 图2 2 双丝脉冲m i g 焊工艺研究试验设备连接示意图 a ：基本焊接系统b ：信号采集系统c ：高速摄影摄像系统d ：脉冲控制系统 8 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 表2 1 双丝脉冲m i g 焊工艺研究试验条件 名称试验条件 母材材质 母材板厚 焊丝材质 焊丝直径 保护气体 接线方式 焊接方式 q 2 3 5 3 m m 、6 m m h 0 8 m n 2 s i a 1 2 1 1 2 m m ，0 1 6 m m 氩气 直流反接 堆焊 2 2 1 基本焊接系统 基本焊接系统部分( 图2 - 2 中a 虚线框所示) 主要包括两台逆变式v - 3 0 0 型林肯 电焊机、两台s 8 6 a 型半自动送丝机、一台s w h t 1 a 2 c 直线焊接工作台，此外， 还有焊接辅助设备包括变压器、气瓶气阀、遥控盒、焊枪位置调节装置等。 林肯v 3 0 0 焊机，采用最新的变频器技术能产生高功率，并具备极佳的焊接 性能，有适用于手工焊，t i g ，m i g 和f c a w 的五种达到最佳电弧焊特性的输出 模式转换，嵌入式电压补偿确保输出稳定。其电流输出范围在5 0 a 3 0 0 a 之间， 电压输出在1 3 v - - , 4 2 v 之间。用于远程控制和送丝装置的1 4 芯插座，能满足对试验 灵活控制的要求。 s 8 6 a 型半自动送丝机应用p i d 调节器作为中心环节，能够实现无级、等速 送丝调节。焊丝输送采用四主动轮推进，焊丝受力均匀，送丝力大。采用多圈电 位器可对焊丝送进进行精确给定调节和控制，设有数码显示装置，可直接读出送 丝速度，送丝速度调节范围为1 7 , - - 2 l m m i n 。适用焊丝直径：实芯0 8 - 2 r a m ，药 芯最大3 2 m m 。网路电压在+ 5 - - - - - 1 0 范围内变化时送丝速度变化率不大于5 ； 送丝机由冷态变化至热稳态时送丝速度变化率不大于5 。提前送气时间和延时 断气时间可调。 s w h t 一1 a 2 c 直线焊接工作台，有效行程达至1 9 0 0 m 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。 试验焊枪通过自行设计的焊枪调整装置可进行三维调节，分粗调和细调两种 情况，粗调可通过调节紧固螺丝移动十字架实现，细调可以通过调整上下方向、 前后方向上的调节螺杆来实现，这样就可以根据实际焊接情况确定焊枪的位置。 9 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 基本焊接系统设备连接示意图如图2 3 。 2 3 图2 - 3 基本焊接系统设备连接示意图 1 保护气瓶2 气阀3 送丝机4 电焊机5 保护气罩6 导电嘴7 脉冲控制器 2 2 2 信号采集系统 2 2 2 1 信号采集系统的构成 信号采集系统图( 2 - 2 中b 虚线框所示) 由硬件和软件两部分组成，硬件部分 主要包括电压传感器、电流传感器、数据采集卡( p c l 1 8 0 0 ) 、计算机及其附 件。软件部分即测试分析软件。系统硬件的功能主要是通过传感器将焊接电弧电 信号转换为幅值合适的电压信号传输至数据采集卡，电压模拟信号经数模转换器 转换成数字信号后存储于计算机内，以备处理和显示及后续的信号分析。在高速 采集焊接电弧电信号的同时，数据采集卡可以输出高速摄像同步控制脉冲以实现 高速摄像与信号采集的同步控制。 该系统不但能够高速准确采集多路信号，且具有记忆示波器的功能，同时能 控s t j d a 输出，实现同步高速摄像( 摄影) ，还可以对焊接电弧电信号进行以小波 滤波为主的数据预处理，以及信号幅值一时间分析、瞬时u 1 分析和统计分析。 利用该系统将所得到的电弧电压、焊接电流波形与高速摄像系统所得到的焊 接电弧及熔滴影像联系起来，可以实现焊接电弧及熔滴过渡影像与电信号的同步 测试，有效的分析熔滴过渡和电弧行为及其变化对焊接电流、电弧电压的影响， 有针对性的改善熔滴和电弧行为，提高焊接质量。 1 0 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 2 2 2 2 电流( 电压) 传感器的标定 本次试验所使用的电压、电流传感器，其核心部件是电流霍尔效应器件，考 虑到传感器的使用性能，测量精度和安全性能，在试验之前进行了准确的标定， 以降低试验中可能出现的误差，提高试验数据的准确性。 本次试验中针对两根焊丝有两套独立的电流和电压传感器，一套为天津大学 研制( 以下简称l # 电流传感器、l # 电压传感器) ，一套为北京工业大学研制( 以 下简称2 # 电流传感器、2 # 电压传感器) 。标定设备有v 3 0 0 电焊机、仿苏p 6 3 0 0 型( a m r 3 0 0 ) 稳定变阻器、毫伏表( 量程7 5 m v ) 、分流电阻、数据采集卡 ( p c l 1 8 0 0 ) 、计算机及其他附件。 传感器标定需根据焊接电源的输出形式采用不同的标定方法。焊接电源采用 平特性时采用固定输出，调节电阻的方法；焊接电源采用下降特性时采用固定输 出，调节电阻的方法。由于本次试验m i g 焊接时，电源采用平特性输出，所以在 进行标定时，采用固定输出，调节电阻的方法。 毫伏表通过分流电阻接入标定电路。通过稳定变阻器上接线柱的开关逐次改 变电阻大小，记录毫伏表读数、采集系统所得读数和电焊机显示的电流电压值， 比较三项数据，并利用o r i g i n 和e x c e l 进行数据处理，找出采集系统读数与毫伏表 标准值之间的关系，为后续工艺试验做好数据处理准备。 在检测过程中，毫伏表显示电压经换算后与焊机显示电压一致，焊机显示电 压值与采集系统所得电压值偏差很小，相对误差平均值为1 8 ( 见表2 2 ) ；焊机 显示电流值与采集系统所得电流值偏差较大。综合试验条件考虑，电压传感器工 作正常，不用标定；只需标定电流传感器。所得记录数据见表2 2 。 将上述数据导a o r i g i n ，每组数据为一坐标点，以采集系统所得数据为横坐 标，焊机显示数据为纵坐标，可观察到各数据点近似的在一条斜线上，经线性拟 和，可得两条直线，线性拟合曲线图见2 4 。 经o r i g i n 数据分析处理后，得到l # 电流传感器相应函数表达式：y = 一 0 7 2 4 9 1 + 0 6 2 3 8 9 x ，y 为焊机显示电流值，x 为采集系统所得电流值。在试验及 误差允许范围内，采集系统数据的0 6 2 4 倍即为实际焊接电流值。 同理可得2 # 电流传感器相应函数表达式：y _ 2 9 1 9 1 7 + 1 8 1 0 3 1 x ，线性拟合 陆线图如图2 5 所示，在试验及误差允许范围内，采集系统数据的1 8 l 倍即为实际 焊接电流值。 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 表2 - 2电流( 电压) 传感器标定记录表 1 # 电流传l # 电流传2 # 电流传2 # 电流传 l # 电压传1 # 电压传 。 感器感器感器 。感器感器感器 ： 焊机显示采集系统 焊机显示采集系统焊机显示采集系统。 电流( a )电流( a ) 电流( a )电流( a )电压( v )电压( v ) 。 1 52 6 91 67 2 1 8 41 8 3 7 ： 1 93 3 53 2 1 6 11 8 01 7 5 = 5 69 1 98 6 4 5 6 。 1 6 11 6 0，； 5 99 7 99 2 4 9 51 6 0 ” 1 5 6 。 * 一，t 96 7 一v1 1 0 4一* “1 0 5。5 6 6 1 5 91 5 4 ，* “4 均一s。1 2 3 、”一1 1 8 。”t 6 3 5 ? 1 5 。9 、1 * i 、1 5 。3 i “4 1 1 8 41 3 7 31 3 17 0 71 5 81 5 3 图2 _ 4l # 电流传感器数据标定线性拟合曲线图 1 2 2 8 o 4 7 6 7 6 6 l 8 4 7 7 6 6 l i l l 7 2 3 3 o 8 2 9 2 2 3 3 舛 酡 似 6 4 7 8 l 6 6 9 4 5 6 7 抖 弘 铝 l 2 3 4 5 6 7 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 图2 - 52 # 电流传感器数据标定线性拟合曲线图 2 2 - 3 高速摄影( 摄像) 系统 在双丝脉冲m i g 焊过程中，电弧的熄灭和重新引燃呈现周期性特征，其过渡 过程是电、热和力综合作用的复杂过程，过渡过程的优劣会直接影响焊接生产率 和焊接质量。但是引弧、焊丝熔化、熔滴过渡及熔池起伏等现象都是高速变化的 物理过程，电弧焊接诸物理过程的时间常数很短，过渡过程的物理特征很难直接 观察。 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。通过高速 摄影照片，可以对熔滴和电弧行为进行观察、测试和分析；直接观察到熔滴过渡 的情况，判断熔滴过渡形态类型；可以观察熔滴形成、长大和过渡的全过程和在 这一过程中发生的种种现象，获得电弧行为的直观概念。 虽然高速摄影能够取得高清晰度和高分辨率的画面，但是由于高速摄影准备 周期长，机器调节和光路调节难度大，拍摄成功率低，拍摄成本高等特点，在本 次试验中，高速摄影系统只是在试验后期得到优化后的焊接参数之后才用于试验 观测，前期试验工作，均采用p h o t r o nf a s t c a ms u p e r1 0 k c 型高速摄像装备 来分析焊接过程中的电弧行为，二者的光路系统和工作原理基本一样。 2 2 3 1 摄影装置及工作原理【2 s - 2 8 1 3 第二章戕丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 本试验所崩到的高速摄影系统( 图22 中c 虚线框所示) 由4 部分组成其光路 如图2 6 ，实物图如2 7 所示。 ( 1 ) 光源部分背光光源使用的是波长为6 3 28n m 的氦一氖激光器： ( 2 ) 扩束部分由显微目镜( 透镜i ) 和凸透镜( 透镜2 ) 组成扩束镜： ( 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h 的中心波长为6 3 28 r i 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丰德国产的p e n t a z e t 3 5 犁3 5 m m 标准底片 光学补偿式高速摄影机。 图2 6 高述摄影装置及光路示意图 圈2 7 高速摄像装置实物图 焊接过程中，熔滴处1 ：屯弧包围之中，被强烈的弧光所掩盖。为了显示熔滴， 就要削剥弧光和粟削背光，以造成阴影像。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台适的比例如背光太弱熔滴就显示不卅来。这仪靠 调整曝光参数或加滤光h 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。 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 激光为单一波长平行光，而电弧光则是球面光，二者通过小孔光阑后，只留 下激光与小部分电弧光，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相同 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。不足之处是由于激光的相干性，光路中的污物( 如镜头 上的灰尘等) 在底片上容易产生干涉而形成干涉花纹，形成较大的光斑，将严重破 坏所摄取的图象质量。 2 2 3 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，但机器调试及拍摄 后期处理工作比高速摄影系统要简单得多。高速摄像仪为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，系统的分辨率为5 1 2 x 4 8 0 象素，拍摄频率范围 从3 0 帧秒至l j l 0 0 0 0 帧秒。试验时由焊接过程信号测试分析系统中的数据采集卡输 出高速摄像同步控制脉冲以实现高速摄像与信号采集的同步。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。这种高速摄像图像文件传递到计算机后，可利用a c d s e e 软件的图 片播放功能进行播放。 2 2 4 脉冲控制系统 脉冲控制系统( 图2 2 中d 虚线框所示) 的核心部件是实验室开发的直流电焊 机双丝脉冲控制器。其基本原理为：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插孔，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。 直流电焊机双丝脉冲控制器设计并实现了如下的主要功能【2 9 】： ( 1 ) 峰值电压平特性的控制输出( m o d e1 ) 该控制器可以始终向电焊机送出峰值电压控制信号。双丝的两路电压是独立 的，由于相位相反的原因，当一路输出为峰值时，另一路输出为基值。这样便 于生产试验中对峰值电压的调节、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不同峰值电压的焊接效果。 ( 2 ) 基值电压平特性的控制输出( m o d e2 ) 第二章双丝脉冲m i g 焊工艺研究焊接方案设计 该控制器可以始终向电焊机送出基值电压控制信号。与m o d el 的作用类 似。 ( 3 ) 峰值一基值脉冲焊接电压的控制输出( m o d e3 ) 控制器根据已设定的脉冲参数，向焊机交替送出峰值电压控制信号和基值电 压控制信号。以使直流焊机在焊接电压输出端形成符合相应频率要求、相位要求 的脉冲焊接电压。实现两路输出的峰值、基值电压互相独立可调，波形为反相位 的推挽式输出要求。 ( 4 ) 直流焊中脉冲参数解耦合调节 直流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， ( 5 ) 5 位八段数码管直观地表示出脉冲控制器的运行状态： 利用5 位八段数码管，对控制器的工作参数及工作状态进行监视。其中前三 位表示脉冲频率，设计范围是0 1 - 3 0 0h z ；后两位表示脉冲占空比，设计范围是 5 9 5 。 此外，利用占空比数码管( 第4 ，5 位) 的两个空闲小数点的三种状态，直观 地表示出脉冲控制器的运行状态。小数点位的组合显示具体如下： m o d e l ：第4 位数码管小数点常亮； m o d e 2 ：第5 位数码管小数点常亮； m o d e 3 ：第4 、第5 位数码管小数点根据实际脉冲控制参数交替闪亮。 该脉冲控制器不能独立调整作用于某单个焊机的脉冲参数。两台焊机的推挽 式输出只能是连续的。如果在现有的控制功能上，能用两组相同或不同的脉冲去 分别控制两台焊机，两组脉冲作用时间之间可进行时间间隔调整，这将更加有利 于控制双丝焊的熔滴过渡和降低两个电弧之间的影响。这是目前的脉冲控制器需 要改进的地方。 2 3 本章小结 ( 1 ) 介绍了双丝脉冲m i g 焊工艺性研究焊接方案的总体设计思想。 利用t a n d e m 类型的双丝脉冲m i g 焊接系统，借助高速摄像( 摄影) 设备 和焊接信号采集分析软件，进行系统的工艺焊接试验，分析各种工艺参数对焊接 过程的影响方式和程度，总结相关焊接规律。 ( 2 ) 介绍了试验系统构成。从基本焊接系统、焊接信号采集系统、高速摄像( 摄 影) 系统和脉冲控制系统四个方面分析了试验的可行性。 1 6 第三章双丝脉冲m i g 焊工艺理论分析 第三章双丝脉冲m i g 焊工艺理论分析 双丝脉冲m i g 焊是建立在熔化极氩弧焊基础上的，除了具有熔化极氩弧焊 的一切工艺特点，还具有不同于普通m i g 焊的一些工艺特点。普通m i g 焊的工 艺参数主要有焊丝直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝伸出长度、保护 气体的种类及流量、电源极性、焊枪倾角及喷嘴高度等。双丝脉冲m i g 的影响 因素更多，尚有脉冲特征参数，如基值电流、脉冲峰值电流、脉冲电流持续时间、 脉冲间隙时间、脉冲周期、脉冲频率、脉冲幅比、脉冲宽比等，此外，两根焊丝 之间的距离及两根焊丝之间各工艺参数的相互影响，使得双丝脉冲m i g 焊的工 艺性更复杂。因此，弄清基本的熔滴过渡方式和电弧形态将有利于研究双丝焊接 过程的电弧形态和熔滴过渡方式。 每一种工艺参数的改变或不同工艺参数的同时改变，势必不同程度的影响焊 接过程的稳定，即熔滴过渡和电弧燃烧的稳定。要保证焊接过程，或者说熔滴过 渡和电弧燃烧的稳定，必须找到一个最佳的