（材料加工工程专业论文）双丝间接电弧气体保护焊研究(1).pdf

山东大学硕士学位论文 双丝间接电弧气体保护焊研究 摘要 双丝间接电弧气体保护焊是一种新的焊接方法。由于电弧回路结构不 同，双丝间接电弧气体保护焊的焊接过程比单丝焊更加稳定。双丝间接电弧 气体保护焊比单丝焊的熔敷速度更高，耗能低，并且焊接变形和焊后的残余 应力比单丝焊小。 本文通过焊接试验对其焊接工艺进行了研究。利用自制的自动焊装置、 f a s t c a ms u p e r 一1 0 k c 型高速摄像系统和a g i l e n t 5 4 6 2 4 a 示波器等设备，对 电弧稳定燃烧的条件、电流、电压及其对双丝熔化速度、电弧形态、焊接工 艺性能及焊缝成形的影响等进行了分析研究。 双丝间接电弧气体保护焊的两极熔化速度并不相等，本文采用了不同的 送丝控制系统，分别控制双丝的送丝速度，使双丝送丝速度分别等于各自熔 化速度。研究指出：双丝间接电弧气体保护焊两极的送丝速度等于各自的熔 化速度是双丝间接电弧气体保护焊电弧稳定燃烧的必要而充分条件。 焊枪集气、电、丝于一体，是双丝间接电弧气体保护焊的一个关键部分， 其结构形状与几何尺寸不仅关系焊枪的使用性能，而且关系到电弧稳定性、 气体保护效果和焊接质量等。通过研究确定了两焊丝的夹角取3 0 。5 0 0 为宜： 焊丝伸出长度1 0 2 0 r a m 为宜；并设计了双丝间接电弧气体保护焊的焊枪。 双丝间接电弧气体保护焊的电弧可在空间不同位置燃烧，随着与工件距离 的不同，其电弧呈现不同的形态；随着电弧电流的不同，双丝间接电弧气体保 护焊的电弧分散集中程度不同；随着电弧电压的增加，其电弧越来越明亮，形 体也逐渐增大。双丝间接电弧气体保护焊的电弧形态随着时间的变化呈周期性 变化。 焊接电流和电弧电压是双丝间接电弧气体保护焊的重要工艺参数。它直 接影响到焊丝熔化速度。在正常焊接参数范围内，两极焊丝的熔化速度随着 焊接电流的增加而增大，并且负极焊丝的熔化速度比正极增加的更快；两丝 熔化速度随着电压的增加而略减。随着电弧电压的增大，焊缝熔宽赂有增加 随着焊接电流的增加，熔滴过渡的频率增大，熔滴细化，焊缝熔宽变大，熔 v 摘要 深增加，焊缝成形得到改善，尤其是当电流高于2 0 0 a 时，其熔滴极其细小， 并且焊接时电流的波动很小，焊接过程稳定。 此外，焊丝端部与工件间的距离和焊接速度也是影响双丝间接电弧气体 保护焊的重要工艺参数。大量试验结果表明焊丝端部与工件间合适的距离为 1 0 2 0 r a m 。在这个距离范围内焊接过程稳定，且保护效果较好。焊接速度对 焊缝成形的影响很大。在特定的电压、电流条件下必须选择适当的焊接速度 才能获得良好的焊缝成形。 关键词：双丝间接电弧气体保护焊送丝系统焊枪电弧形态 山东大学硕士学位论文 s t u d yo nt w i n w i r ei n d i r e c ta r c g a ss h i e l d e dw e l d i n g a b s t r a c t t w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n gi san e ww e l d i n gt e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fa r cc i r c u i t ，t h ew e l d i n gp r o c e s so ft w i n w i r ei n d i r e c ta r c g a ss h i e l d e dw e l d i n gi sm o r es t a b l et h a ns i n g l ew i r ew e l d i n g c o m p a r e dw i t hs i n g l e w i r ew e l d i n g ，t w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n gh a sh i g h e rd e p o s i t i o nr a t e ， l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n ds m a l l e rt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n sa n dp o s t w e l d i n g r e m a n e n ts t r e s s t h ew e l d i n gp r o c e s sw a ss t u d i e dt h r o u g h w e l d i n ge x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r t h ec o n d i t i o no fs t a b l ea r cb u r n i n g ，w e l d i n gc u r r e n t ，a r cv o l t a g ea n dt h e i ri n f l u e n c e o nm e l t i n gr a t eo ft w i n w i r e ，a r cs h a p e ，w e l d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t ya n dt h e p e r f o r m a n c eo fw e l db e a dw e r ea n a l y s e db ym e a n so ft h eh o m e m a d ea u t o m a t i c w e l d i n gd e v i c e ，f a s t c a ms u p e r 一1 0 k ch i g h s p e e d c a m e r as y s t e ma n d a g i l e n t 5 4 6 2 4 ao s c i l l o s c o p ee t c f o rt h em e l r i n gr a t eo ft w i n w i r ei sn o te q u a li nt w i n - w i r ei n d i r e c ta r cg a s s h i e l d e dw e l d i n g ，t w od i f f e r e n tt y p e0f wi r e - f e e d i n gco n t r o lsy s t e m swe r eus e din o r d e rt om a k et h ew i r e f e e d i n gs p e e de q u a lt ot h em e l t i n gr a t ei nt h i sp a p e rr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h et w i n w i r ef e e d i n gs p e e de q u a l i n gt oe a c hm e l t i n gr a t ei st h e n e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o nt h a tt h ew e l d i n ga r cs t a b l yb u m si n t w i n w i r e i n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n g t h ew e l d i n gg u ni sak e yc o m p o n e n to ft w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e d w e l d i n g t h es t r u c t u r a ls h a p ea n dp h y s i c a ld i m e n s i o no f w e l d i n gg u nn o to n l yr e l a t e t ot h es e r v i c ep e r f o r m a n c e ，b u ta l s ot os t a b l ea r cb u m i n g ，g a ss h i e l d e de f f e c ta n d w e l d i n gq u a l i t y i ti sf o u n dt h a tt h ea n g e lo ft w i n w i r ei sf r o m3 0 。t o5 0 。，a n dt h e e l e c t r o d ee x t e n s i o ni sf r o m10 m mt o2 0 m mb yt e s t t h ew e l d i n gg u no ft w i n w i r e i n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n gw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e l a b s t r a c t t h ea r co ft w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n gc a nb ei g n i t e da n db u r n a td i f f e r e n td i s t a n c et ow o r k p i e c e ，w h i l et h ea r ca p p e a r sd i f f e r e n ts h a p e w i t h d i f f e r e n ta r cc u r r e n t ，t h ed e g r e eo fc e n t r a l i z i n ga n dd e c e n t r a l i z i n go fw e l d i n ga r c v a r i e s t h ew e l d i n ga r cb e c o m e sb r i g h t e ra n db i g g e rw i t ht h ei n c r e a s i n go fa r c c u r r e n t t h ew e l d i n ga r csh a p ec h a n g e sp e r i o d i c a l l yw i t ht h ec h a n g i n go fti m e in t w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n g w e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ea r et w oi m p o r t a n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si n t w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n g ，a n dt h e yh a v ed i r e c t l ye f f e c to nt h e m e l t i n gr a t e o ft w i n - w i r e s t h em e l t i n gr a t eo ft w i n - w i r ei n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fw e l d i n gc u r r e n t ，a n dt h em e l t i n gr a t eo fc a t h o d ei sf a s t e rt h a nt h a to f a n o d e t h em e l t i n gr a t ed e c r e a s e ss l i 曲t l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fa r cv o l t a g e w i t h t h er a i s i n go fa r cv o l t a g e ，th ew e l dw i d t hr e d u c e ssl i g h t l y w i t ht h ei n c r e a s i n go f w e l d i n gc u r r e n t ，t h ed r o p l e t sa r e r e f i n e da n dt h e i rt r a n s i t i o nf r e q u e n c yi n c r e a s e s ，t h e w i d t ho fw e l db e a di se n l a r g e da n dt h ep e n e t r a t i o ni n c r e a s e s ，a n dt h ef o r m a t i o no f w e l db e a di sb e t t e r p a r t i c u l a r l y , w h e nw e l d i n gc u r r e n ti sh i 曲e rt h a n2 0 0 a ，t h e d r o p l e t sa r em o r er e f i n e d ，t h ew e l d i n gc u r r e n th a sv e r ys m a l lf l u c t u a t i o na n dt h e w e l d i n gp r o c e s si ss t a b l e f u r t h e r m o r e ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et o po fw i r ea n dt h ew o r k p i e c e ，a n dt h e w e l d i n gs p e e da r ea l s oi m p o r t a n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si nt w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a s s h i e l d e dw e l d i n g l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es u i t a b l ed i s t a n c e b e t w e e nt h et o po fw i r ea n dt h ew o r k p i e c ei sf r o m1 0 m mt o2 0 m m ，a n dw e l d i n ga t t h i sd i s t a n c et h ep r o c e s si ss t a b l ea n dt h es h i e l d e de f f e c ti sb e t t e r w e l d i n gs p e e dh a s o b v i o u si n f l u e n c eo nt h ef o r m a t i o no fw e l db e a d i no r d e rt oo b t a i nw e l lc o n t i n u o u s w e l d ，s u i t a b l ew e l d i n gs p e e dm u s tb ec h o s e nw i t hd e f i n i t ec u r r e n ta n dv o l t a g e k e y w o r d s ：t w i n w i r ei n d i r e c ta r c g a ss h i e l d e dw e l d i n g w i r e f e e d i n gc o n t r o l s y s t e mw e l d i n gg u n a r cs h a p e v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：至查蕉日期：垫堕i ：1 5 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：王查盘导师签名：敞日期：塑垒! ：兰! 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 气体保护焊的发展及其高效化 1 1 1 气体保护焊的发展 电弧作为一种气体导电的物理现象是在十九世纪初被发现的，直到十九世 纪末随着电力技术的发展才有条件来研究它的实际应用。1 8 8 5 年俄国人别那尔 道斯发明碳极电弧可以看作是电弧作为工业热源应用的创始。电弧真正应用于 工业，则是在18 9 2 年发现金属极电弧后。而二十世纪2 0 年代发明和推广了厚 药皮焊条焊接后，表明了电弧焊时代的到来。二十世纪中期发明和推广了埋弧 焊( s a w ) 和各种气体保护焊方法。 在第二次世界大战中，出现了钨极惰性气体保护焊，简称t i g ( t u n g s t e ni n e r t g a sw e l d i n g ) 焊。它是在惰性气体的保护下，利用钨极与工件之间产生的电弧 热熔化母材和填充焊丝( 如果使用填充焊丝) 的一种焊接方法。由于使用的是 难熔金属钨做电极，易于维持恒定的弧长，故焊接过程稳定，焊缝成形好。目， 前，其主要应用于焊接有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金， 以及难熔的活性金属( 钼、铌、诰) 等。 4 0 年代末出现了熔化极氩弧焊，简称m i g 焊( m e t a l i n e r t g a s a r e w e l d i n g ) 其是采用a r 或h e 或二者的混合气体作为保护气体，采用可熔化的焊丝与被焊 工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属的一种焊接方法。目前，熔化 极氩弧焊已广泛应用于薄板和中厚板的焊接，尤其适合于焊接铝及其合金、铜 及其合金，以及不锈钢等金属材料。特别是窄间隙熔化极氩弧焊的研究与发展， 使熔化极氩弧焊进一步扩展到应用于厚板和超厚板的焊接领域，从而大大提高 了它与埋弧自动焊和电渣焊相抗衡的地位，可以说它是厚壁大型件焊接结构今 后焊接发展的主要方向之一 2 】。 5 0 年代初期出现了c 0 2 气体保护焊。其具有焊接变形小、熔深大、焊后不需 清渣、生产效率高、质量好、低能耗、成本低等优点，但是这种工艺存在焊接 飞溅大，焊缝成形较差，焊缝金属冲击韧性较低等缺点【l 。j 。 熔化极氩弧焊和c 0 2 气体保护焊各有优缺点，为了发挥其优点，后来又出现 了混合气体保护焊。在氩气中加入少量氧化性气体( o ：、c 0 2 或o ：+ c 0 2 等) 混 第一章前言 合而成的气体作为保护气体的熔化极焊接方法称为熔化极活性气体保护焊，简 称m a g 焊( m e t a la c t i v eg a sa r cw e l d i n g ) 。该方法既具有纯c o 。和纯a r 气体保护 焊的共同优点，又克服了这两种焊法的主要缺点。其电流密度大，热量集中， 电弧穿透力强，焊缝熔深大，可减少焊缝层数，在多层焊时还可省去清渣工序， 生产效率高；由于电弧氧化气氛强，对油污、铁锈等的敏感性小，焊后的热影 响区( h a z ) 狭窄、焊缝金属中含氢量低，其飞溅小，电弧更加稳定，焊缝的抗裂 性能好，明弧易于观察，焊接变形量小，质量高口0 1 。 在2 0 世纪8 0 年代，加拿大人j o h nc h u r c h 发明了t i m e ( t r a n s f e r r e d i o n i z e d m o l t e ne n e r g y ) 焊工艺，其可以在4 0 0 a 以上的高电流获得稳定的旋转过渡，大 幅度提高了焊丝的熔敷效率，改善了熔敷金属和焊接接头的质量，焊接工艺性 能好，焊缝平滑美观、余高小、飞溅小，它是一种高性f l , m a g 焊工艺6 7 1 ，在 加拿大、日本和欧洲得到了推广和应用。但该方法对焊接电源、送丝机、焊枪、 焊丝保护气体有更高的要求，并且我国是贫氦国家，这加大了采用此方法的焊 接成本。 气体保护焊电源主电路形式也随着电力电子及相关技术的发展而发展。大 致经历了弧焊发电机、磁放大器式硅整流焊接电源、晶闸管焊接电源和晶体管 焊接电源等阶段。晶闸管电源由开始的模拟式晶闸管电源到开关式晶闸管电源 直到现在的逆变焊接电源【8 】。 从手工电弧焊发展到气体保护焊和埋弧焊是一大进步，质量和效率都得到 了提高，也有利于实现机械化和自动化【9 】。 熔化极气体保护焊技术具有节能、生产效率高、成本低、焊接品质好，有 利于实现焊接自动化等特点，是一种优质、高效的焊接工艺，因而得到了迅速 发展，并广泛应用于各行各业。且在使用中的比例也不断增长，在美国和日本 等发达国家，熔化极气体保护焊在电弧焊接工作量中所占比例超过t 2 3 ，所以 提高熔化极气体保护焊的生产效率具有极大的现实意义【1 0 一“。 1 1 2 气体保护焊的高效化 如何进一步提高气体保护焊的焊接生产效率和质量一直是焊接工作者致力 1 研究的课题。提高焊接的效率除了合理设计坡口形式和采用窄间隙焊技术外， 主要是提高焊丝的熔敷速度，以加快焊接速度。 山东大学硕士学位论文 提高焊丝熔敷速度的方法有以下几种： ( 1 ) 增加焊丝伸出长度，提高电阻热： ( 2 ) 提高电弧的功率； ( 3 ) 优化焊丝保护气体的组合； ( 4 ) 添加金属粉末； ( 5 ) 采用多丝焊技术”1 。 在实际生产中随着焊接要求的不同，提高焊接生产率的出发点也不相同： 自动焊和厚板焊接以提高熔敷速度为主，而薄板焊接以提高焊接速度为主。 提高熔敷速度最直接的方法是增加焊接电流提高焊丝的熔化量。对于普通 熔化极气体保护焊而言，仅简单地增加送丝速度，提高焊接电流，会导致焊接 电流进入不稳定的旋转过渡区，飞溅量大，焊缝成型不良。多元气体大电流m a 6 焊是一种采用具有特殊要求的焊接电源、保护气体及相应工艺的焊接技术，在 大电流范围内能获得稳定的熔滴过渡，突破了传统m a 6 焊的电流上限，实现高熔 敷速度的焊接。 常规单丝焊接方法在提高焊接速度时，容易出现咬边、未熔合、驼峰、气 孔等缺陷 n 一5 1 。咬边和未熔合的产生是由于高速焊接使用大焊接电流，因而使 电弧的吹力增大，熔化金属凝固之前不能充分填满弧坑；高速焊中产生气孔是 由于熔池金属凝固前，溶解在熔池中的气体聚集成气泡来不及浮出熔池。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，从而可以大幅度的提高焊接速度，改善焊缝成形。双丝焊接可 以有效的提高焊接规范参数，使熔敷速率可以提高一倍以上【”1 。双丝焊接还可 以有效的提高电弧的热效率，在相同的熔敷速度的前提下有效的减小热输入， 这对防止焊接变形具有重要的意义。因此，双丝m i g m a g 焊接工艺在国际上 具有广阔的发展前景。 1 2 双丝焊的研究现状 1 2 1 双丝焊综述 从2 1 世纪先进制造技术的发展要求来看，焊接自动化生产已是必然发展趋 势。双丝自动焊因具有焊接速度高、熔敷系数高、焊接质量好等优点而备受各 国焊接学者所关注【1 7 啦! 。 第一章前言 根据电源接线方式的不同，双丝焊主要可分为串列双丝焊、并列双丝焊、 预热填丝焊和串连双丝焊等。串列双丝焊是国内外研究最多，应用最广的双丝 焊方法【2 3 3 ”。 双丝焊工艺具有如下特点： ( 1 ) 焊接速度高。在焊接薄板时，焊接速度可以提高到3 6 m m i n ，比常规单 丝焊法提高5 1 0 倍。 ( 2 ) 对于厚板可以提高焊丝熔敷速度，因为双丝焊大多采用t p l 2 m m 的细焊丝， 由于使用较大的焊接电流，提高了焊丝干伸长部分的电阻热，提高了焊接电流 的利用率，也就是提高了焊丝的熔化系数。 ( 3 ) 焊接质量好。焊接铝合金时，可减少气孔量。 ( 4 ) 焊缝成形美观、平坦。 ( 5 ) 可用于低碳钢、普低钢、不锈钢和铝等金属材料。【2 3 3 2 3 3 】 对于双丝焊的研究，国内外都是从双丝埋弧焊开始的3 4 埘】，该技术已经 在生产中得到了应用 2 5 - 2 6 1 ，后来又在窄间隙焊上得到了应用【”】。熔化极双丝气 体保护焊的最早应用是在1 9 5 5 年【3 8 】。近几年为提高气体保护焊的焊接速度和效 率，并且由于逆变电源技术的发展，对双丝焊的研究越来越多( 2 3 2 7 3 i , 3 9 。5 1 。在 2 0 0 3 年第1 6 届上海埃森焊博展上，有多家厂商展出了双丝、三丝气体保护焊设 备，成为埃森焊博展上的一大亮点。 双丝埋弧焊只能用于平焊或角焊缝，能焊接碳钢或不锈钢等材料【3 4 枷】，所 用焊丝比普通单丝埋弧焊焊丝细( 直径一般为2 - 3 m m ) ，而双丝气保护焊可以 用于各种材料和各种接头形式的焊接，保护气体可以是氩气【2 9 38 1 、c 0 2 或它 们的混合气体盼2 7 , 3 1 , 4 0 1 ，焊丝可为实芯焊丝或药芯焊丝【2 7 42 1 ，焊丝直径一般较 细。应当指出，电弧自身磁场的相互作用对各种双丝焊方法有不同程度的影响。 1 2 2 串列双丝焊 串列双丝焊根据两丝间距的不同又分为共熔池法和分离电弧法两种。气体 保护焊时这种串列双丝焊接线方式又叫做t a n d e m 双丝焊( 如图1 1 所示) ，用 的较多的是共熔池法。这种焊法由两台焊机，两台送丝机及一把焊枪组成。该 技术将两根焊丝按一定的角度放在一个特别的焊枪里，两个送丝机通过送丝管 分别将两丝送进焊枪中两个独立的导电嘴，在双电弧中被熔化，形成一个熔池。 山东大学硕士学位论文 两根焊丝分别由各自的电源供电，除送丝速度可以不同外，其它所有的参数也 可以彼此独立，这样可以最佳地控制电弧。与其它双丝焊技术相比，不仅可以 提高熔敷速度，大大提高焊接效率，而且改善了焊缝质量，减少了飞溅物。并 且可以与自动化控制专机或焊接机器人配套使用。t a n d e m 双丝焊的焊接参数好 调，使用方便，已被用户所接受。t a n d e m 双丝焊可以应用于碳钢、低合金钢、 不锈钢、铬合金等各种金属材料的焊接，适用于各种接头形式。德国c l o o s 、奥 地利f r o n i u s 和美国l i n c o l n 等公司都生产气保护t a n d e m 双丝焊设备，并较为 成功地用于汽车、车辆等行业叭4 ”。我国珠海雅各臣有限公司也从德国克鲁斯 ( c l o o s ) 公司引进了t a n d e m 高速高效m i g ，m a g 双丝焊接技术，并在国内大 力推广应用。 图1 1t a n d e m 焊接法 f i gt 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t a n d e m 图1 2 t w i na r c 焊接法 f i g i 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w i na r c 1 2 3 并列双丝焊 气保护并列双丝焊一般称为t w i na r c 双丝焊( 如图1 2 所示) ，两根焊丝共 用一个导电嘴和一个气体喷嘴。为了防止同相位的两个电弧相互干扰，常采用 脉冲m i g m a g 焊法，并保持两个电弧轮流交替燃烧。由于两个电弧轮流交替 燃烧其熔敷速度的提高是依靠提高焊接电流，当焊接电流过大时可能会产生一 系列的不利影响。其两焊丝具有相同的电压，主要适用于碳钢焊接。这种方法 的焊接规范参数十分难调，但由于使用一个导电嘴，焊接操作十分方便【“】。对 于t w i na r c 双丝焊设备，德国的s k s 、b e n z e l 和n i m a r k 公司，美国的m i l l e r 公司等已有产品。 1 2 4 预热填丝焊 双丝预热填丝焊( 如图l 一3 所示) 是在单丝焊基础上，同时插入另一丝到熔池 第一章前言 插入丝接电源连接工件的一端起分流作用，以预热焊丝和形成推弧力，它在焊 丝掺合金堆焊方面有很好的效果【2 2 】。 图1 - 3 双丝预热填丝焊 f i g 1 3p r e h e a t i n gt w i n w i r ew e l d i n g 图l - 4 双丝三弧焊 f i g 1 4 t w i n - w i r et h r e ea r cw e l d i n g 此外，还有双丝三弧焊( 如图1 4 所示) ，其与并列双丝焊方法相似，但两丝 之间有第三电弧，该方法可用于掺合金堆焊。 以上所述的双丝焊接方法都是工件接电源的一极，除填丝焊为单弧外其他 方法电弧燃烧时均为双弧或多弧。为了提高热源的利用率，要求电弧之间的距 离近一些，但是电弧之间距离减小后，由于电弧之间产生的电磁场相互干扰， 使焊接过程变得不稳定；由于工件接电极，其熔合比就不可能特别小，还存在 焊接内应力、变形较大等问题；母材熔化的熔化量很大。这样电能的利用率也 就低。 1 2 5 串联双丝焊 串联双丝焊最早的提法是在埋弧堆焊中，后来在惰性气体保护焊中也出现 了该提法( 它们的提出都是在2 0 世纪5 0 年代) 【46 1 。串联双丝埋弧焊是指分别 接于同一焊接电源两极的两根焊丝，横跨接缝两侧，利用焊丝间的间接电弧进 行埋弧焊的方法【4 7 1 。在焊接冶金与金属的焊接性一书关于堆焊的介绍中出 现过串联电弧堆焊，这种方法采用交流电源，空载电压1 0 0 v ，电弧在自动送进 的焊丝问燃烧，两根焊丝大多成4 5 。角，焊丝平面垂直于堆焊方向( 如图1 - 5 所示) 。有一种叫做双丝独立单弧焊的焊接方法与该法一样，只有一台焊机连两 丝形成独立单弧，工件不通电，其目的在于使基体金属熔化量小，适用于高碳 及高合金钢堆焊l ”j 。 串联双丝焊的每个电极有它自己的送丝装置和电压控制装置，相互之间 独立操作，其接线方法如图1 6 所示【3 4 1 。串联双丝焊两根焊丝大多成4 5 。角，工 ，1ij1 山东大学硕士学位论文 件不接电源，焊接时焊接电流从一根焊丝流向另一根焊丝，电弧在自动送进的 两焊丝间燃烧。当用该方法焊接时更多的热量用来熔化焊丝只有很少一部分进 入工件，因此其熔敷速度高。焊接电流和两焊丝交点与工件之间的距离是最重 要的控制焊缝成形和熔敷金属质量的因素。焊接电流越大，则熔深越大；增大 两焊丝与工件之间的距离，可获得较小的熔深和热输入。另外，电弧周围的磁 场和电弧电压也影响焊缝成形。串联双丝焊的两焊丝既可横向排列也可纵向排 列。横向排列时可以在熔深和稀释率较小的情况下得到较宽的焊缝，纵向排列 用于对于单丝焊来说接头太薄或没有垫板的情况。但是这种方法目前应用很少， 在各工厂也没有见过该方法的具体应用。 鼙 图1 - 6 串联双丝焊 f i g 1 6 t w i n w i r es e r i e sa r cw e l d i n g 1 3 双电极焊条单弧焊的研究 双电极焊条单弧焊是一种新型的电弧焊方法。这种焊接工艺工件不接电源， 由电源引出的两条电缆通过特制的焊钳分别接双电极焊条的两根相互平行且绝 缘的焊芯( 如图l - 7 所示) 【4 8 】。电弧在相互绝缘的两焊芯端部形成，电弧可在离工 件不同距离的空间进行引弧和燃烧。当双电极焊条引弧以后，在焊条的端部迅 速地形成熔化金属的细小熔滴，电弧离工件较近时熔滴过渡到被焊母材上，随 电极焊条 焊芯 翁皮 电弧 工件 图1 7 双电极焊条单弧焊 f i g1 7 t w i n - e l e c t r o d es i n g l ea r cw e l d i n g -l-r【 第一章前言 着焊条的不断熔化和前移，同时炽热的熔滴和弧柱热熔化了部分母材形成熔池。 双电极焊条电弧的两极性斑点分别在两焊芯上，电弧燃烧将熔化大量的焊条金 属，改变了被焊工件的热循环【4 9 5 0 】。 与单芯焊条电弧焊相比，双电极焊条的焊接产生率高、焊缝熔合比小，熔 敷系数为单芯焊条的2 2 2 6 倍，节省电能2 0 4 0 ，焊接变形和焊接应力小， 操作方便，是一种集高效、节能和优质于一体的新型焊接技术，具有十分广阔 的应用前景。由于焊接电弧回路结构的相似性，双电极焊条单弧焊的研究成功 为双丝间接电弧气体保护焊的可行性提供了理论参考和现实依据。 1 4 本文研究的目的和主要内容 1 4 1 课题的提出 近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展极大的推动了焊接 技术的发展。我国焊接结构的用钢量已达到全国钢材年总产量的4 0 左右。由 于熔化极气体保护焊( g m a w ) 具有操作简便、灵活、便于实现机械化和自动 化等特点，是近1 0 年来我国大力发展的高效节能的焊接方法。 但是在提高焊接生产率、熔敷速度、减小焊接应力、变形、改善热影响区 的性能等问题上，目前的气体保护焊尚存一些问题急需解决。现在备受关注的 双丝焊接虽然可以提高焊接速度和熔敷速度，但由于工件接电极，其熔敷效率 的进一步提高会受到很大的限制。 山东大学邹增大教授领导的课题组提出了双丝间接电弧气体保护焊工艺 ( 如图1 - 8 所示) 。该焊接方法既可用交流电也可用直流电，工件不接电极，两根 电弧 母材 图l - 8双丝间接电弧气体保护焊示意图 f i g 1 8 t w i n w i r ei n d i r e c ta r eg a ss h i e l d e dw e l d i n g 山东大学硕士学位论文 焊丝分别接电源的正负极，在两焊丝之间形成单一电弧。该方法电弧热量绝大 部分用来熔化焊丝而只有很少部分热量直接用于熔化母材，因此其熔敖系数 高、能源利用率高、焊接应力和变形小。 双丝间接电弧气体保护焊由于其工作原理不同于传统的熔化极气体保护 焊，需要一套专门的焊接设备，并且其工艺特点等亦不同于传统的熔化极气体 保护焊。我们希望通过对本课题的研究，能够对双丝间接电弧气体保护焊进行 进一步的了解，为其应用提供更多的理论依据和技术数据。 1 4 2 本文研究的主要内容 1 设计一套恰当的双丝间接电弧气体保护焊的送丝控制系统，以实现两极送丝 速度与其熔化速度的匹配，得到稳定燃烧的电弧： 2 通过试验研究，确定焊枪中两焊丝夹角大小、焊枪的外形、尺寸大小以及适 合的内部气路等，设计出适合双丝间接电弧气体保护焊工艺的焊枪，使焊接 区能得到较好的保护，得到成形良好的焊缝； 3 拍摄双丝间接电弧气体保护焊的电弧形态，并分析研究其影响因素； 4 进行工艺试验，分析研究电弧电压、焊接电流、焊接速度以及焊丝端部与工 件间的距离等对双丝间接电弧气体保护焊工艺性和焊缝成形的影响；并比较 双丝间接电弧气体保护焊与单丝焊电弧形态、电流电压波形、生产效率和电 能利用率等的差异。 第二章试验材料与设备 第二章试验材料与设备 2 1 焊接设备 2 1 1 焊接设备的组成 双丝间接电弧气体保护焊的焊接设备主要有焊接电源、两极送丝机构、转 速器、送丝控制盒、焊枪、氩气瓶、自动焊装置以及测试装置等组成( 如图2 1 所示) 。 图2 - 1 双丝间接电弧气体保护焊主要设备照片 i 送丝控制面板2 焊枪3 自动焊装置4 焊接电源5 送丝机6 转速器7 氩气瓶8 电流采样器 f i g 2 1m a j o re x p e r i m e n t a le q u i p m e n to ft w i n w i r ei n d i r e c ta r cg a ss h i e l d e dw e l d i n g ic o n t r o lp a n e l 2 w e l d i n gt o r c h 3a u t o m a t e dw e l d i n gs y s t e m4p o w e rs u p p l y5 w i r ef e e d e r 6t a c h o m e t e r7 b o t t l e da r 8c u r r e n ta c q u i s i t i o n 2 12 焊接电源 本研究选用的电源是山东山大华天电气有限公司生产的n b c 一3 5 0 型逆变式 c 0 2 气体保护焊焊接电源，其外特性如图2 2 所示。 o 山东大学硕士学位论文 05 口 10 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 0 c u r r e n t i a 图2 - 2n b c 3 5 0 逆变焊机输出特性 f i g 2 2 t h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co f n b c - 3 5 0i n v e r t e rp o w e rs o u r c e 该电源具有如下特点 ( i ) 采用了i g b t 逆变技术，可以保证焊接电压在电网电压波动及电孤长 度变化的情况下高度平稳，电弧自调节能力强，电弧柔和； 。 ( 2 ) 引弧采用慢送丝强脉冲引弧，实现电弧一次性引燃成功，收弧时，具 有消球功能： ( 3 ) 焊接飞溅小，焊接变形小，焊缝成形好； ( 4 ) 重量轻，体积小，便于移动。 2 1 3 自动焊装置 自制了自动焊装置( 如图2 3 所示) 。使用该装置配合上述的焊机即可实现 双丝间接电弧气体保护焊的自动化焊接。通过调整控制面板按钮可以实现在水 平和垂直方向不同速度的运动。其垂直方向最大行程2 5 0 m m ，通过调整垂直方 向的按钮来控制焊枪距工件的距离：工作台水平方向最大行程3 2 0 m m ，移动速 度可从0 1 m r r d s 1 4 8m m s 范围内连续调节，焊接时把焊枪固定于自动焊夹具 上，其工作台水平移动速度即为焊接速度：并且其工作台也可前后移动，最大 移动距离2 0 0 r n m 。本研究试验都是在此自动焊装置上完成的。 弘 如 药 如 ； 0 a口a暑甜二o， 第二章试验材料与设备 图2 - 3自动焊控制恧扳正面图 f i g 2 3 t h ec o n t r o lp a n e lo f a u t o m a t e dw e l d i n gs y s t e m 2 1 4 送丝控制装置 双丝间接电弧气体保护焊采用两套主要由a s 3 5 送丝机组成的送丝装置 分别对正负两极送丝( 如图2 1 所示) 。其动态响应速度快，控制性能好，基 本参数如下表2 - 1 所示： 表2 - 1a s 一3 5 型送丝机主要参数 项目性能指标 送丝电机额定电压v d c 2 4 送丝电机额定电流a 5 适用焊丝类型 软钢实心焊丝 适用焊丝直径咖1 0 ，1 2 ，1 6 适用丝盘尺寸m m 5 0 3 0 0 1 0 3 一 j 关幺幺谏序范阐m m i n 。11 5 1 5 横截面积r n m 2 3 5 电缆规格 长度m 5 重量k g 。 1 3 山东大学硕士学位论文 为了测量转速，在两送丝机的送丝轮上各接了一个转速器( 如图2 一l 所 示) ，来实时记录送丝机的转数。焊接时配以m o d e ls w3 l9 型秒表记录时间， 即可由转速公式求得送丝速度，即： v = ”月d t ( 2 1 ) 式中疗转数 d 送丝轮直径 ，焊接时间 2 2 试验材料及测试设备 2 2 1 实验材料 试验采用平板堆焊方法研究双丝问接电弧气体保护焊的焊接工艺性能。平 板堆焊时，试验用母材为q 2 3 5 钢，试板尺寸为2 0 0 m m 1 0 0 m m 3 m m 。q 2 3 5 钢是含碳量小于o 2 5 的低碳钢，具有良好的塑性和韧性。其化学成分和力学 性能如表2 2 所示。焊接以前，用砂轮将试板表面打磨干净，防止铁锈、油污 等影响焊接质量。 表2 - 2 母材化学成分及力学性能 化学成分( 质量分数) 力学性能 cs im ns p a b m p ag s m p a6 5 0 1 70 2 80 4 80 0 1 800 23 7 2 4 2 1 5 6 2 5 试验用焊丝采用h 0 8 m n 2 s i a 焊丝，直径为中1 2 m m ，其化学成分和熔敷金 属的力学性能如表2 - 3 所示。 表2 - 3 焊丝的化学成分和力学性能 化学成分( 质量分数) 力学性能 cs im ns p a b m p ao s m p a6 5 0 1 l0 6 5 o 9 51 8 0 2 1 0 00 3o 0 34 9 0 3 7 22 0 采用c 0 2 作保护气体焊接时飞溅比较大，焊缝成型差，给研究带来很多困 难。为了尽可能的减少不稳定因素，我们采用了a r 气作为保护气体。n b c 第二章试验材料与设备 列c 0 2 焊机用于熔化极氩弧焊时可以保证电弧调节系统具有较高的灵敏度，即 存在较小的静态误差，能满足工艺试验的要求。由于a r 气和c 0 2 的电离电压不 同( a r 气为1 5 7 v ，c 0 2 为1 3 7 v ) ，且c 0 2 有分解吸热过程。因此a r 气比c o ， 气体对电弧的冷却作用要弱，故采用n b c 3 5 0 型逆变式c 0 2 气体保护焊焊接电 源进行a r 气保护焊时电弧的弧柱半径要比c 0 2 焊时大，而热容量要比其小，容 易使焊枪喷嘴过热，甚至会