（材料加工工程专业论文）建筑钢结构的中厚板脉冲埋弧焊工艺研究.pdf

摘要 目前在钢结构制造行业，中厚板焊接普遍采用埋弧焊方法。实际生产中存在 着焊接质量和焊接效率相互制约的情况，针对这种情况，提出采用脉冲埋弧焊方 法代替传统埋弧焊方法，研究脉冲埋弧焊中厚板焊接工艺，实现在保证焊接质量 的前提下提高焊接效率的目标。 本项目实现脉冲输出的方式是使用课题组开发的直流脉冲控制器对传统的 埋弧焊焊机进行改造，降低了设备成本，并配合电信号采集系统，对焊接电流和 电弧电压进行采集和存储，便于后续分析。 通过摸索陛试验确定了2 5 m m 和3 5 m m 厚平板对接的脉冲埋弧焊工艺，并进 行验收性试验，比较脉冲埋弧焊与普通埋弧焊的焊接效率：2 5 m m 平板对接脉冲 埋弧焊焊接中，通过改造坡口形式省去了开坡口、打底和清根三道工序，并减小 了填充面积2 6 2 ，综合效率提高约5 7 。3 5 m m 平板对接埋弧焊焊接中，通过 工艺改造免除了打底和清根工序，减小填充面积1 7 7 ，综合焊接效率提高约 5 0 。比较脉冲埋弧焊与普通埋弧焊的力学性能：2 5 m m 平板对接中，脉冲埋弧 焊的优势主要表现在改善焊缝的抗拉强度上。脉冲埋弧焊比普通埋弧焊在抗拉强 度上增5 0 m p a ，大约1 2 左右，普通埋弧焊在与脉冲埋弧焊同样的热输入条件 下出现了不合格试件。3 5 m m 平板对接中脉冲埋弧焊在冲击韧性和弯曲塑性上表 现出明显的优势。应用脉冲埋弧焊，使焊缝冲击功的平均值比普通埋弧焊增加了 6 1 ，弯曲试验中普通埋弧焊出现了裂纹，而脉冲埋弧焊侧弯试件全部完好。 本文还研究了脉冲埋弧焊各参数对焊缝熔深的影响。结果表明，对焊接熔深 的影响脉冲电流基值最大，脉冲电流峰值次之，然后是频率和占空比。焊缝熔深 随着焊接基值电流的增大而增大；随着焊接峰值电流的增大而增大；随着脉冲频 率增大先增大后减小，在2 0 h z 时最大；随着脉冲占空比增大先增大后减小，在 4 0 时最大。 关键词：脉冲埋弧焊中厚板焊接工艺 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h es u b m e r g e da r cw e l d i n gm e t h o di sw i l d l yu s e di nt h ew e l d i n go f p l a t eo fm o d e r a t et h i c k n e s si nt h es t e e ls t r u c t u r em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i na c t u a l p r o d u c t i o n ，t h e r ei sap r o b l e mt h a tt h ew e l d i n gq u a l i t ya n dt h ew e l d i n ge f f i c i e n c y r e s t r i c te a c ho t h e r i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ep u l s es u b m e r g e d a r cw e l d i n gt ot a k et h ep l a c eo ft r a d i t i o n a ls u b m e r g e da r cw e l d i n g ，s oa st oi m p r o v e t h ew e l d i n ge f f i c i e n c yu n d e rt h ep r e m i s eo f e n s u r i n gw e l d i n gq u a l i t y i nt h ep r o j e c t , t h ep u l s eo u t p u tr e a l i z eb yt h ep u l s e sc o n t r o l l e r t h i sm e t h o dc a n r e d u c et h ec o s to fe q u i p m e n te f f e c t i v e l y a tt h es a m et i m e ，i nt h ee x p e r i m e n t ，t h e e l e c t r i c a ls i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d f i r s t ，t h ew e l d i n gp r o c e d u r eo ft h ep u l s es u b m e r g e da r cw e l d i n gw h i c hi su s e di n j o i n i n gt h ep l a t eo f2 5 m ma n d3 5 m mi sd e t e r m i n e d t h e nt h ew e l d i n ge f f i c i e n c yi s c o m p a r e d ：i nt h ep u l s es u b m e r g e da r cw e l d i n go f2 5 m mp l a t e ，t h r o u g hr e f o r m i n gt h e g r o o v e ，t h ep r o c e s s e so fb e v e l i n g ，b a c k i n gw e l da n db a c kg o u g i n ga r er e m o v e d ，t h e f i l l i n ga r e ai sr e d u c e db y2 6 2 s ot h ec o m p r e h e n s i v ee f f i c i e n c yi n c r e a s e sb ya b o u t 5 7 i nt h ep u l s es u b m e r g e da r cw e l d i n go f3 5 m mp l a t e ，t h ep r o c e s s e so fb a c k i n g w e l da n db a c kg o u g i n ga r er e m o v e d ，t h ef i l l i n ga r e ai sr e d u c e db y17 7 ，s ot h e c o m p r e h e n s i v ee f f i c i e n c yi n c r e a s e sb ya b o u t5 0 t h i r d l y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r e c o m p a r e d ：i nb u t tw e l d i n go ft h e2 5 m mp l a t e ，t h ea d v a n t a g eo fp u l s es u b m e r g e da r c w e l d i n gm a i n l yd i s p l a y si ni m p r o v i n gt h et e n s i l es t r e n g t ho fw e l dj o i n t t h et e n s i l e s t r e n g t ho ft h ej o i n to fp u l s es u b m e r g e da r cw e l d i n gi s5 0m p ah i g h e rt h a nt h a to f o r d i n a r ys u b m e r g e da r cw e l d i n g ，w h i c hi sa b o u t12 h i g h e r u n d e rt h es a m eh e a t i n p u t , t h e r ei sf a i l e dt e s tp i e c ei nt h eo r d i n a r ys u b m e r g e da r cw e l d i n g i nb u t tw e l d i n g o ft h e3 5 m mp l a t e ，t h ea d v a n t a g eo fp u l s es u b m e r g e da r cw e l d i n gm a i n l yd i s p l a y si n i m p r o v i n gt h ei m p a c tt o u g h n e s sa n d t h ef l e x u r a lb e n d i n go fw e l dj o i n t i nt h ep u l s e s u b m e r g e da r cw e l d i n g ，t h ei m p a c tt o u g h n e s si s61 h i g h e r , a n di nt h eb e n d i n gt e s t ，i t a p p e a r sc r a c ki nt h ej o i n to fo r d i n a r ys u b m e r g e da r cw e l d i n gw h i l et h ej o i n to fp u l s e s u b m e r g e da r cw e l d i n gi si ng o o dc o n d i t i o n t h ep a p e rs t u d i e st h ee f f e c to ft h ep a r a m e t e r so na p p e a r a n c eo fw e l di nt h ep u l s e s u b m e r g e d a r cw e l d i n g i ts h o w st h a tt h eb a s ec u r r e n ti n f l u e n c e st h ew e l dp e n e t r a t i o n m o s to b v i o u s l y ，t h ef o l l o w i n gi sp e a kc u r r e n t ，t h ef r e q u e n c ya n dd u t yc y c l e t h ew e l d p e n e t r a t i o ni n c r e a s e sa l o n gw i t ht h eb a s ec u r r e n ta n dp e a kc u r r e n t w i t hi n c r e a s i n go f p u l s ef r e q u e n c ya n dd u t yc y c l e ，t h ew e l dp e n e t r a t i o nf i r s ti n c r e a s e s ，t h e nd e c r e a s e s ，i n 2 0h za n d4 0 s e p a r a t e l y , t h ew e l dp e n e t r a t i o nr e a c h e sam a x i m u m k e yw o r d s ：p u l s e ，s u b m e r g e da r cw e l d i n g ，p l a t eo fm o d e r a t et h i c k n e s s ， w e l d i n gp r o c e d u r e 第一章绪论 1 1 钢结构生产概述 第一章绪论 钢结构是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是 现代建筑工程中较普通的结构形式之一。钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、 安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与 钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势，在全 球范围内，特别是发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域中得到合理、广泛的 应用。我国钢结构产业在近十余年期间发展迅速，在设计、制造和安装等技术方 面都达到了较高的水平，成为全球钢结构用量最大、制造施工能力最强、产业规 模第一、企业规模第一的钢结构大国。随着经济社会的发展，钢结构不断向着大 型化，高强化发展，这就对钢结构的生产提出了更高的要求。 1 1 1 钢结构的主要材料 钢结构要求钢材具有较高的强度、较高的塑性和韧性及良好的j h ：i ：性能。常 用的钢种有碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢及合金结构钢和 专门用途钢。规范推荐采用普通碳素钢q 2 3 5 ( 3 号钢) ，低合金高强结构钢q 3 4 5 ( 1 6 m n ) ，q 3 9 0 ( 1 5 m n v ) 及q 4 2 0 ( 1 5 m n v n ) 。应根据结构的重要性、载荷情 况( 静力或动力) 、结构形式、连接方法( 焊接或螺栓连接) 、钢材厚度、工作温 度和环境等因素综合考虑，选择合适的材料。 1 1 2 钢结构生产中的焊接生产 焊接是钢结构重要的连接方式。建筑钢结构工程焊接难度可分为一般、较难 和难三种情况。板厚越厚、受力状况越恶劣，焊接的难度就越大。钢结构焊接常 用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊、熔嘴电渣焊、栓钉 焊，其中埋弧焊又分为自动和半自动埋弧焊。埋弧焊由于电弧热量集中，故熔深 大、焊缝质量均匀、内部缺陷少、塑性和冲击韧性都较好，因而优于手工焊。特 别适用于梁、柱、板等的大批量拼装、制作焊缝。 第一章绪论 1 2 埋弧焊方法概述 埋弧焊( s a w ) 是以金属焊丝与焊件( 母材) 间所形成的电弧为热源，并 以覆盖在电弧周围的颗粒状焊剂及其熔渣作为保护的一种电弧焊方法【1 1 。本节主 要介绍埋弧焊的过程原理、埋弧焊方法的优缺点及埋弧焊的适用范围。 1 2 1 埋弧焊过程原理及其特点 最常见的埋弧焊焊接装置和焊接过程的示意图如图1 1 所示，左侧为焊接装 置示意图，右侧为焊接过程示意图。埋弧焊的焊接过程为：焊剂漏斗在焊接区的 前方不断输送焊剂，均匀的铺到焊件表面上，送丝机构不断向下输送焊丝，使其 端部插入到被焊剂覆盖的焊接区，焊接电弧在焊剂层下的焊丝与焊件表面之间产 生。电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化，以致部分金属蒸发，金属和焊剂的蒸汽形 成了一个气泡，电弧就在这个气泡内燃烧。熔化的焊剂浮到焊缝表面上形成一层 保护熔渣。熔渣构成的外膜和覆盖在上面的未熔化的焊剂共同起隔离空气、隔绝 热量和屏蔽有害弧光辐射的作用。焊丝熔化的熔滴落下与已经局部熔化的母材混 合构成熔池，部分熔渣因密度小而浮在熔池表面。随着焊丝的向前移动，电弧力 将熔池中熔化金属推向熔池后方，在随后的冷却过程中，熔池凝固成焊缝，熔渣 凝固成渣壳。未熔化的焊剂可以回收再利用【1 1 1 2 。 2 图1 1 埋弧焊焊接装置及焊接过程示意图 2 】 1 弧焊电源；2 控制箱；3 焊丝；4 焊丝盘；5 送丝机构；6 导电嘴：7 一焊件； 8 焊剂漏斗：9 电弧；1 0 焊剂；1 1 渣壳；1 2 焊缝 2 2 第一章绪论 埋弧焊焊接过程具有以下的特点：埋弧焊焊接过程热量大，电流密度大。埋 弧焊的焊接电流可以达到1 0 0 0 a 以上，而焊条电弧焊的使用电流一般最大2 5 0 a 左右，钨极电弧焊的根据钨极直径的不同允许的焊接电流也不同，交流时最大电 流能够达到5 0 0 a 以上，二氧化碳气体保护焊时最大电流在5 0 0 a 左右。埋弧焊 的保护方式是渣壳保护，并且在焊后渣壳仍然会覆盖在焊道表面，保护效果好， 熔池冷却速度慢。 1 2 2 埋弧焊的优缺点及适用范围 1 埋弧焊的优点【2 】【3 】 ( 1 ) 埋弧焊能够以相当高的焊接速度和熔敷速度完成厚度实际上不受限制 的对接、角接和搭接接头。埋弧焊的最高焊接速度可以达到6 0 1 5 0 m h ，而焊条 电弧焊不超过6 8 m h ，若采用双丝或多丝以及带极埋弧焊，焊接速度更快。双 丝或多丝埋弧焊特别适用于厚板接头和表面堆焊，带极埋弧焊适用于表面堆焊。 ( 2 ) 埋弧焊在特定条件下，可以实现2 0 m m 以下的直边对接接头的单面焊双 面成形，省略了开坡口及翻面等辅助工序，也可以完成4 0 m m 以上的直边对接和 单面v 形坡口的对接接头，有效的减少了填充量，节省了焊接材料和电能，可 以取得较高的经济效益。 ( 3 ) 埋弧焊的电弧被掩埋在颗粒状的焊剂及熔渣之下，电弧及熔池均处于渣 相的保护之中，对外界的隔离效果好，焊缝具有较高的致密性和纯度。此外在焊 接过程中焊丝的融化不会产生任何飞溅，焊缝表面质量好，省略了焊后对表面的 修磨等辅助工序。 ( 4 ) 埋弧焊时，凝固的焊缝仍然被厚的熔渣层覆盖，焊接区的冷却速度较慢， 冶金反应时间长，反应比较充分，熔池的气体溢出比较完全，熔渣也易于从液态 金属中浮出，因此埋弧焊不易产生气孔等缺陷。 ( 5 ) 利用焊剂对焊缝金属的脱氧还原反应和合金过渡作用，对焊缝金属渗硅 渗锰，可以获得力学性能优良的焊缝金属。在埋弧焊中，可以通过焊剂或焊丝的 组合搭配控制焊缝金属的合金成分。 ( 6 ) 埋弧焊过程中无弧光刺激，放出的烟尘也较少，改善了劳动条件，此外 由于弧光不外漏，可以在风力较大的地方施工。 ( 7 ) 埋弧焊易于实现机械化和自动化操作，焊接过程稳定，减少了对焊工操 作技能的依赖。 2 埋弧焊的缺点【2 】1 3 】 ( 1 ) 埋弧焊依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，且熔池体积大，液态金属和 熔渣的量较多，因此只能在平焊位置施焊，对工件的倾斜程度也有严格的限制， 第一章绪论 否则焊剂和焊接熔池难以保持。也有采用特殊机械装置，将焊剂保持堆敷在焊接 区面，实现埋弧横焊、立焊和仰焊，还有使用磁性焊剂的埋弧横焊与仰焊，但这 些应用都不普遍。 ( 2 ) 埋弧焊使用的焊剂主要成分是m n o 、s i 0 2 等金属及非金属氧化物，具有 一定的氧化性，难以焊接铝、镁等氧化敏感性强的金属及其合金。 ( 3 ) 埋弧焊在焊接电流小于1 0 0 a 时电弧稳定性差，也不能发挥埋弧焊热输 入大的优势，因此一般不采用小电流，不适宜焊接厚度在l m m 以下的薄板。由 于埋弧焊机比较复杂，灵活性差，焊接短焊缝的平均生产率会很低，因此只适宜 焊接长焊缝。 ( 3 ) 埋弧焊每层焊道焊接后必须清除焊渣，增加了辅助焊接时间。如果清渣 不仔细，容易使焊缝产生夹渣缺陷。焊接参数的选择必须考虑焊后脱渣性的好坏， 否则会严重影响焊接效率和焊接质量。 ( 4 ) 焊接设备的一次投入费用较高，并需要采用处理焊丝、焊剂的辅助设备。 3 埋弧焊的适用范卧2 j 随着埋弧焊焊剂和焊丝新品种的发展和埋弧焊工艺的改进，目前已经可焊接 的钢种有：所有牌号的低碳钢，含碳量小于o 6 的中碳钢，各种低合金钢、耐 热钢、耐候钢、低温用钢，各种铬钢和铬镍不锈钢、高合金耐热钢和镍基合金等。 淬硬性较高的高碳钢、马氏体实效钢、铜及其合金也可以采用埋弧焊焊接，但必 须采用特殊的焊接工艺才能保证接头的质量，埋弧焊还可用于不锈耐蚀、硬质耐 磨金属的表面堆焊。 埋弧焊技术还在不断地发展中，新的埋弧焊工艺及设备不断出现，如窄间隙 埋弧焊，在日本、欧洲和苏联等国家和地区，已经广泛采用该工艺用于碳钢、低 合金钢和高合金钢厚壁容器及其它重型结构的焊接，在我国，窄问隙埋弧焊的研 究也取得了很大的进步，目前已可以实现焊丝、焊剂和窄间隙焊接设备的全部国 产化【4 】：双丝或多丝埋弧焊目前已在一些厚板结构生产中得到应用，研究中目前 最多用到1 4 根焊丝【5 】，实际应用中多应用双丝三丝埋弧焊；金属粉末埋弧焊已 经应用于板厚为5 0 8 0 m m 的海洋工程中，满足了高韧性要求的焊缝焊接，同时 该方法也已用于大面积耐磨合金覆层板的堆焊。此外带极埋弧焊、热丝填充埋弧 焊等也在实际生产中获得了应用。 1 2 3 埋弧焊工艺基础 埋弧焊工艺的主要内容有：焊接工艺方法的选择；焊接工艺装备的选用；焊 接坡口的设计；焊接材料的选定；焊接工艺参数的制订；焊接组装工艺的编制； 操作技术参数及焊接过程控制参数的制订；焊缝缺陷的检查方法及修补技术的制 4 第一章绪论 订；焊前预处理与焊后热处理技术的制订。对原有的焊接工艺进行改造的项目中， 主要对焊接工艺中焊接工艺参数的制订进行研刭2 1 。 焊接工艺参数包括很多内容，它们都对焊缝成形和焊接质量有影响。这些因 素可以分为焊接参数和工艺因素。焊接参数包括焊接电流、电弧电压和焊接速度。 其他工艺因素包括电流的种类和极性、干伸长、焊丝倾角、坡口和间隙、焊剂粒 度等。下面主要介绍这些因素中对焊接质量影响较为显著并在本课题中有可以自 由选择的因素【6 】。 1 焊接电流 焊接电流是决定焊丝熔化速度、熔透深度和母材熔化量的最重要的参数。焊 接电流是决定熔深的主要因素。在其它条件不变情况下，随电流的增大焊缝熔深 和余高都增加，而熔宽则几乎不变或略有增加。一般焊接条件下，焊接电流与熔 深成正比【7 j h = k a 奄i 式中：月一焊接熔深；卜焊接电流；k 卜比例系数，由电流种类、极性、焊丝 直径及焊剂种类等来判断。 焊接电流过小会使焊接过程不稳定并造成未焊透或未熔合；但是焊接电流也 不能太大，电流太大不但不易造成烧穿等，而且随着熔深的增加而熔宽变化不大， 熔池中的气体和夹杂物上浮及溢出困难，易形成气孔夹渣等缺陷。因此为了提高 焊接质量，在提高焊接电流的同时，必须相应的提高电弧电压。 2 电弧电压 电弧电压是影响熔宽的主要因素。在其它焊接条件不变的情况下，电弧电压 增大，焊缝熔宽显著增加而熔深和余高略有减小，熔合比稍有增加。 电弧电压过高时，会形成浅而宽的焊道，从而导致未焊透和咬边等缺陷，此 外电弧电压过高会导致焊剂的熔化量增加，使脱渣困难。电弧电压过低，电弧的 穿透能力增加，会形成高而窄的焊道，使边缘融合不良，此外电弧电压过低，飞 溅也比较大，甚至造成较大电流短路过渡现象，破坏电弧的稳定性。 3 焊接速度 焊接速度和焊接电流、电弧电压一起决定了焊缝单位长度上的热输入，在其 他焊接参数不变的条件下，提高焊接速度，熔深、熔宽和余高都会减小。 从焊接生产率来考虑，焊接速度越快越好，但焊接速度过快，会产生咬边和 气孔等缺陷，焊道成形恶化。为保证好的焊接质量，必须在提高焊接速度的同时， 相应地提高焊接电流和电弧电压。 4 坡口和间隙 埋弧焊接头和坡口形式的设计应允许利用埋弧焊大熔深、高熔敷率的特点。 第一章绪论 焊接接头设计应首先保证结构的强度要求，其次是考虑经济性，即在保证熔透的 前提下，尽量减少焊接坡口的填充量，减少焊接时间。从经济角度出发，埋弧焊 接头应尽量不开坡u 或少开坡口。埋弧焊单面的熔深可以达到1 8 2 0 r n m ，因此 理论上4 0 r a m 以下的钢板可以采用i 形直边对接形式进行焊接。 1 3 脉冲埋弧焊的发展及特点 随着科学技术的发展，人们对焊接工艺过程的机理的认识越来越深刻。原来 人们研究焊接电源认为焊接电源的稳定可以使焊接过程更加稳定，后来研究发 现，并不是稳定的电源得到的焊接效果最好，而是要求焊接电源根据焊接过程中 熔滴和电弧的行为提供所需要的热源才能达到最佳的焊接效果。因此电源的研究 开始注重焊接电源本身的变化特性。随着逆变技术的发展，电源波形的精确控制 成为可能，各种形式的电源不断出现。 脉冲焊是人为地使电源输出能量按照一定的规律变化，这种方法可以明显地 改善电弧的稳定性，控制焊丝的熔化及熔滴过渡。 1 3 1 脉冲埋弧焊的发展 脉冲电弧焊是2 0 世纪6 0 年代英国t w i 研究所的j c n e e d h a m 发明的，当 时，要生产反应灵敏的焊接电源非常昂贵。因此第一台脉冲电源部分地采用了正 弦波来产生脉冲，其脉冲频率也只能以固定的步进变化【8 】。 脉冲形式的电源在气体保护焊中的应用比较广泛，脉冲m i g 焊采用高频脉 冲过渡过程，广泛应用于不锈钢及铝的焊接。脉冲t i g 焊采用低频脉冲过渡过 程，用来焊接薄板可以有效的控制热输入，获得性能优良的焊缝。 在国内，天津大学的李桓、杜乃成等首先提出了脉冲埋弧焊方法【9 j ，并发明 了直流电焊机脉冲控制器【l0 1 ，通过以单片机为核心的控制技术，将普通埋弧焊机 改造为脉冲埋弧焊机，通过简洁清晰的界面，实现了改造后的便捷操作【1 1 | 。 天津大学的郭胜、刘琼等对脉冲埋弧焊的特点做了进一步的研究。研究了脉 冲控制器上可以控制的各个脉冲参数：脉冲基值、脉冲峰值、脉冲频率和占空比 对焊缝成形的影响，提出在相同热输入的条件下，采用脉冲埋弧能够有效的增加 熔深【1 羽。 上海锅炉厂有限公司的傅育文，王炯祥等人研究了将直流电焊机脉冲控制器 应用于膜式水冷壁管屏拼接中的焊接工艺，将焊接速度提高了1 3 0 旷2 5 ，并提 高了焊接质量，有效地减少了咬边、气孔等缺陷，解决了水冷壁管屏拼接生产能 力不足的问题【13 | 。 第一章绪论 河北建筑工程学院的王占英以1 6 m n r 为试验母材，研究了脉冲埋弧焊接头 的冲击性能，结果表明，脉冲埋弧焊可以有效地减小熔敷金属的成分偏析，细化 晶粒，提高焊缝金属的冲击性能f 1 4 】。 天津大学的李幸呈深入研究了脉冲埋弧焊改善咬边缺陷的原理，通过建立横 焊位置熔池的受力模型，分析了脉冲作用对熔池受力的影响，提出电磁力、熔滴 冲击力以及表面张力的合力都随着焊接电流做周期性变化，这有利于熔池液态金 属在凝固过程中的铺展，进而能够改善咬边缺陷【1 5 】。 中国石化集团沙市钢管厂的张晓强、李君佐等研究了脉冲埋弧焊在焊接高强 度管线钢x 8 0 中的应用，通过分析焊接金相组织得出了脉冲焊接头具有更细的 晶粒，非脉冲焊接头的先共析铁素体明显比脉冲焊焊缝的粗大1 1 6 】。 天津大学的王颖【1 7 】在其硕士论文中提出用窄间隙脉冲埋弧焊来实现2 7 s i m n 液压油缸的焊接。通过对比普通埋弧焊、窄问隙埋弧焊及窄问隙脉冲埋弧焊三种 焊接方法的焊接效率和接头的拉伸、冲击和弯曲的综合力学性能，得出窄间隙脉 冲埋弧焊具有最高的焊接效率，其焊接接头具有最优的综合力学性能。 1 3 2 脉冲埋弧焊的特点 通过对课题组原有的试验成果的总结分析，从焊接效果和焊接操作方面可以 得出脉冲埋弧焊具有以下优点： 1 改善焊缝表面成形 提高焊接效率最直接的办法就是提高焊接速度，但焊接速度的提高会伴随着 两个问题，一是焊接速度的提高会导致热输入量减小，这样往往会导致焊接的熔 深变小而不能满足焊透的要求；二是焊接速度的提高会导致焊缝容易产生咬边和 夹渣缺陷。采用脉冲焊能够比较有效地解决这两方面的问题。脉冲埋弧焊工艺能 够在相同的热输入条件下获得更大的熔深，脉冲的峰值电流大于平均电流，这样 电弧向下的最大作用力就能够达到比较高的水平，电弧的挖掘能力也进一步增 强，增大了熔深，可以解决熔透问题。脉冲时熔池在脉冲作用下形成有规律的震 荡，这种震荡能够将熔池中的部分金属推向熔池的边缘即焊趾处，减少了咬边缺 陷。同时震荡还有利于非金属熔渣的上浮，减少了夹渣缺陷。 2 改善焊缝的综合力学性能 焊接接头的力学性能是有接头的组织决定的。脉冲的加入首先能够在保证熔 深的情况下将整体热输入控制在较低的水平，这就减小了焊缝和热影响区的过热 程度；第二，脉冲的震荡作用减少了焊缝非金属夹杂物的数量和体积，减少了成 分偏析，减轻了因为成分不均匀造成的局部的性能薄弱；第三由于脉冲的搅拌和 震荡作用，干扰柱状晶的正常生长，结晶的晶粒得到了某种程度上的破碎作用， 第一章绪论 从而细化了晶粒。这些作用都使焊缝的综合力学性能得到改善。 3 提高焊接效率 在脉冲改善焊缝成形和接头综合力学性能的基础上，采用脉冲埋弧焊能够突 破普通埋弧焊使用时焊接电流和焊接速度的极限，达到高的焊接生产效率。 4 有较宽的参数调节范围 随着被焊钢材合金元素含量和强度级别的提高，焊接电流的调节范围变窄。 当焊接电流低于电流调节范围下限时，会使生产效率大幅度降低；当焊接电流高 于电流调节范围上限时，会使焊缝成形恶化，并降低接头质量。脉冲的加入使可 用参数的范围加宽，更便于实际中工人的操作。 1 4 焊接过程评价项目 在正式进行焊接生产之前，对于首次在施工单位采用的焊接方法，要进行焊 接工艺评定。焊接工艺评定应按照相应的国家标准和行业标准实施，本项目依据 的标准是钢结构焊接技术规程( j g j s l 2 0 0 2 ) 。在实际的焊接生产中，为保证 焊接生产的产品质量，质量检查人员应按照技术规程及施工图纸和技术文件要 求，对焊接质量进行监督和检查。包括焊缝的外观检测和焊缝的无损检测。因此 在本试验中既要进行焊缝的外观检测和无损检测，又要进行焊接接头的力学性能 检测，同时，为更好的检测焊接过程，明确脉冲在焊接中的作用，试验中采用了 焊接电信号采集系统，并对电信号进行处理和分析。本试验中需要进行的评价项 目包括：焊缝的外观检测和无损检测；焊接接头力学性能检测；焊接过程 中电信号的处理分析。 1 5 课题概述 近年来，中厚板高强度钢在钢结构行业的使用量逐步增加，尤其是在箱型梁、 重型组焊h 型钢构件上的使用增加更为明显。焊接作为钢结构产品制造的关键 工序，直接影响构件的质量和生产效率。由于中厚板高强钢构件钢板厚度较大， 对焊接工艺的要求严格。因此如何提高中厚板高强钢的焊接质量及焊接效率是目 前迫切需要研究的课题。 1 5 1 中厚板脉冲埋弧焊研究的立项背景 埋弧焊在平板对接、箱型梁、h 型钢焊接中是主要的焊接方法，在分析传统 第一章绪论 埋弧焊特点的基础上，提出限制埋弧焊焊接速度和质量的主要原因是线能量，焊 接速度过快无法保证熔合、焊透、成形差，焊接速度过慢线能量输入过大将导致 焊缝晶粒粗大，韧性降低。针对防止焊缝咬边、改善焊缝成形和细化晶粒、提高 埋弧焊焊接速度等技术指标进行研究，决定采用了一项新的焊接方法一脉冲埋 弧焊。应用这种新型焊接方法理论上可以改变焊接温度场和电弧力的分布，大幅 提高焊接速度，改善了焊缝成形，有效地提高了电弧的热效率，在相同熔敷速度 的前提下有效减小了热输入，同时因为脉冲本身的搅拌和振荡作用使焊缝组织具 有晶粒细，气孔少、夹杂少的优点，可以在满足焊接质量要求的前提下提高焊接 速度，并可以使用大线能量( 大热输入) 焊接，达到在现有条件下焊接效率与焊 接质量的最佳平衡。目前脉冲氩弧焊方法应用成熟，主要用于钢管、或管板的焊 接，取得了很好的效果，将脉冲原理应用于埋弧焊中厚板的焊接在国内尚属首次， 该技术的研发将会创造很好的经济效益和社会效益。 1 5 2 中厚板脉冲埋弧焊研究的主要目标 根据脉冲埋弧焊在薄板焊接中的应用经验和实际生产经验，提出本课题的目 标如下：通过试验得出脉冲埋弧焊中厚板对接的工艺，在不降低焊接质量前提下， 使整个焊接过程的综合效率提高，降低工序的复杂性，减少焊接过程的辅助工序 并不改变原有的操作习惯，不增加工人劳动量。 1 5 3 中厚板脉冲埋弧焊研究项目的研究内容 首先，利用脉冲控制器对原有埋弧焊机进行改造，使其实现脉冲输出功能， 并通过现场试运行测试设备的稳定性。 利用改造所得的脉冲埋弧焊设备研究建筑钢结构的中厚板脉冲埋弧焊焊接 工艺，找到脉冲埋弧焊能够达到质量要求的焊接参数，在超声检测合格后，对焊 件进行力学性能、金相等级的测试。对试验结果进行分析，对比普通埋弧焊与脉 冲埋弧焊在焊接质量和焊接效率方面的差异。 在主要的工艺试验完成后，要进一步探索更加适合的脉冲埋弧焊参数，找到 在现有条件下焊接效率与焊接质量的最佳平衡。为此要进行正交试验，研究脉冲 各个参数对焊缝熔深的影响，为后续试验提供基础。 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 在埋弧焊中，焊接设备特性对焊接规范和焊接质量有较大的影响，尤其是本 项目中所使用的是改造后的脉冲埋弧焊系统，设备特性更具有复杂性与不确定 性，因此，试验系统除主焊接系统外，还接入了电信号采集系统。另外埋弧焊所 使用的焊接材料有焊丝和焊剂，它们都直接参与焊接过程的冶金反应，直接影响 着焊接质量。本章首先介绍了脉冲埋弧焊系统及其辅助的信号采集系统的构成， 然后介绍了焊接母材、焊丝及焊剂。 2 1 脉冲埋弧焊试验焊接系统构成 埋弧焊机根据送丝方式分为等速送丝式埋弧焊机和电弧电压调节式埋弧焊 机两类。前者适用于细丝或高电流密度的情况，后者适用于粗丝或低电流密度的 情况。本试验采用的是直径为4 m m 的焊丝，属于粗焊丝，采用的是电弧电压反 馈调节式埋弧焊机。所使用的直流脉冲控制器是实验室自主研发的产品。下面分 别对二者的性能和组成进行介绍。 2 1 1 埋弧焊系统 普通埋弧焊设备主要由焊接电源、焊接小车、焊接电缆、控制线、导轨组成。 本试验中使用的m z 1 0 0 0 型大功率逆变弧焊电源是深圳佳士科技股份有限公司 生产的。本电源可用于焊接各种有坡口、无坡口的板材对接、搭接和角焊缝。焊 缝可位于平面或与水平面成l5 0 内的斜面上。可焊接各种低碳钢、低合金钢、不 锈钢及耐热钢等材料【1 8 。焊接电源的主要技术参数如表2 1 所示。焊接电源、焊 接小车及导轨等如图2 1 所示。 表2 - 1m z 1 0 0 0 型逆变式直流埋弧焊机基本参数 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 输入电压 空载电压u 2 0 空载一次电流i l o 空载损耗p l o 电压调节范围u 2 效率n 功率因素) l 冷却方式 3 - 3 8 0 v 1 5 ( 5 0 6 0 h z ) 8 3 v 1 a 5 0 0 w 2 2 v 5 0 v 0 8 5 额定 0 9 风冷 本焊接系统使用的是w f 3 3 型焊接小车，小车的额定工作电压为11 0 v d c ， 可以使用的焊丝直径为3 - 5 m m ，在小车面板上能够进行送丝速度、焊接速度的 调节，送丝速度的调节范围是o 5 2 5 ( m m i n ) ，焊接速度的调节范围为1 5 7 2 ( m h ) 。此外，为使焊接小车能够适应各种焊缝，并使焊丝对准焊缝，焊接小车 的送丝机头有多个自由度可以调节。 本设备具有焊接参数预设功能。通过调节焊接电源或焊接小车面板上的调节 旋钮，可进行电流、电压、焊接速度的预设。 ( a ) m z 1 0 0 0 型逆变式直流埋弧焊机 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 ( b ) 焊接小车及导轨 图2 1m z 10 0 0 型逆变式直流埋弧焊机及焊接小车 2 1 2 脉冲控制器 为将普通直流埋弧焊电源改造为脉冲埋弧焊电源，在本项目中应用课题组自 行研发的m k 0 3 型电弧焊脉冲控制器。电焊机脉冲控制器的控制原理为：在单 片机的控制下，按照脉冲焊的控制要求，输出生成频率可调、脉宽比可调的脉冲 控制信号，将峰值电流给定及基值电流给定顺序交替通过高速电子开关送往受控 制的弧焊电源外接端子板，并以遥控电流给定的方式控制电焊机的输出电流【1 9 | 。 脉冲控制器的面板如图2 2 所示，面板上包括四位带小数点的八段数码管， 六个按键和两个旋钮组成。前两个八段数码管显示脉冲频率，后两个八段数码管 显示脉宽比；六个按键功能分别为复位、模式、增大频率、减小频率、增加脉宽 比和减小脉宽比：两个旋钮分别设定输出的电信号基值和峰值。脉冲控制器的频 率调节范围为o 1 9 9h z ，在0 1 1 0h z 范围内调节步长为o 1 h z ，在1 0 9 9h z 范围内调节步长为1 h z ；脉冲控制器的脉宽比调节范围是5 9 5 ，调节步长 为1 ；左侧电位器旋钮是基值给定，用于控制基值电流( 或电压) ，一般为1 3 之间，右侧电位器旋钮是峰值给定，用于控制峰值电流( 或电压) ，一般为5 8 之间。 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 图2 2 电弧脉冲控制器 电焊机脉冲电流控制器针对在生产中灵活应用的需要，设计并实现了三种工 作模式： 1 峰值基值脉冲焊接电信号的控制输出 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( 或电压) 控制 信号和基值电流( 或电压) 控制信号。使自动埋弧焊机在焊接电流( 或电压) 输 出端形成符合相应频率和脉宽比要求的脉冲焊接电流( 或电压) 。在这种脉冲工 作模式下，左起第3 、4 位数码管交替闪烁。 2 恒定峰值焊接电信号的控制输出 该控制器可以始终向电焊机送出峰值电流( 或电压) 控制信号。这样便于生 产、试验中对峰值电流( 或电压) 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峰值电流( 或电压) 的焊接效果。在恒定峰值输出 模式下，左起第3 位数码管常亮，左起第4 位数码管不亮。 3 恒定基值焊接电信号的控制输出 该控制器可以始终向电焊机送出基值电流( 或电压) 控制信号。与恒定峰值 的作用类似，这便于生产、试验中对基值电流( 或电压) 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基值电流( 或电压) 的焊接效 果。在恒定基值输出模式下，左起第3 位数码管不亮，左起第4 位数码管常亮。 以上三种工作模式的切换通过前面板上的模式按钮来进行。 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 2 1 3 脉冲控制器与原焊接系统的连接 根据所电焊的外特性的不同，脉冲控制器与焊接电源的连接方式有所区别。 若使用陡降特性电源匹配变速送丝系统，则通过脉冲控制器调节和控制焊接电 流，电弧电压通过原直流自动埋弧焊机上旋钮来调节；若使用平特性电源匹配等 速送丝系统，则通过脉冲控制器调节和控制电弧电压，焊接电流通过调节原直流 自动埋弧焊机上的旋钮实现。 本试验中使用的是陡降特性电源匹配变速送丝的佳士m z 1 0 0 0 埋弧焊焊机。 要使用原焊机作为焊接电源，配套的埋弧焊小车调节电流、电压，送丝、抽丝， 还要利用直流电焊机脉冲控制器控制电流以输出脉冲信号，因此需要对埋弧焊小 车上的控制箱进行改造，使其与脉冲控制器结合使用。 脉冲控制器提供的外部接线端可以方便的与焊接小车上的电流遥控给定接 口连接，7 5 、7 6 、7 7 三个接头分别与原电流控制旋钮连线的低、中、高电位相 连，这样原有的电流旋钮就失去的作用，脉冲控制器的两个电位器旋钮起作用， 分时给出脉冲电流；3 2 、3 3 两条接线分别与控制箱中的li o v 电源线相连，给脉 冲控制器提供工作电源。此时将电焊机设定为遥控状态，就能够实现脉冲控制器 给定信号控制输出。在脉冲控制器上就可以进行脉冲电流基值、峰值、频率、占 空比的设置，控制焊机输出脉冲电流，原有控制箱上的电压调节、焊接速度调节、 送丝抽丝等功能保留。 为了研究脉冲埋弧焊的性质，还需利用电信号采集和分析系统采集来分析电 信号，因此需要将这些设备都正确的连接起来。整体的系统示意图如图2 - 3 所示。 图2 3脉冲埋弧焊设备连接示意图 1 4 a c 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 2 2 脉冲埋弧焊试验电信号采集系统 焊接过程是一个复杂的物理变化过程，其稳定性决定了焊缝质量的好坏。焊 接过程的复杂性和微观熔滴过渡过程的随机性，使该过程的电弧电压焊接电流 在微观上无重现性。随着焊接电弧物理学和焊接过程测试技术的发展，人们认识 到焊接电流、电弧电压一方面可作为控制焊接过程的可控变量，另一方面它们也 是各种电弧物理现象丰富信息的载体【2 0 1 ，能够在某种程度上反映焊接质量。本项 目的主要目的是用脉冲埋弧焊方法代替传统的直流埋弧焊焊接方法，以达到提高 焊接质量和焊接效率的目的，同时进一步研究脉冲埋弧焊中各参数对焊接成形和 焊接质量的影响。为监测改造后设备的输出性质并完成各脉冲参数影响的研究， 需要在焊接过程中实时记录脉冲输出信号的各参数，并对其进行存储后续分析。 2 2 1 数据采集系统概述 本试验中所使用的电信号采集系统是为本次试验专门设计的电信号采集系 统，以往对焊接过程电信号的传统测试方法是采用指针式仪表或示波器，它们都 不利于数据的储存和分析。由于指针式仪表大的惯性，很难测取瞬时多变信号的 波形。鉴于传统测试仪器的缺点，实验室开发一种新的数据采集系统，该系统应 用虚拟仪器l a b v i e w 为基础平台，结合其他辅助硬件和计算机，具有数据测量 稳定、适应范围广、开放性好、柔性好、数据存储和处理简便等优点，满足日益 发展的焊接自动化、智能化和稳定性的要求【2 。下面分别对采集系统的硬件和 软件进行介绍。 2 2 2 电信号采集系统硬件构成 电信号采集系统的硬件包括数据采集卡、计算机、传感器和接线盒等。 1 数据采集卡 本系统电信号采集使用的是研华多功能p c i 总线数据采集卡，型号为 p c i 1 7 4 2 u ，如图2 - 4 ( a ) 所示。它具有1 6 位高分辨率，能够进行1 6 路单端或8 路差分模拟量输入，或组合输入方式，最大采样速率为1m s s 。 2 计算机 计算机是整个采集系统的控制中枢，数据采集卡就安装在计算机的主板上， 负责采集和存储信号，并且计算机上安装的l a b v i e w 软件为采集提供支持平台， 能够实时显示采集波形。计算机及采集界面如图2 4 ( b ) 所示。 3 传感器 本系统采用的是有源霍尔效应电流传感器( 如图2 - 5 ( a ) 所示) 和有源霍尔效 第二章脉冲埋弧焊试验系统与试验条件 应电压传感器( 如图2 - 5 ( b ) 所示) 。霍尔电流传感器的工作原理是：当电流 流过一根长直导线时，导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大 小成正比，这一磁场可以通过软磁性材料来聚集，然后用霍尔元件进行检测， 检测到的霍尔元件两端的电压信号经过放大，就可以反映电流的大小。霍尔 电压传感器的工作原理是：输入传感器的电压经过电阻转化为电流信号，再 由内部的小霍尔电流传感器进行检测，检测到的霍尔元件的电压信号就能反 映原电压信号的大小。 ( a ) 数据采集卡( b ) 计算机 图2 4 采集卡和计算机 ( a ) 电流传感器 图2 5 传感器 2 2 3 电信号采集系统软件程序 ( b ) 电压传感器 用l a b v i e w 编写的数据采集程序是电信号采集系统