（材料加工工程专业论文）双丝间接电弧气体保护焊研究.pdf

山寒走擎薅士擎绶论文 双熊间接电弧气体保护焊研究 摘要 澉簇润接电甄气髂镶爹浑是一耱簿接嚣雩黑馋不接电源，毫我纛褥焊丝端部燃 烧的新的焊接方法，主要利用熔滴携带热量和少量弧柱热量熔化母材形成焊缝。 该方法具有热输入调节范阑大、熔合比可降到最小、熔敷速度高、电能利用率高、 焊接威力和变形小等特点，是一种优质、高效、节能的焊接方法，具有理论研究 馀傻鞠疲鼹藏景。 本文秘震壹制静叁动辉装置、f a s t c a m s u p e r - l o k c 墅高速掇像系统帮 a g i l e n t 5 4 6 2 4 a 示波器等设备对双丝间接电弧a r 气和c 如气体保护焊电弧稳定燃 烧的条件、焊接工艺性、电弧形态及熔滴过渡避行了分析研究。 双熊闯接电弧气体保护焊采用直流电源，敢丝分别接电源掰极，电弧在双丝 霹潺潞形藏。由手龟薮黪滋、受扳戆产热量誉瓣将导致双丝络键速度不程等，采 用一萃中泡弧控翻系统阕辩羧涮双丝的送丝，剜双丝将获得两样的遴丝速度，不会 得到稳定燃烧的电弧。本文选用n b c - 3 5 0 型邋变式焊接电源，系等遮送进电弧自 身调节，本研究采用两套控制系统来分别控制暇、负极送丝，初媲研究表明，负 极熔化遮度侠，本文采用n b c - 3 5 0 电源的等遴送避控制系统控制受极送丝机构。 磅究爨褥设诗螽溺管凌速瞧鼹整翻系统调整羧秘歪援熬送丝掇稔。零繇究表骧， 双丝阍按电疆对双丝均脊一定的自身调节作用。采取上述两套控制系统船之双丝 间接电弧对双丝的自身调节作用，可使双丝间接电弧气体保护焊两极的送丝速度 分别等于各自的熔化速度获得稳定燃烧的间接电弧。 焊枪集气、电、丝予一体，是双丝闻接电激气体保护焊携个关键部分，焊 枪静络梅髟获与建 毒足专举纹关系委其自鸯鹣使薅往缝，嚣曼关系戮电孤稳定 性、气体保护效果和焊接震爨等。双丝问接电弧焊焊枪中双丝之间的夹角直接影 响到躐焊丝对中性、焊枪长度、熔滴过渡形淼、气体保护效果、电弧燃烧稳定性、 焊缝成形及焊接过程的可然性和方便观察熔 嫩。本文在实验研究岛综合分析的基 础上确定焊枪中双丝夹角爻3 擎。双丝经过的捋毫赣之阕痘穗要鳃缘，气簿设诗 选麓绝缘援上垮匀开小魏，使静气室悫静保护气体虿均匀遣逶入豫轳嚣。浮稔上 的喷嘴用陶瓷喷嘴，既绝缘又耐高温。 焊接工艺参数对电弧燃烧稳定性、焊缝成形、焊接质量及焊接效率都有重要 v 穰要 影响。双丝间接电弧焊的燕要工艺参数有焊接电流、电弧电压、敬熊的伸出长度、 双焊熙交点与工件间距离及焊接速度等。随焊接电流的增加，焊缝熔宽增加，余 高增大，熔深略增。随餐电弧电压的增大，烨缝熔宽略有增加。随着焊丝伸出长 度豹壤鸯嚣，浮缝戆余裹增大，熔瀑猿零，委爱掇蝰诧速度移麴捩。獗究豢窭焊丝 律撼长度控裁在l o 2 0 m m 蔻宣。随着两娣缎交点与工俘闻爨鬻鹃变纯对焊缝或 形的影响很大，在l o m m 一2 0 m m 的范围内，髓潜距离的减小，焊缝的熔深增加。 焊接瀵度对焊缝成形的影响也比较大，在电弧电压、焊接电流一定的情况下，必 须选撵食适的焊接速度才簸褥到成形良好的逐续焊缝。 双丝阗接毫弧形态炭簧受簿搂逮滚、奄瓤瞧基帮嚣浮丝交京每王锌窝耋垂褰懿 影嗡。雁常工艺下的电弧形态类似气磐对的火焰。通过高速摄像研究表明，双丝 间接电弧结构可以分为阳极区、弧柱区和阴极膜。弧柱区又分为焰祷区和外焰区。 焰芯暇的带电粒子密度较大，电场强度大，漱度高，为明亮的区域；外焰区呈黄 色，墩场强度较弱，瀑发较低，电弧较暗。撵接电流对电弧形态的影噻较丈，当 缮滚魏流较奎露，藐、戮壤滔挂菠点荔游镄，奄舞苓稳，分数，鬓飘岗一方。蕤 焊接电流增加，电孤挺崴性交好，趋于集中。焊接电流过大时，剡两丝闻的电磁 力增大，使带电粒子流受剿更大的电磁推力馆用其运动路径发生改变，电弧形态 变犬丽分散。电弧电压生隳影响电弧的亮度及大小，随着电弧电滕的增加，电弧 越来艨孵亮，毫弧的形体墩逐澎增大。薅焊丝交点与王辞阗距离越小电弧越集参， 莠鼗交鳃短露亮。双丝麟接毫豢簿戆电弧形态箍酵阕发生髑黧瞧嶷纯。 双丝间接电弧气体傈护焊过渡形式可分为滴状过渡和短路过渡。滴状过渡可 分为火滴过渡、射滴过渡及射流过渡等多种过渡形式。在一定焊接工艺下，正、 负极鼹多的是以不同的滴状形式进行过渡。髓潜焊接电流和电弧电压的增大，正、 受援懿熔濂灵寸缨位、过渡频率增燕。蘑麓按瓷弧歪援络滚瓣必寸鹗显夺予受 投，褥豆其过渡频率眈受援大。芷稷达妥麓流避渡的箍界电流送，j 、予受援的校界 电流。保护气体对熔滴j 遣溅也有一定的影响。 研究指出，熔滴过渡念影响电弧的形态及电弧电压的波动。在电弧的阴、阳 极斑点上，熔滴的形成、长大以及脱离过程会引起电弧形态的变化鄹电弧电压的 渡魂。嫠疆港滚过渡黪髑麓毪交往，耄程邀嚣蠢躅蘩莛交往，惫弧渗态遣褪痤懿 周期骰变化，并与电弧酝派的变纯有援律性的对应关系。 双熊间接电弧焊的负极焊丝熔化速度大予正极焊丝熔化速度。随焊接电流的 v l 山东大学博士学位论文 增加负极的熔化速度增大的程度远远大于正极。随电弧电压提高，焊丝的熔化速 度降低。两焊丝交点与工件间距离的增大，正，负极焊丝的熔化速度均略有减小。 随着焊丝伸出长度的增加，焊丝的熔化速度增大。 关键词：双丝间接电弧焊，电弧特性，电弧形态，熔滴过渡 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 o v e l t yw e l d i n g - t e c h n o l o g y , w h i c hw o r k p i e c ei sn o tl i n k e dt op o w e rs o u r c e ，a r ei si g n i t e da n db u r n sb e t w e e nt h e t w ow i r e s h e a te n e r g yf r o ma r cc o l u m na n dd r o p l e t sa r eu s e dt om e l tw o r k - p i e c e t h e a d v a n t a g e so ft h i st e c h n o l o g ya r el a r g er e g u l a t i n gr a n g eo fh e a ti n p u 4m i n i m u m p e n e c a t i o nr a t i o ，h i g hd e p o s i t i o nr a t e ，h i g hu s a g eo fe l e c l r i ce n e r g ya n dl o ww e l d i n g d e f o r m a t i o na n ds 扛e s s i ti sal d n do fw e l d i n gm e t h o dw i 也h i g hq u a l i t y , h i g h e f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s e r v a t i o n i th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nt h i s p a p e r , t h ew e l d i n gp r o c e d u r e ，a r cc h a r a c t e r i s t i ca n dm e t a lt r a n s f e rb e h a v i o r o f 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 v eb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h e c 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 gp r o c e s s i n gp r o p e r t y , a r cs h a p ea n dm e t a l t r a n s f e rh a v eb e e na n a l y s e db ym e a n so ft h ea u t o m a t i cw e l d i n gd e v i c e ( h o m e m a d e ) ， h i g h - s p e e dc a m e r as y s t e m ( f a s c a ms u p e r - l o k c ) a n do s c i l l o s c o p e ( a g i e n t 5 4 6 2 4 a ) e t c t h et w ow i r e sl i n k e dt ot h et w o - p o l eo fd cp o w e rs o a r c e ( n b c 一3 5 t h u st h e a r cg e n e r a t e sb e t w e e nt h et w ow i r e s d i f f e r e n th e a ti n p u tl e a d st od i f f e r e n tm e l t i n g r a t e ，i fu s i n gt h e $ a l n ec o n t r o l l i n gs y s t e m s ，t h em e l t i n gr a t eo ft h et w op o l ew i l lb e e q u a lt oe a c ho t h e r , w h i c hl e a dt oa s t a b l ea r c t w od i f f e r e n tt y p eo fw i r e - f e e d i n g c o n t r o ls y s t e m sw g i eu s e di no r d e rt oo b t a i nt h ew i r e f e e d i n gs p 恍de q u a lt ot h e m e l t i n gr a t e ，a n df o ro b t a i n i n gs t a b l eb u r n i n g 峨，t h et w ow i r e - f e e i n gs y s t e m sm u s t m a t c ht oe a c ho t h e r r e s n l t si n d i c a t et h a ti n d i r e c ta l cc a ns e l f - r e g n l a t e a n dt h e w e l d i n ga r cc a nb u r ns t a b l yi nt 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 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 dg e o m e t r yd i m e n s i o no fw e l d i n gg u nn o to n l yr e l a t e t 0t h es e r v l c ep e r f o r m a n c e b u ta l s or e l a t et oa r cs t a b l i l y t y , p r e s e r v a t i o no fg a sa n d w e l d i n gq u a l i t y as p e c i a lw e l d i n gg u nw a sd e v e l o p e d i ti sf o u n dt h a tt h ea n g e lo f v m 山东大学博士学位论文 t w i n - w i r ei s3 5 。，a n dt h ee l e c t r o d ee x t e n s i o ni sa b o u tl o 2 0 m mb yt e s t b a s e do nt h e e x p e r i m e n ta n dt h e o r y , t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eg a sf l o w i n g ，as a t i s f y i n gw e l d i n gg u n w a sd e s i g n e d ，a n dw h i c hh a sl a m e u a rf l o w w e l d i n gp a r a m e t e r sh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo na r cs t a b i l i t y , a p p e a r a n c eo f w e l d ，w e l d i n gq u a l i t ya n dw e l d i n ge f f i c i e n c yo b v i o u s l y w e l d i n gc u r r e n t , 黜v o l t a g e e l e c t r o d ee x t e n s i o n ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w ow i r e sc r o s s i n ga n dt h ew o r k - p i e c e a n dw e l d i n gs p e e da r ei 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 w i t ht h ei n c r e a s i n go fw e l d i n gc u r r e n tt h ew e l dw i d t hi n c r e a s e d s o m e w h a t ，a n db o t ht h ew e l dw i d t ha n dp e n e t r a t i o ni n c r e a s e ，t h ea p p e a r a n c eo f w e l d i n gb e c o m e sb e t t e r e l e c t r o d ee x t e n s i o na f f e c t st h eo t h e rp a r a m e t e r s w h e nt h e o t h e rp a r a m e t e r sa r es t a b l e ，w i t ht h ei i l c a s i n go fe l e c t r o d ee x t e n s i o n ，b o t ht h e m e l t i n gr a t eo fa n o d ea n dc a t h o d ea l ei n c r e a s e d ，a sw e ha st h er e i n f o r c e m e n t i n c r e a s e d ，h o w e v e rt h ep e n e t r a t i o nd e c r e a s e d t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w ow i r e s c r o s s i n ga n dt h ew o r k - p i e c ei sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e r , w h i c hi n f l u e n c e so nt h e a p p e a r a n c eo fw e l d w h i l ei ti n c r e a s e s ，w e l d i n gc u r r e n tr a i s e da n da r cv o l t a g e r e d u c e d t h es u i t a b l ev a l u ei s1 0 2 0 m m i no r d e rt og e tb e t t e ra p p e a r a n c eo fw e l dt h e w e l d i n gs p e e dm u s tf i tf o r t h eo t h e rw e l d i n gp a r a m e t e r s 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 ed i s t a n c eb e t w e e nt w ow i r e sc r o s s i n ga n d w o r k p i e c ei n f l u e n c eo na r cs h a p eo ft w i n - w i r ei n d i r e c ta r ew e l d i n g t h en o r m a la r e s h a p ei ss i m i l a rt ot h eg a sw e l d i n gf l a l e t h es e c t i o no ft w i n w i r ei n d i r e c ta r cc a l lb e d i v i d e di n t ot h r e es e c t i o n s ：c a t h o d er e g i o n a r cc o l u m na n da n o d er e g i o n a n da r c c o l u m nw a sd i v i d e di n t oi n n e rc o n ea n df k u n ee n v e l o p e t h e r eh a v eh i g hc h a r g e d p a r t i c l ed e n s i t ya n dh i g he l e c t r i c - f i e l di n t e n s i t yi ni n n e rc o n e i ta d h e r e st ot h e c a t h o d es e c t i o na n dt h ea n o d es e c t i o n b u tt h e r ea r el e s sc h a r g e dp a r t i c l ed e n s i t y , w e a ke l e c t r i c f i e l di n t e n s i t ya n dd i ma r ci nf l a m ee n v e l o p et h a nt h a to fi n n e rc o n e t h ea r cs h a p ei ss c a t t e ra tl o w e rw e l d i n gc u r r e n t y e tw h e nt h ew e l d i n gc u r r e n ti s s u i t a b l e a n o d ef l a l n ea n dc a t h o d ef l 籼eo v e r l a p st oe a c ho t h e r , a n dt h e r ei sn o o b v i o u sb o r d e r l i n eb e t w e e nt h e ms ot h ea r ei sc o n c e n t r a t e t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e b e t w e e nt w ow i r e se n l a r g e dw h e nw e l d i n gc u r r e n ti sh i g h e r , t h u sb o t ho fa n o d ef l a m e a n dc a t h o d en a m eb e c o m el o n g e r , a n dd i s t r i b u t ei n t e r a c t i v e t h ea r cb e c o m e sb r i g h t e r i x a b s t r a c t _ i i i i i i1 1 1 1 1 i i i i i i i i i ii i i i i i i i i l u l - a n dl o n g e rw i t ht h ei n c r e a s i n go f 黜v o l t a g e t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w o w i r e sc r o s s i n ga n dt h ew o r k p i e c er e d u c e d ，t h ea r ce o n c e n u 讹da n db e c a m es h o r t e r a n db r i g h t e r a r cv o l t a g ec h a n g e sp e r i o d i c a l l y , i t sc o r r e s p o n d i n ga r cs h a p ec h a n g e s p e r i o d i c a l l yt o o 。i th a sw e l lc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e na 端v o l t a g ea n d a r c s h a p e 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 gh a st w of o r m so fd r o pt r a n s f e r ：f r e e n i g h tt r a n s f e ra n ds h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r , f r e ef l i g h tu a n s f e rc a l lb 尊d i v i d e di n t d g l o b u l a rt r a n s f e r , p r o j e c t e dt r a n s f e r , s t r e a m i n gw a n s f e r , e t c 。u n d e rc a 嚏溅糕c o n d i t i o no f w e l d i n gp a r a m e t e r s ，a n o d ea n dc a t h o d eh a v ed i f f e r e n tt r a n s f e rm o d e m e t a lt r a n s f e ri s a f f e c t e db yw e l d i n gc u r r e n t ，a r cv o l t a g ea n ds h i e l d i n gg a s 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 ta n da r cv o l t a g e ，t h et r a n s i t i o nf r e q u e n c yi n c r e a s e d 。a n dt h ed r o p l e t b e c o m es m a l l 。a n o d esd r o p l e ts i z ei so b v i o u s l yb i g g e rt h a nt h a to fc a t h o d e t h e t r a n s i t i o nf r e q u e n c yo fa n o d ei sf a s t e rt h a nt h a to fc a t h o d e t h ea n o d e ss t r e a m i n g t r a n s f e rc r i t i c a lc u r r e n ti sf a rl o w e rt h a nt h a to fc a t h o d e d i f f e r e n ts h i e l d i n gg a sh a s d i f f e r e n td r o p l e ts i z e r e s u l t ss h o wt h a tm e t a lt r a n s f e rw i l li n f l u e n c e0 1 1a r cs h a p ea n dl e a dt ot h e f l u c t u a t i o no fa r cv o l t a g e o nt h ec a t h o d ea n da n o d e ss p o tt h ef o r m a t i o n ，g r o w t ha n d t r a n s f o r m a t i o no ft h ed r o p l e t si n d u c et h ec h a n g eo fa r cs h a p ea n df l u c t u a t i o no fa r c v o l t a g e ，c h a n g i n gm e t a lt r a n s f e rp e r i o n d i c a l l y , a r cv o l t a g ec h a n g e dp e r i o n d i c a l l y , a n d t h ec o r r e s p o n d i n ga r cs h a p ec h a n g e dp e r i o n d i c a l l yt o o ，t h e r eh a sw e l lc o s r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea r cv o l t a g ea n d t h ea r cs h a p e t h ew e l d i n gr a t eo fa n o d ea n dt h a to fc a t h o d ei sn o te q u a lc a t h o d e sm e l t i n g s p e e di sf a s t e rt h a nt h a to fa n o d e 。a n d 硒蠡t h ei n c r e a s i n go fw e l d i n gc u r r e n tt h e a n o d e sm e l t i n gr a t ei n c r e a s e df a s t e rt h a nt h a to fc a t h o d e w i t ht h ei n c r e a s i n go fa 聪 v o l t a g e 。t h em e l t i n gr a t ed e c r e a s e d w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w ow i r e sc r o s s i n g a n dw o r k p l e c ei n c r e a s e sb o t ha n o d e sm e l t i n gr a t ea n d 、c a t h o d e sm e l t i n gr a ma r ca l l r e d u c e d w h i l ee l e c 据o d ee x t e n s i o ni n c r e a s e dt h er e s i s t a n c eh e a te n h a n c e dw h i c hl e a d t or a i s i n go fm e l t i n gr a t e k e yw o r d s ：t w i n w i r ei n d i r e c ta i cw e l d i n g , a l cc h a r a c t e r i s t i c 。粼s h a p e ，m e t a l t r a n s f e r x 山东大学博士学位论文 缩写及符号说明 s m a w s h i e l d e dm e t a l a w e l d i 药皮焊条电弧焊 g t a w g a s t u n g s t e na r cw e l d i n g ，钨极气体保护焊 g m a w g a sm e u da r cw e l d i n g ，熔化极气体保护焊 f c a w f l u xc da r cw e l d i n g 药芯焊丝电弧焊 s a w s u b m e r g e da w e l d i n g , 埋弧焊 p a w p l a s m aa w e l d i n g , 等离子弧焊 d c r p d i f e c tc m e 址r e v e r s e dp o l a r i t y , 直流反接 d c s p d i r e c tc u r r e n ts 啦i g 虹p o l a r i t y , 直流正接 ，w e l d i n gc u r r e n t ( 焊接电流) 。a c ，a r cv o l t a g e ( 电弧电压) ，v p w e l d i n gr a t e ( 焊接速度) ，n ，8 g - 一m c l 衄g r a t e ( 熔化速度) ，g so rm l b $ 暮口一d e p o s i d o n r a t e ( 熔化速度) g ，s 。，m e l 吐n gc o e t l i c i e e ( 熔化系数) ，f ( a h ) 口日d e p o s i d o nc o e f l i c i e 皿( 熔敷系耋b 。趴a 原创性声魄 本人察重声臻：所量交麓擎蕴谂文，怒本人在导掰麴搀导下，独立遴 行研究所取得的成果。除文中已经注明葶 用的内容外，零论文不包含任何 其他个人或集体已经发袭溅撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 麸黪个人爨褰薅，蚜爨袭文中漤嗔确方式稼臻。奉声骥戆法律责饪蠢奉入 承担。 论文佟老签名： 整煎耋 趱 关予学位论文使爆授权酶声蹲 本久究奎了解鑫客大学骞关攥蜜、筏麓学蕴论文静瓣建，疑意学校保 留或向闲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默将本学位论文的全部或部分内容编入有关 鼗撂摩进行梭索，霹苏采褥影露，缭露裁箕憩复蓑手段稼存论文雾茳缡零 学位论文。 ( 保密谂文在解密后应遵守北援定) 论文襻者签名：越得师签名：复轼 舀期：型：! ! ：型 山东大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的意义 近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的快速发展，极大的推动了 焊接技术的发展。伴随着产品、材料、使用条件的多种多样，对焊接质量的要求 越来越高，因此如何研究优质、高效的焊接技术来满足当前工业发展的需要，是 焊接工作者面临的重要任务【1 l 。提高焊接生产效率和焊接质量的优质高效焊接方 法成为实际生产的迫切要求。生产中的焊接对象不同，提高焊接效率的出发点也 不相同：厚板焊接以提高熔敷率为主，而薄板以高速焊接为主。 从焊条电弧焊发展到气体保护焊和埋弧焊是一大进步，质量和效率都能提 高，也有利于实现机械化和自动化 2 5 ，因此，发展和扩大气体保护焊的应用领域 是非常有意义的工作。双丝焊接可以提高焊接生产效率，因此其应用范围也越来 越广。 在提高焊接生产率、熔敷速度， 上，主要是通过对现有工艺的改进 和提高。目前应用的各种电弧焊方 法一般是焊条( 丝) 接电源一极， 工件接电源另一极，电弧在焊条 ( 丝) 与工件之间燃烧，焊条( 丝) 和工件均是焊接电路的部分，如 图1 1 所示，被焊工件从电弧中吸 收能量熔化母材，形成熔池。 消除焊接应力、变形、热影响区的影响问题 图l 1 一般电弧焊示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m o f c u r r e n t l y 瓣w e l d i n g 双丝间接电弧气体保护焊示意图如图1 2 所示，两焊丝分别接电源的正负极， 工件不接电极，焊接时在两焊丝之端部形成单一的电弧。该方法阴阳极活性斑点 分别在两焊丝端部，电弧热量基本上都用来熔化焊丝，而只有很少一部分电弧热 直接熔化母材，因此其熔敷速度高，电能利用率高。双丝间接电弧气体保护焊可 以在离工件不同的空间进行引弧和燃烧，主要利用弧柱及熔滴携带的热量来熔化 母材进行焊接，改善了被焊工件的热循环。 第一章绪论 图1 2 双丝间接电弧气体保护焊示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w i n - w i r ei n d i r e c tm - cg a ss m i e l d e dw e l d i n g 电弧是各种电弧焊的能源。焊接电弧的物理特性尤其是热特性对焊丝( 条) 的加热和熔化、熔滴的过渡、熔池和焊缝的形成以及焊接接头的性能等均有直接 影响。而熔滴的过渡行为对控制焊接飞溅和焊接质量具有重要作用。通过对熔滴 过渡的研究可以分析熔滴过渡过程的机理及其影响因素进而优化焊接工艺参数， 另外，熔滴过渡的研究可以为新工艺的开发提供理论依据。因此，对焊接电弧及 熔滴过渡进行深入研究是非常有意义的。焊接电弧及熔滴过渡一直是国内外科技 工作者关注的热点问题 3 。5 l 。目前，国内外针对传统焊接电弧的物理特性和熔滴 过渡现象已开展了大量的研究工作妒卿，为焊接电弧的工程应用和新型焊接方法 的开发提供了理论依据。传统的电弧焊与本文研究的双丝间接电弧气体保护焊工 艺的电源两极接线方法不同，进而其电弧特性和熔滴过渡及其对母材的加热和影 响也不相同。 双丝间接电弧气体保护焊电弧是一种新条件下产生的电弧。这种新型电弧的 形态、电弧的静特性、动特性及其伴随的熔滴过渡现象，与工件接电极的普通电 弧有很大的区别。目前，针对双丝间接电弧气体保护焊及其电弧特性和熔滴过渡 行为的研究国内外研究甚少，对这种新型电弧及熔滴过渡的认识和了解十分贫 乏。因此研究双丝间接电弧气体保护焊的电弧特性有一定的意义。 1 2 高效电弧焊及其发展 1 2 1 电弧焊的发展及其高效化 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，但是到十九世 纪末电力生产得到发展以后才有条件来研究它的实际应用。1 8 0 1 年，俄国人彼 2 山东大学博士学位论文 得洛夫教授首先发现电弧，并指出可利用电弧来熔化金属。但是由于电力工业不 够发达，无法提供维持电弧稳定燃烧的足够功率的电源，而且焊接冶金也未能解 决焊缝质量问题，因而电弧焊并未得到应用。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。1 8 9 2 年金属极电弧被发现后， 尤其是1 9 2 0 年出现了药皮焊条后，电弧焊才开始逐渐真正应用于工业生产。2 0 世纪4 0 年代随着熔炼技术及电子技术的发展，出现了埋弧自动焊。它提高了焊 接生产率，大大减轻了焊工的劳动强度，但是由于焊剂的成分中多含有金属氧化 物和非金属氧化物，因此难以用来焊接铝、镁、钛等活泼金属及其合金。在第二 次世界大战中，由于航空工业的迅猛发展，出现了大量的合金、不锈钢等金属材 料制成的飞机和航空发动机的焊接零部件，而且焊接接头质量要求高，采用已有 的焊接方法已不能适应和保证优质的焊接接头。为适应战争的需要，出现了钨极 氩弧焊。这种焊接方法受钨极电流的限制，焊接电流不能过大，而且向焊缝中添 加焊丝又不方便，因此不适于焊接厚件，焊接生产率也不商。4 0 年代末出现了 熔化极氩弧焊，适合焊接铝及其合金等活泼金属及合金。这种焊接方法由于氩气 较稀缺和昂贵，因此成本高。5 0 年代初期出现了c o s 气体保护焊。具有高效、节 能、成本低、工件变形小等优点，现已成为焊接碳钢、低合金结构钢的最常用方 法。 在电弧焊接生产中，一直都在努力提高生产率、降低成本。解决这个问题首 先是推广高效焊接工艺，如熔化极气体保护焊( g m a w ) 、埋弧焊( s a w ) 等； 同时，也在原有焊接工艺基础上，开发各种高效焊接工艺，提高焊接质量。从焊 接方法本身提高焊接生产率有以下途径：一是提高焊接熔敷率，例如， t l 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 g e r g y ) 焊、双( 多) 丝焊、填加金属粉末焊 接、复合热源焊接等；二是减少接头所需的熔敷金属量，最典型的是窄间隙焊接 工艺。这里仅对双( 多) 丝焊、埋弧焊以及提高焊条电弧焊的方法进行评述和总 结。 ( 1 ) 双丝焊 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 玲1 1 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 电弧吹力增大，熔化金属凝固之前不能充分填满弧坑；在高速焊中产生气孔是由 第一章绪论 于熔池金属凝固之前，溶解在熔池中的气体来不及聚集浮出熔池。 双丝焊工艺能缓解上述问题。对于一个给定的焊接电流，双丝焊的熔池较大； 在熔池凝固之前，能够使用更高的焊接电流，迅速填满弧坑，也就意味着更高的 熔化速度和熔敷速度，所以对于特定的焊丝直径能够增大焊接速度。当焊丝纵向 排列时，熔池被拉长，相对于单丝焊，母材更长时间的接触高温的熔池，因此增 加了母材的熔化量，另外，增大焊接速度能减小焊接接头的线能量，使得焊薄板 时减小了焊接变形。双丝焊减少气孔是因为延长了脱气时问，并且双丝焊对熔池 搅拌作用较强，这也使得溶解在熔池中的气体能更多地扩散到大气中。 双丝焊能够增加焊接熔敷速度，它适用于各种弧焊方法。对于双丝焊的研究， 国内外都是从双丝埋弧焊开始的 1 2 - 1 5 j ，该技术已经在生产中得到了应用峥埘， 后来又在窄间隙焊上得到了应用【l 羽。熔化极双丝气体保护焊的最早应用是在 1 9 5 5 年【l 明。由于熔化极气体保护焊具有高效、节能、价廉、可见性好、便于使 用等优点，所以8 0 年代中期以来，在国内外成为重要的焊接方法，而且在先进 工业国家的应用比例越来越大。近几年为提高气体保护焊速度和效率，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 0 - 2 9 j 。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 1 2 - t 4 1 ，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1 9 捌、c 0 2 t 2 7 1 或它们的 混合气体 2 0 , 2 4 , 2 8 - 2 9 1 ，焊丝可为实芯焊丝或药芯焊丝f 瑚，焊丝直径一般较细。这 里需要强调的是，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。 根据电源接线方式的不同，双丝焊主要可分为纵列双丝焊、横列双丝焊、预 热填丝焊和串联双丝焊等。纵列双丝焊是国内外研究最多，应用最广的双丝焊方 法【1 5 1 7 , 2 0 - 2 2 , 2 7 冽。 纵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 护焊时这种纵列双丝焊接线方式又叫做t a n d e m 双丝焊( 如图1 3 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 4 山东大学博士学位论文 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。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2 9 捌。我国珠海雅各臣有限公司也从德