（材料加工工程专业论文）非熔化极旁路耦合电弧mig焊接实验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 高效化焊接是焊接技术未来发展的的重要方面之一。针对现有高效g m a w 方 法存在的不足，提出了旁路耦合电弧g m a w 方法，并对其中的非熔化极单旁路耦 合电弧m i g 焊进行了深入研究。 首先，建立了一套用于非熔化极旁路耦合电弧m i g 焊接研究的实验平台，包 括实验系统，电流电压信号采集系统，视觉图像采集系统和温度采集系统。用 l a b v i e w 软件编写了多信号高速同步采集程序。 利用电弧形态采集系统采集非熔化极旁路耦合电弧电弧的形态，对比不同焊 枪几何参数电弧形态，试验研究旁路电极角度、距离与主弧相对位置等几何参数 对旁路电弧m i g 焊系统稳定性及电弧形态的影响规律，通过电弧电参数和几何参 数的测量与分析建立耦合电弧从稳定态发生跳弧钨极烧损的临界条件，得到最佳 单旁路耦合电弧m i g 焊焊枪电极几何参数。 进行碳钢和不锈钢焊丝堆焊试验，并对采集得到的电流电压、图像信号对焊 缝成形的影响进行了对比分析；然后对不同旁路电流参数对熔深熔宽的影响进行 了研究；对具体的工件，研究了其最佳的焊接工艺规范。针对工艺试验结果，进 行了焊缝金相分析试验。最后，设计了稳定母材电流的p i d 控制系统。 本文初步研究表明，旁路耦合电弧m i g 焊接方法可实现较低母材电流条件下 的大电流焊接，薄板高速焊接焊缝成型良好，是一种值得深入研究与应用的高效 焊接方法。 关键词：旁路耦合电弧；高效m i g 焊；信号采集；l a b v i e w ；高速焊接 1 f 熔化极旁路耦含电弧m i g 焊接实验研究 a b s t r a c t h i g h - e f f i c i e n tw e l d i n gi so n ei m p o r t a n ta s p e c ti nt h ef u t u r ed e v p l o p m e n to f w e l d i n gt e c h n o l o g y i nv i e wo ft h ei n s u f f i c i e n c yi nh i g h - e f f i c i e n tg m a w , t h i sa r t i c l e p r o p o s e dt h eb y p a s sc o u p l i n gw e l d i n ga r cg m a wm e t h o d ，a n dm a d ed e e pr e s e a r c ho n n o n m e l te x t r e m e l ys i n g l eb y p a s sc o u p l i n ge l e c t r i ca r cm i g w e l d i n g f i r s t l y , t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mw h i c hi su s e df o rt h en o n m e l te x t r e m e l yb y p a s s c o u p l i n ge l e c t r i ca r cm i gw e l d i n gr e s e a r c hh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n ge x p e r i m e n t s y s t e m ，e l e c t r i cc u r r e n tv o l t a g es i g n a lc o l l e c t i n gs y s t e m ，v i s u a li m a g ec o l l e c t i n gs y s t e m a n d t e m p e r a t u r ec o l l e c t i n gs y s t e m a n d t h e nt h e m u l t i - s i g n a lh i g hs p e e d s y n c h r o n i z a t i o nc o l l e c t i n gp r o c e d u r eh a sb e e nc o m p i l e dw i t ht h el a b v i e ws o f t w a r e u s i n gt h ee l e c t r i ca r cs h a p ec o l l e c t i n gs y s t e mt oc o l l e c tt h en o n c o n s u m a b l e e b y p a s sc o u p l i n gw e l d i n ga r c ss h a p e ，d i f f e r e n ta r cs h a p e sw h i t hd i f f e r e n tw e l d i n gt o r c h g e o m e t r i cp a r a m e t e r sw a sc o m p a r i s e d t h es t a b i l i t ya n da r cs h a p e si n f u l e n c el a wo f b y p a s sg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，s u c ha se l e c t r o d ea n g l e ，d i s t a n c ea n dm a i na r cr e l a t i v e p o s i t i o nw a sr e s e a c h e di nt h i sp a p e rh a v i n gs u r v e i e d ，a n a l y s i s e dt h ea r c i n gc u r r e n t p a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s a n de s t a b l i s h e dt h ec r i t i c a lc o n d i t i o nw h e n t u n g s t e ne l e c t r o d ea b l a t i n g ，t h eb e s tw e l d i n gt o r c he l e c t r o d eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f s i n g l eb y p a s sc o u p l i n g a r cm i g w e l d i n gw a s o b t a i n e d s u r f a c i n gw e l d i n ge x p e r i m e n tu s i n gc a r b o ns t e e la n dt h es t a i n l e s ss t e e lw e l d i n g w i r ew a s f i r s t l yc a r r i e do n ，a n dt h e nt h ei n f l u e n c e sc a u s e db ye l e c t r i cc u r r e n tv o l t a g e s i g n a la n dt h ei m a g es i g n a lw a sa n a l y s i s e d ；t h ei n f u l e n c et ow e l d i n gp e n e t r a t i o na n d p o o lw i d t hc a s u e db yd i f f e r e n tb y p a s se l e c t r i cc u r r e n tp a r a m e t e r sw a sa l s or e s e a c h e d ； t ot h ec o n c r e t eb a s em e t a l ，i t sb e s tw e l d i n gp r o c e s ss t a n d a r dh a sb e e ns t u d i e d i nv i e w o ft h ee n g l n e e rt e s t i n gr e s u l t ，w e l dm e t a l l o g r a p h ya n a l y t i c a l i n v e s t i g a t i o nh a sb e e n c a r r i e d f i n a l l y , p i dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dt os t a b l i z et h ew o r k p i e c ee l e c t r i c c u r r e n t t h i sa r t i c l ep r e l i m i n a r ys t u d yi n d i c a t e dt h a tt h eb y p a s sc o u p l i n ge l e c t r i ca r cm i g w e l d i n gm e t h o dc a nr e a l i z eh i g h - c u r r e n tw e l d i n gu n d e rl o ww o r k p i e c ec u r r e n t ，a n dt h e t h i nb o a r dh i g h - s p e e d w e l d i n gc a l lg e tg o o dw e l d i n gs h a p e i ti s o n ek i n d o f h i g h - e f f i c i e n tw e l d i n gm e t h o dw o r t hd e e p l yr e s e a r c h i n ga n dw i d e l ya p p l y i n g k e yw o r d ：b y p a s sc o u p l i n gw e l d i n ga r c ；h i ：g h e f f i c i e n tm i gw e l d i n g ；s i g n a l c o l l e c t i n g ；l a b v i e w ；h i g h s p e e dw e l d i n g 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文足本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本沦文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：印彳午 日期：夕一。7 9 - ：多月口占日 日期：夕一。 易月口舌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位沦文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：铝与午袍 作者签名：1 与1l 。 1 匕 导师签名：历多孑 日期：，净 日期少哆年 ， o 月o6 日 参日o6e l 硕一i ：学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着我国制造业的迅猛发展和焊接技术的不断进步，焊接结构得到了越来越 广泛的使用，每年的焊接工程量巨大并逐年递增，这就对焊接效率提出了更高的 要求。在诸多焊接方法中，由于m i g m a g 焊易于实现自动化焊接，具有生产效 率高、可以全位置焊接、节能、接头质量好等优点，成为高效化焊接方法的重要 选择。以发达国家美国和日本为例气体保护焊在整个焊接工艺中所占的比例约为 7 0 左右，而我国在2 0 0 5 年才达到2 5 的水平【，因此m i g m a g 焊在我国具有 极大的发展空间和潜力。但传统m i g m a g 焊工艺能达到的最高送丝速度小于1 6 1 8 m m i n ，最高焊接速度低于l m m i n ，为了适应现代焊接生产高效率的要求，进 一步提高m i g m a g 焊生产效率的研究成为近年来焊接领域的热点问题之一1 2 】。实 现高效m i g m a g 焊需要解决的主要问题是要保证大电流和高焊速条件下熔滴过 渡、电弧形态和熔池流动的稳定性。针对以上问题国内外研究者采用不同的解决 方法发展出了一些高效m i g 脚焊方法如双丝高速焊系统、t i m e 焊系统、磁 控大电流焊系统、激光一m i g 复合焊系统等并在一些产品的生产中得到了成功地 应用。但高效m i g 脚焊技术的发展仍然存在一些问题，如设备复杂成本高、 有些方法需要特殊气体或焊接材料、薄板和超薄板焊接效果欠佳等缺点限制了它 们在某些应用场合的推广和应用。 1 2 高效焊接国内外研究现状 随着焊接技术的发展，高效焊接越来越受到生产厂家的重视，逐渐成为造船， 汽车、工程机械、化工能源等生产行业研究和应用的热点【3 1 。近年来，激烈的市场 竞争环境和工业需求的急剧扩大更是推动了新型高效化焊接技术的产生和发展。 高效化焊接的标志是在保证焊接质量的前提下提高焊接效率。实现高效焊接主要 有两个途径：一是大幅提高焊接速度；二是大幅提高熔敷率，但一般来讲这两方 面的提高最终都要归结为焊接电流的大幅提高。但大焊接电流会导致作用于熔滴 和熔池的电弧力急剧增加，破坏焊接过程的稳定性并使母材热输入高而导致焊缝 组织变差、焊接变形变大。提高焊速后，虽然可以降低热输入，但熔滴过渡和熔 池流动状态的不稳定仍然会导致焊缝咬边甚至“驼峰”焊道”】。为了获得稳定的高 效m i g m a g 焊过程，国内外焊接工作者对高速焊接时缺陷产生的机理、稳定大 规范条件下的熔滴过渡和熔池流态、控制焊接热输入等方面入手进行了大量卓有 成效的研究工作，在此基础上也发展出了多种高效m i g m a g 焊接方法，很多已 开始应用于实际生产中。 非熔化极旁路耦含电弧m i g 焊接实验研究 1 2 1t i m e 焊 传统单丝m i g 脚焊提高熔敷率的措施是增加送丝速度和提高焊接电流， 但随着送丝速度和电流的提高熔滴过渡变为不稳定的旋转射流过渡，会产生大量 飞溅，对熔池的剧烈搅动也会导致焊接缺陷的产生，因此解决旋转射流过渡的稳 定问题是实现单丝大电流m a g 焊的关键。利用焊接保护气体对熔滴过渡和电弧的 重要影响，j o h nc h u r c h 首先发明了称为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 ) 的4 元混合气体保护m a g 焊【5 l ，在大电流m a g 焊条件下得到了稳定的旋转射流 过渡，并由f r o n i u s 公司实现了该项技术的产业化。t i m e 焊可以极大地提高焊 接熔敷率，送丝速度可达到2 8 。5 0 m m i n ，最大熔敷率达4 3 0 9 m i n ，熔敷效率为传 统m i g m a g 焊的3 倍。德国国林德公司的l i n f a s t 方法同样采用了多元保护气， 能达到类似的焊接效果【6 】。但无论是t i m e 焊还是l i n f a s t 焊保护气组分中均 含有昂贵的h e 气，而我国是h e 资源贫瘠的国家。另外实现t i m e 焊或l i n f a s t 焊工艺还需配以专用高性能焊接电源，对焊丝表面粗糙度和送丝装置也有较高要 求，使得该方法的焊接成本较高，限制了其在我国的使用。 1 2 2 磁控m a g 焊 文献【7 8 1 提出了磁控大电流m a g 焊方法实现对不稳定旋转射流过渡的有效 控制。分析了由于导电流体的旋转而引起的周向电流，以及由于周向电流与外加 磁场的相互作用而产生的对熔滴过渡过程的影响。通过试验验证了外加磁场可以 有效的控制高效m a g 焊接的旋转射流过渡过程。得到稳定性好、可控性好的旋转 射流过渡，实现了在连续大电流的区间获得稳定的无氦保护的低成本高效m a g 焊 工艺，具有较好的应用前景。 以上通过保护气或磁控方法保证大电流焊接是旋转射流过渡稳定的高效焊接 方法适合中厚板高熔敷率焊接，而对薄板高速焊接由于电弧力较大容易导致焊穿， 而且对母材热输入容易产生焊缝成型缺陷。 1 2 3 激光一m i g 复合焊 利用不同种类的电弧或其它热源与m i g m a g 电弧复合形成复合热源，一是 可以充分发挥不同热源的优点形成优势互补，二是可以改变磁场、力场、流场及 热场的分布，有利于实现稳定的高效m i g m a g 焊过程。文献【9 】首先发展了激光 与电弧复合热源方法，在此基础上逐渐发展的激光一m i g 复合焊方法由于焊接效 率高、焊缝质量好、焊接变形小近年来受到国内外学者的广泛关注i l o l 。文献【1 1 】 研究了y a g 激光与脉冲m i g 电弧复合焊工艺，探讨了各种规范参数对焊缝成形 的影响规律及激光与电弧的复合作用。结果表明，在比较宽的参数范围内铝合金y a g 激光一脉冲m i g 复合焊缝成形美观，无气孔等缺陷，熔深与激光单独焊比增加4 倍， 硕士学位论文 与脉冲m i g 焊接比增加1 倍以上，焊速可以显著提高。文献【1 2 j 利用试验对比了m i g 焊和激光一m i g 复合焊在焊接效率上的差别，结果表明激光一m i g 复合热源焊接 技术可以用高于m i g 焊0 6 6 5 倍的焊接速度和更小的焊接热输入获得与m i g 同样的焊缝熔深。文蒯1 3 】研究了m i g 焊和c 0 2 激光一m i g 复合焊的焊接效率、 组织以及力学性能之间的区别。结果表明，激光m i g 复合焊的焊接效率是m i g 焊 的5 倍，焊接熔深更大，接头的抗拉强度也有较大地提高。复合焊的焊缝组织比 m i g 焊的更加细小。文献1 1 4 l 设计了一种新型试验方法测量了不同焊接电流与电弧 位置对激光能量的影响规律，对分析复合热源焊接机理、合理选择工艺参数有指 导意义。一些国外公司如f r o n i u s 等已实现了激光一m i g 复合焊技术的产业化，并 有成套设备提供。激光一m i g m a g 复合焊接在中厚板焊接中有比较明显的优势 【1 5 】，目前主要应用在石油天然气管道焊接、造船业、航空航天以及汽车制造业中i l 引。 激光一m i g 复合焊主要的缺点是设备价格十分昂贵，维护费用也较高，使得焊接 成本较高，限制了其在一些产品中的应用。 1 2 4 多丝焊接 采用多丝焊接技术实现单面多弧焊，可以大幅度提高焊接速度，减少单位时 间内焊缝的热输入，可以用于薄板的高效焊接。焊接工作者发展了多种多丝焊接 方法 1 7 1 9 1 ，其中的t a n d e m 双丝焊是近年来发展起来的一种较为成功的高效 m i g m a g 高效焊接方法，焊接熔敷率可以达到2 0 k g h ，焊速可达5 m m i n l 2 0 1 。国 外一些著名的焊接设备制造企业如奥地利f r o n i u s 、德国c l o o s 、日本o t c 都相 继推出了商品化的t a n d e m 双丝焊接系统。国内外学者也开展了大量t a n d e m 双丝 焊方面的研究。文献【2 0 】研究了t a n d e m 焊枪几何结构及主丝和从丝电流波形及分 配比对焊缝成型及质量的影响规律，并得到了优化的焊枪参数及电流匹配规则。 文献【2 1 ，2 2 】在深入分析双丝焊工艺要求的基础上，引入新型双闭环控制模式，实现 了适合双丝焊要求的脉冲焊电源动特性、外特性。为减少双丝焊电弧之间的干扰， 将c a n 总线技术成功应用于双丝焊装备的通信控制中，设计了双丝焊装备的协同 控制装置。文献【2 3 】利用自主开发的双丝焊接系统，获得了焊接过程中一系列电流 波形和熔滴过渡的高速摄像图片，讨论了脉冲频率变化时，双丝脉冲mi g 焊焊接 过程中产生的一脉一滴、一脉多滴和多脉一滴的熔滴过渡特征。由于t a n d e m 双丝 焊接过程需要两组高性能脉冲电源，并要求两组脉冲的同步控制，焊枪及送丝系 统也比较复杂，因此设备成本高，工艺参数匹配复杂等问题是限制双丝焊接大面 积推广应用的主要因素。 根据文献【2 4 】建立了描述熔敷金属表面形状的静态平衡模型，应用该模型对高 速焊时影响焊缝咬边的因素进行了计算与讨论，指出增大材料润湿性，减小熔宽， 增大单位长度上的熔敷金属量是减小咬边倾向的途径。文献 2 5 认为在大电流焊 非熔化极旁路耦合电弧m i g 焊接实验研究 接条件下，电弧压力增加，其对熔化金属的挖掘作用占了主要的比重，电弧力的 作用迫使更多液态金属向电弧后方聚集导致咬边或驼峰焊道的形成。电弧压力越 大产生缺陷的缺陷也越大。由于电弧压力与焊接电流为平方关系，因此在大电流 条件下更容易产生焊缝成型缺陷。由文献 2 4 ，2 6 ，2 7 】的研究可知，随着焊接速度的 提高，要增大焊接电流以提高焊丝的熔化速度，同时要在焊丝和母材之间合理分 配热量，减少对母材的热输入保持母材熔深不变才能避免高速焊接焊缝成形缺陷 的产生。因此为了实现高速焊接，防止焊缝成形缺陷，一方面要减小对母材的热输 入和电弧压力，同时还要增大通过焊丝的焊接电流。 1 3 旁路耦合电弧g m a w 焊接国内外研究现状 对于常规m i 咄g 焊以及上述的一些高效m i g 焊方法，通过焊丝的焊 接电流就等于作用在母材上的焊接电流如果要提高焊丝的熔化速度，就必然增加 了对母材的热输入和电弧压力因而无法根本解决这一矛盾。针对这一矛盾，美国 肯塔基大学张裕明教授在2 0 0 7 年提出了基于旁路电弧的双电极g m a w 方法( 简 称d e g m a w ) 【2 8 1 。该方法从本质上有别于其它现有的多弧焊接方法，其基本原 理是在焊丝与工件的电弧中间并入等离子或t i g 旁路电弧对流入母材的电流进行 分流，该方法能够在高熔敷率下有效地控制母材热输入和电弧压力，并可以通过 调节旁路电弧参数实现焊丝和母材之间热量的合理分配。这些特点为优化高速焊 工艺和便于过程自动控制奠定了基础。同时，该方法对焊接电源的要求较低，采 用常规非脉冲电源即可实现对熔滴过渡过程的控制，有利于实现低成本的高效 m i g ，m a g 焊接。 山东大学武传松教授与张裕明教授对d e g m a w 高速电弧焊工艺机理进行了 合作研究 2 9 ，3 0 l ，解释了高速焊接工艺的机理，并建立了适用于焊接工艺的有限 元模型，对该工艺条件下的温度场、应力一应变场进行了数值模拟，为焊接工艺 参数优化提供了依据。 兰州理工大学石圩副教授与张裕明教授对旁路电弧g m a w 高效焊方法进行 了进一步合作研究，在d e g m a w 的基础上提出了双旁路g m a w 方法及工艺， 并对更高熔敷率的双熔化极旁路g m a w 焊工艺进行了初步研究。在文献 3 1 1 q j 提 出了一种新型的双旁路电弧g m a w 焊接系统，与单旁路d e g m a w 焊过程相比， 由于双旁路电弧使熔滴受力对称，使得熔滴入射角不随旁路电弧参数的变化而变 化，工艺过程变得稳定。而且当左右旁路电弧电流反相位脉冲变化时，可以使主 弧和熔滴入射角发生可控的摆动，可以更加灵活地调整和控制熔滴过渡和母材热 输入。通过试验证明在焊接过程中通过旁路电极产生旁路电弧和旁路电流，可实 现保持熔化焊丝的总电流保持不变的情况下，控制流经母材的电流，这样就可以 对熔化焊丝的电流和作用于熔池的焊接热输入及电弧力分别调节。图l 是铝合金 焊接时旁路电弧g m a w 系统的电弧照片图2 是一次铝合金焊接试验过程中的电 流分配情况。从图中可以看出熔化焊丝的电流达到2 3 0 a ，而流过母材的电流只有 3 0 a 时仍能保证焊接过程稳定。在文献【3 2 】中发现在双旁路电弧m i g 焊接时，可 以保证焊接规范在很大范围内变化时即使总电流低于喷射过渡临界电流时仍稳定 在射滴过渡，没有飞溅。并对双旁路m i g 焊过程的熔滴受力进行了分析，初步解 释了旁路电弧影响熔滴过渡并极大地降低喷射过渡临界电流的原因。通过不同旁 路电弧参数下熔滴过渡高速摄影分析了旁路电弧参数对熔滴过渡的影响。 c u r r e n t ? 。一。+ 4 、 、。n 。，一。 。一一一一一一，= i u n b m * h n r i g m k 景o = ! 一一 fe 1 c 岍 5 3 0 0 0 图1 燃弧状态图2 焊接电流分配 在文献 3 3 1 中对旁路电弧对焊缝热输入和熔深的影响进行了试验研究，并与传 统脉冲焊结果进于 = 了对比。结果表明该方法在保证高焊照熔化电流的条件下可以 有效降低母材热输入，通过控制旁路电弧参数可以在等熔化率和焊丝熔化总电流 的情况下调节焊缝熔深。并对美国l o sa l a m o s 国家实验帘提供的某核设施上使用 的铝合余特殊部件制定了双旁路电弧m i g 焊试验工艺，该部件对焊缝背面温度和 熔深有严格的要求。试验表明该方法可以达到其工艺要求。 石圩副教授在美国肯塔基大学合作研究期问，在美国肯塔基大学李克海博士 前期工作的基础上，对高熔敷率的双熔化极旁路电弧m a g 焊系统( 即旁路电弧为 熔化板电弧) 进行了研究i 。主要枷步建立了稳定焊接过程的控制系统，通过试 验分析了不同旁路电弧参数对焊接过程稳定性和焊缝成型的影响，通过高速摄影 系统采集了大量不同参数下双熔化极焊丝的熔滴过渡的形态，发现不同旁路电弧 参数条件下t 弧和旁路电弧熔滴过渡形态和熔滴入射角发生了很大变化，进而会 对焊缝成型和焊接过程有无飞溅等产生明显的影响。以l 前期研究工作为进一步 研究双熔化极旁路高效m a g 焊系统积累了必要的数据。图3 是其中的几种不同规 范下的双熔化极旁路电弧m a g 焊熔滴过渡和电弧形卷。 ( a )( b )( c ) ( d ) 图3 不同规范下的双熔化极旁路电弧m g 焊熔滴过渡和电弧形态 1 4 本文的主要工作 通过前文的阐述可知目前国外对非熔化极旁路耦台电弧m i g 焊这种方法的 研究刚刚起步，研究方向主要集中在焊接方法原理性研究，而对实际焊接工艺应 用在国内较少。本文从这一研究出发，制定了主的研究内容。 ( 1 ) 建立非熔化极旁路耦合电弧m i g 焊试验平台，研究非熔化极单旁路电 弧和双旁路电弧与m i g 主弧之间耦合作用。试验研究旁路电极角度、距离与主弧 帽对位置等几何参数对旁路电弧m i g 焊系统稳定性及电弧形念的影响规律，通过 电弧电参数和几何参数的测量与分析建立耦合屯弧从稳定态发生跳弧成为不稳定 忐的l 临界条件，得到最佳单旁路电弧和取旁路电弧m i g 焊枪电极几何参数。 ( 2 ) 试验研究非熔化极旁路电弧m i g 焊方法在不同母材给定热输入( 或熔 深) 条件下，焊速、焊丝熔化电流、旁路电流的参数匹配关系。建立不同给定热 输入条件下稳定高速焊接和高熔敷率焊接时电流、电压合理分配的参数模型。通 过建立非熔化旁路电弧m i g 焊控制系统，实现稳定的高速焊接过程。 ( 3 ) 采用非熔化极旁路电弧m i g 焊方法对不锈铡堆焊和薄板高速焊工艺进 行研究，并测试分析工艺参数对焊缝成型的影响。并设计薄板高速堆焊的稳定母 材电流的p i d 控制系统。 硕l j 学何论文 第二章非熔化极旁路耦合电弧法m i g 焊焊接试验 平台设计 非熔化极旁路耦合电弧法m i g 焊焊枪机构是有别于传统m i g 焊的重要特征之 一，焊枪机构几何参数直接影响着焊接电弧的稳定，焊缝成型和性能等方面。基 于这个出发点，本章设计了非熔化极旁路耦合电弧法m i g 焊枪机构，并在此基础 上构建了试验和测量系统。 根据所需达到的目标以及所要实现的功能，对于本数据试验平台可划分如图 2 1 所示四部分：试验系统、电流电压采集系统、图像采集系统和温度采集系统。 1 图2 - 1 试验平台组成示意图 2 1 非熔化极旁路耦合电弧法m i g 焊试验系统 2 1 1 非熔化极单旁路耦合电弧法m i g 焊试验系统 图2 - 1 非熔化极单旁路耦合电弧法g 焊试验系统结构 如图2 1 所示，非熔化极单旁路耦合电弧法m i g 焊试验系统包括两套焊接电 源，主电源为恒压电源，采用德国克鲁斯( c l o o s ) 公司生产的g l c3 5 7 5 5 3m i g m a g 1 r 熔化极旁路梢合l u 弧m i g 焊接实验研究 焊机和c k 7 2 送丝机是一元化调节的焊接电源。旁路电源为恒流电源，采用 w s m 2 0 0 型逆变式t i g 电源，表2 1 列出了电源的部分参数。两个电源分别与一 个m i g 焊枪和一个t i g 焊枪相连。因此，填充焊丝的总熔化电流为： ，= b + 厶y ( 1 ) 其中：i c v 为流入母材电流，i b y 为旁路电弧电流。 表2 1 焊接电源参数 该平台的配套设施还有氩气供气单元、工作台、和送丝机构等。 2 1 2 非熔化极双旁路耦合电弧法m i g 焊试验系统 m l g 焊枪 图2 2 非熔化极双旁路m i g 焊试验系统结构 如图2 2 所示，非熔化极双旁路耦合电弧法m i g 焊试验系统包括一台恒压焊 接电源和一把m i g 焊枪用于产生主弧和送进焊丝、两台恒流焊接电源和两把 g t a w 焊枪用于产生旁路电弧。主电源采用德国克鲁斯( c l o o s ) 公司生产的g l c 3 5 7 5 5 3m i g m a g 焊机和c k 7 2 送丝机是一元化调节的焊接电源。旁路电源采用 w s m 2 0 0 型逆变式t i g 电源和t i g 4 0 电源，表2 1 列出了电源的部分参数。主弧 和两个旁路电弧复合后形成耦合电弧。由图2 2 可知： 硕上学位论文 i 弹= i m i l l r 该系统的配套设施氩气供气单元、工作台、和送丝机构组成与非熔化极单旁 路耦合电弧法m i g 焊试验系统基本相同。 2 2 电流电压数据采集系统 图2 - 3 电流电压采集系统示意图 电流电压信号采集系统由四个c s m 4 0 0 f a 系列霍尔电流传感器、三个 a d a m 3 0 1 4 电压隔离模块、信号适配电路、n ip c i 6 2 2 1 信号采集卡组成。 2 2 1 霍尔电流传感器 电流信号一般采用电流或电压传感器实现采集，本文采用c s m 4 0 0 f a 系列霍 尔电流传感器，其技术参数如表2 x 示。电流传感器输出为0 - - 1 0 0 m a 电流信号， 但采集输入要求为1 0 - - 1 0 v 电压信号，故需要进行电流信号转化为电压信号。 2 2 c s m 3 0 0 f a 系列霍尔电流传感器技术参数 3 4 】 ipn原边额定输入电流400a 口原边电流测量范围 5 0 0 a v s n 副边额定输出电流 1 0 0m a 匝数比 1 ：4 0 0 0 v c 电源电压 1 5d cv i c 电流消耗 2 0 + i si l i a v d 绝缘电压5k va c 5 0 h z l m i n 2 2 2 信号适配电路 电弧传感的优势在于不用添加复杂的传感设备，特别对于m i g 和t i g 只需要 从焊接回路的正负两极各引出一条信号就能实现传感焊接电压。为了保证采集系 非熔化极旁路耦含电弧m i g 焊接实验研究 统采集的稳定性、可靠性以及采集的准确性，需要对电弧信号做以下前端处理： ( 1 ) 由于焊接过程中的电压平均值在1 0 4 0 v ，空载电压在5 0 v 左右，如果 这么高的电弧信号直接加载在采集系统的输入端，将会损害乃至击穿采集卡，必 须要对信号进行分压和限幅处理。 ( 2 ) 由于在焊接过程中存在信号干扰以及焊机地线等的影响会对采样信号带 来很大的影响和干扰。为了防止这种干扰，需要采取必要的保护措施，如对信号 进行光电隔离处理，保证信号采集电路的正常工作。 采集系统用一个如图2 x 的分压电路将电压调整到采集卡额定输入范围，电 路采用三个阻值分别为1 0 、两个5 0 电阻串联接于焊接回路正负两端，将r 1 两端 作为输出端，即阻值比为1 ：1 1 ，将焊接电压转换为2 - - 3 v 左右，以便信号的测 量。 ( u o ( 图2 - 4 分压电路示意图 l j o 图2 - 5 电流电压转换示意图 2 2 3 信号隔离 虽然焊接电压大约在1 0 - , - 4 0 v ，而且设计了分压电路，但由于焊接过程的复杂 性，存在许多干扰信号，这对所需要的测量信号有很大的影响。为了测量的准确 性以及出去干扰信号，需要设计隔离电路。 解决模拟信号通道干扰的有效方法是采用模拟信号隔离技术【3 5 1 ，也就是设法 将干扰信号源与测量系统隔离，仅允许被测量信号进入测量系统。常用的隔离方 法有隔离放大器法和光电隔离法。 隔离放大器通常采用磁耦合方法使放大器的输入和输出之间没有电器联系， 从而使其既隔离了干扰源，抑制了干扰信号，同时又能完成对信号的放大隔离， 硕士学位论文 放大器内部继承有高性能的输入、输出放大器、调制解调器、信号耦合变压器等 元器件。它具备完全浮动的输入端和独立隔离的输出端，并有良好的线性度和稳 定性，还具有较高的隔离电压和共模抑制比。由于它能有效的将被测试信号与测 量系统隔离以及实现浮动测量，因此既能够抑制共模信号干扰，又能防止强干扰 信号进入测量系统，从而提高了系统的可靠性，但隔离放大器价格比较高，因此 只适用于要求较高的场合。 光电耦合是常用且方便有效的隔离方法，它是通过光电之间的相互转换，兵 力哦能够光作为媒介进行信号传输，在电气使测量系统与现场信号完全隔离的一 种方法。光电隔离可以减小现场信号线以及地线干扰对系统的影响，以保证系统 安全。此外，由于光电耦合器的输入阻抗小于干扰源的内阻，因而使迭加于被测 量信号上的干扰信号被极大的衰减( 基本无法进入测量系统) ，从而保证测量的准 确度。光电隔离也分为数字光电隔离和模拟光电隔离，利用数字光电隔离模拟信 号的优点是低成本，但由于数字光电隔离本身的非线性和光隔离器件之间的非一 致性，这种隔离电路的线性度不高，因此只适用于哟球不高的场合。 模拟光电隔离器件是利用光电转换原理，以光为媒介进行信号传输的。她在 结构上比隔离放大器简单，其价格也比隔离放大器低得多。使用的光电器件的材 料和工艺与数字光电隔离器不同，线性度比数字光电隔离有向大的提高，因此， 应用它进行模拟信号隔离，其效果也比数字光电隔离好得多。 本文采用研华生产的a d a m 3 0 1 4 电压隔离模块如图2 x 所示。a d a m 3 0 1 4 是最经济的，可现场进行配置的隔离信号调节装置，可在周围的有害作用，发动机噪 声和其他电磁干扰的情况下用于在保护程序信号a d a m 3 0 1 4 的最新的光学分离 技术这一特点支持了在低功率消耗以及极其精准的宽范围操作环境下的1 0 0 0 d v c 隔离【矧 巍 釜少 v d + 燃 雠 非熔化极旁路耦合屯弧m i g 焊接实验研究 图2 - 6a d a m 3 0 1 4 电压隔离模块 其技术参数如表2 x 所示： 主要特点 1 1 0 0 0 v d c 完全隔离 2 宽输入输出范围 3 简单的输入输出结构 4 灵活的d i n 导轨安装 5 低能量消耗，o 8 5w ( 电压输出) 6 温度范围( 1 0 - - 7 0 。c ) 7 + 2 4v d c 操作 为消除共模噪声，在这里采用差分输入模式根据采集卡差模模拟量输入范 围，选用i o v + i o v ，而焊接电压大于此范围，经阻抗变换进入信号采集卡。霍 尔电流传感器输出电流信号符合采集卡输入范围，串联电阻会后转变为电压信号 接入采集卡。根据采集卡的参数设计信号适配电路电压和电流增益系数分别为1 1 1 和0 0 2 5 。 2 2 4 数据采集卡的选择 当信号经过前端处理后，得到了1 0 v , - - + 1 0 v 范围内的电流电压信号波形，为 了能使此信号被计算机所处理，必须进行信号采集，是模拟信号转换成计算机能 处理的数字信号。在信号采集部分，a d 转换的精度和速度直接影响到整个系统 的精度和可用性，必须选择适当的、能符合转换要求的a d 转换芯片来完成模拟 数字信号转换部分的工作。 本文采用的数据采集卡为美国n i 公司生产的n ip c i 6 2 2 1 多功能数据采集卡 【3 刀。此卡具有1 6 路1 6 位模拟输入、2 路1 6 位模拟输出和2 4 路数字i o 。模拟输 入最大采样率为2 5 0k s s 。软件可编程模拟双极性输入范围为：1 0 ，5 ，1 ，o 2v 。 a d 转换支持三种出发方式：软件触发、外部脉冲触发和可编程触发。 主要特点： 1 1 6 位，2 5 0k s s ，1 6 路带3 7 针d s u b 的模拟输入。1 0 条数字i o 线；3 2 位计数 器；数字触发。关联( c o r r e l a t e d ) d i o ( 2 条时钟线，1i h z ) 。 2 另有5 倍采样速率的高速m 系列和4 倍分辨率的高精度m 系列可供选择。 包括n i d a q m x 、v il o g g e rl i t e 数据记录软件和其他测量服务。 3 2 路1 6 位模拟输出( 8 3 3k s s ) 带有3 7 针连接器的n ip c i 6 2 2 1 ( 3 7 针) d a q 卡为o e m 客户提供了高性价比 的解决方案。d s u b 连接器可与其他标准d s u b 附件兼容，包括低价位直接安装 的接线盒n ic b 3 7 f - l p 。对于要求更高速率和精确率的应用，您也可考虑具有5 硕十学位论文 倍的采样速率的高速m 系列设备或具有4 倍分辨率的高精度m 系列设备。 p c i 6 2 2 1 ( 3 7 针) 采用了常见于其他m 系列设备的技术，包括用于高级设备定 时和数字i o 的n i s t c2 a s i c 。同时n i p g i a 2 技术可实现快速精确的多通道扫 描。而n i m c a l 校准技术能将测量精度提高5 倍。p c i 6 2 2 1 ( 3 7 针) 需使用一根电 缆及其附件方可使用所有i o 。c b 3 7 f - l p 接线盒可直接安装于设备上。p c 9 6 2 2 1 可在多种操作系统上运行，有三种驱动软件：n i d a q m x 、n i d a q m xb a s e ，和测 量硬件驱动程序开发包( m h d d k ) ，但它无法与传统的n i d a q 驱动程序兼容。 m 系列设备与以下版本( 或其后版本) 的m 应用软件兼容一l a b v i e w7 x 、 l a b w i i l d o w 彭c 7 x 或m e a s u r e m e n ts t u d i o7 x ；s i g n a l e x p r e s s1 x ；v il o g g e r2 0 ； 或带有l a b v i e wr e a l t i m e7 1 模块的l a b v i e w 。 并且还与v i s u a ls t u d i o n e t 、 v i s u a lb a s i c6 和c c + + c # 兼容。 2 3 图像信号采集系统 与传统m i g 焊相比，旁路耦合电弧法m i g 焊的一个显著特点就是在大电流高 速与传统传统m i g 焊相比，旁路耦合电弧法m i g 焊焊接时，焊接过程稳定，焊缝 成形优良。为此，本文建立了焊接熔池图像采集系统，对焊接熔池进行实时检测。 图2 7 为熔池图像采集系统框。 本文通过c c d 对焊接熔池图像进行采集。为了更全面的观测熔池在焊接过程 中的变化情况，分别从熔池的后上方和右侧两个方向进行采集。如图2 7 所示，位 置1 为从熔池后上方采集熔池图像示意图，此时c c d 倾斜一定的角度( 该角度以 可以清晰观察到熔池的尾部为准) ；位置2 为从侧面采集熔池示意图，此时c c d 轴线平行于试件。图像采集软件为实验室自行开发。 图2 - 7 图像信号采集系统示意图 此外，适当调节c c d 的角度，该系统还可以对电弧形态进行采集。进行电弧 非熔化极旁路耦合电弧m i g 焊接实验研究 形态采集时，弧长为3 m m ，其他参数在后文论述中给定。双钨极氩弧焊的电弧与 传统钨极氩弧焊不同，它是由两个钨极分别形成的电弧在电磁力的作用下耦合而 成的。双钨极氩弧焊的电弧形态，是双钨极焊接的一个重要的电弧特性。 图像信号采集通过采用松下c p 2 3 0 型c c d 摄像机、用7 号中性减光片和窄 带滤光片组成的符合滤光镜头、变焦镜头、n ip c i 1 4 0 5 型图象采集卡等设备组成。 摄相机从主电弧侧面5 0 - - 6 0 c m 的位置与工件夹角9 0 。进行拍摄( 如图所示) 。 其中n ip c i l 4 0 5 技术参数如下所示【3 8 】： 1 1 路n t s c 、p a l 、r s 1 7 0 或c c i r 输入 2 带有板载可编程的感兴趣区的局部图像采集 3 彩色黑白采集 4 板载像素抽取 5 可编程增益和偏移 6 低价位、单通道、模拟、彩色 2 4 温度信号采集系统 如图2 8 所示，温度信号采集硬件由热电偶，热电偶接头，s t c t xs e r i e s k 3 型变送器，2 4 v 的直流电源，2 5 0q 的电阻，n ip c i 6 2 2 1 温度采集卡等组成。 图2 - 8