（机械电子工程专业论文）基于ArOlt2gt单丝高熔敷率MAG焊接工艺的研究.pdf

摘要 摘要 随着焊接技术在工业生产中的广泛应用，各生产厂家为了增强市场竞争力， 越来越强烈要求降低成本，提高焊接生产效率。因此，高效、低成本的焊接工艺 方法已经成为焊接工作者研究的热点。提高焊接电流是实现高效焊接的关键。但 是，对于一定直径的焊丝而言，它的电流容量是有一定限度的，随着焊接电流的 增加，如果不采取相应的控制措施，焊接过程将进入到不稳定的旋转射流过渡， 使得焊接过程中产生很大的飞溅，焊缝成型极差，不能在焊接生产中应用。 本文针对细丝大电流m a g 焊接过程，对旋转射流过渡的机理及影响因素等 方面进行了深入的研究，比较了不同电流大小和不同电流极性( 包括直流正接和 直流反接) 条件下的m a g 焊接过程。从提高熔敷率的角度出发，提出了直流正 接m a g 焊接工艺方法。 首先，本文对细丝大电流焊接旋转射流过渡时液流束以及焊接电弧进行了 受力分析，借助m a t l a b 软件分析了电极磁场和电极磁场力的特点，并通过对液 锥的受力分析，建立了细丝大电流m a g 焊液锥自磁旋转的运动模型，初步给出 了细丝大电流m a g 焊接过程稳定性的判断依据。利用高速摄像手段研究了细丝 大电流m a g 焊接工艺参数( 电弧电压和送丝速度) ，最后得到了合适的工艺区 间。 其次，用试验手段确定了适用于直流正接m a g 焊的保护气氛，即采用 9 8 a r + 2 0 2 混合气氛，接着分析了不同焊接电流条件下的直流正接m a g 焊电 弧形态、熔滴过渡行为和焊缝成形特点，最后给出了基于9 8 a r + 2 0 2 混合气 体保护的大电流直流正接m a g 焊合适的工艺区间。 关键词高熔敷率；大电流m a g 焊；直流诈接 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h em a g w e l d i n gp r o c e s si nt h ei n d u s t r y , i no r d e rt o s t r e n g t h e nt h e i rc o m p e t i t i o n ，m a n u f a c t u r e r ss c r e a mf o rt h el e s sc o s ta n dh i g h e r e f f i c i e n c yw e l d i n gp r o c e s s s oi th a sb e c o m et h er e s e a r c h i n gf o c u si nt h em a g w e l d i n gp r o c e s s a sw ek n o w , t h ec o n t i n u o u sa n dh i g hc u r r e n tw e l d i n gi st h ek e yt o t h eh i g hp e r f o r m a n c ea r cw e l d i n g b u t ，a sf o rt h es p e c i f i cw i r e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ec u r r e n t ，t h ep r o c e s sw i l lb e c o m ei n s t a b l ea n dt h er o t a t i n gt r a n s f e rw i l lb eo b s e r v e d w h i c hm a k e si ti m p o s s i b l et ob ea p p l i e di nt h ei n d u s t r yb e c a u s eo ft h el a r g e rs p a t t e r a n d b a db e a dp r o f i l e i nv i e wo ft h ep r o c e s so f h i g hc u r r e n td e n s i t ym a gw e l d i n g ，t h em e c h a n i s mo f t h er o t a t i n gt r a n s f e ri sd e m o n s t r a t e d ，a n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em e t a lt r a n s f e r a r ed i s c u s s e dp r o f o u n d l y w ec o m p a r e dm a g w e l d i n gp r o c e s sw i t hd i f f e r e n ts h i e l d e d g a s e sa n dw e l d i n gc u r r e n t sa n dc u r r e n tp o l a r i nt h i sc a s e ，t h ed c e nm a gw e l d i n gi s p u tf o r w a r di no r d e rt oi n c r e a s ed e p o s i t i o nr a t e s f i r s to fa l l ，t h ef o r c e sa c t i n go nt h el i q u i dm e t a lj e t ( l m j ) a n dt h e a r c a r e d i s c u s s e dd u r i n gt h ep r o c e s so fr o t a t i n gt r a n s f e r w i t ht h es o f t w a r eo fm a t l a b ，t h e e l e c t r o d em a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o d em a g n e t i cf o r c ea r ea n a l y z e d a l s o ，t h er o t a t i n g m o d e lo fl i q u i dm e t a lc o n ei sc r e a t e d s ot h es t a b i l i t yc r i t e r i o no fh i g hc u r r e n td e n s i t y m a g w e l d i n gp r o c e s si sb u i l t a n a l y z i n gt h ee f f e c to nw e l d i n gp r o c e s so fs t a n d a r d p a r a m e t e r s ，t h er e a s o n a b l en o r n li n t e r v a li sa c h i e v e d s e c o n d l y , s h i e l d i n gg a sa p p l i e dt od c e nm a gw e l d i n gh a sb e e nd e t e r m i n e db y m e a n so fs o m ee x p e r i m e n t s ，t h a ti s9 8 a ra n d2 0 2 w h a t sa n a l y z e dw a sa r c b e h a v i o u r , d r o pt r a n s f e rb e h a v i o u ra n dw e l df o r m a t i o no fd c e nm a gw e l d i n gi n d i f f e r e n tc u r r e n tc o n d i t i o n s i nc o n c l u s i o n ，w ec a m eu pw i t ht h er e a s o n a b l en o r n l i n t e r v a lo fh i g hc u r r e n td e n s t yd c e nm a g w e l d i n g k e y w o r d sh i g hd e p o s i t i o nr a t e s ；h i g hc u r r e n td e n s i t ym a gw e l d i n g ；d c e nm a g w e l d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：碰巫导师签名：戤日期 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 近年来，随着国际市场竞争越来越激烈，全球制造工业的形势变得越来越严 峻，如何不断提高产品的市场竞争力也就变得越来越突出。各公司提高产品市场 竞争力的途径包括两个方面：提高生产效率和降低生产成本，而这两方面的具体 实施都离不开产品的加工方法。在焊接制品制造过程中，其主要加工手段就是焊 接。因此，焊接方法的优劣对焊接制品的市场竞争力起着决定性的作用。 1 8 8 3 年另o j i u l 道斯发表了气流中的焊接一书，从此开辟了气体保护焊 的新篇章。但是一直到上世纪五六十年代从冶金角度上解决了c 0 2 焊的脱氧问 题，才使c 0 2 焊进入了工业应用阶段，同一时期还出现了a r c 0 2 或斛0 2 混 合气体保护焊，c 0 2 焊与m a g 焊开始应用于碳钢的焊接。由于气体保护焊具有 操作简便、灵活性大、便于实现机械化和自动化等特点，在生产实际中得到广泛 应用，并成为手工电弧焊的替代工艺。据统计，日本、美国、英国和俄罗斯等工 业发达国家的气体保护焊方法完成的焊接工作量已达到6 5 以上，其中日本已经 达到8 0 ，而中国只有2 0 ，这说明我国还不是一个焊接强国【l 】。提高气体保护 焊m i g m a g 焊工艺的生产效率，不但是提高焊接产品市场竞争力的一个重要途 径，也具有重大的现实意义。因此，近几年在气体保护电弧焊接领域中，对于如 何改善焊接质量和提高焊接生产率两个方面，都进行了大量的研究。 为提高焊接熔敷效率和提高焊接生产效率，人们首先想到的就是增大焊接电 流，即采用大电流焊接。然而，对于应用比较广泛的传统m i g m a g 焊工艺，以 直径为1 2 m m 的低碳钢焊丝为例，当焊接电流超过4 0 0 a 时，就进入了不稳定的 旋转射流过渡状态。此时的熔滴过渡过程极不稳定，造成大量飞溅；而且焊缝成 型恶劣，工作条件极差，无实际应用价值。我们称此时的焊接电流为使用上限电 流。它成为进一步提高焊丝熔敷率的“瓶颈，限制了传统m i g m a g 焊工艺在 连续大电流区间的使用。 长期以来人们对细丝大电流m a g 焊接钢工艺的研究大多采用a r + c 0 2 保 护，并且习惯性地认为“旋转射流过渡”是一种不稳定的、无规律的过渡形式， 它总是伴随着较大的焊接飞溅，因此工程应用价值不大1 2 。1 9 9 6 年，北京工业大 学首次提出了采用纵向磁场控制8 0 a r + 2 0 c 0 2 保护的细丝大电流m a g 焊， 利用外加磁场调节液锥和焊接电弧的偏角，取得了不错的效果1 4 1 。但是由于实际 应用中焊接飞溅仍然很大，从而制约了该工艺的进一步发展。 基于上述研究背景，本文将借助高速摄像手段，观察细丝大电流m a g 焊的 北京t 业入学t _ 学帧卜孚位论义 旋转射流过渡，结合分析电极磁场及电极磁场力，找出液锥及电弧的自旋转作用 机理。为了提高焊丝熔敷率和焊接生产效率，本文对保护气氛为a r + 2 0 2 的 m a g 焊接工艺采用直流正接的方法，研究其在大电流情况下熔滴和电弧的运动 特性，最终实现直流j f 接高熔敷率m a g 焊接工艺。 1 2 高熔敷率焊接方法的国内外研究进展 高熔敷率焊接方法的研究已经有了很长一段时间，在各个方面都取得了一定 的进展。提高焊接生产效率主要包括两个方面：一是以提高焊接速度为目的高速 焊接，它的基本出发点是在提高焊接速度的同时提高焊接电流，以维持焊接线能 量大体上保持不变，主要用于薄板的焊接；二是以提高焊接材料的熔化速率为目 的高熔敷率焊接，即要求在单位时间内熔化更多的焊接材料，主要用于厚板焊接。 随着科学技术的发展，焊接工作者围绕着进一步提高焊接生产效率、降低焊 接成本等方面，进行了一系列的研究工作。这些研究工作涉及到焊接电源和送丝 系统的改进、焊接材料的优化以及保护气体的选择等诸多方面。高熔敷率焊接工 艺主要针对厚板焊接，它能够减少厚板焊接的层数。高熔敷率焊接工艺同样也主 要涉及到焊接电源和送丝系统的改进、焊接材料的优化以及保护气体的合理选择 等诸多方面。从技术角度和实际应用两方面来看，能够实现高熔敷率焊接的工艺 有t i m e 焊、l i n f a s t 焊、磁控高熔敷率焊接工艺、气电立焊、热丝填充焊等。 1 2 1t i m e 焊接工艺 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 ) 焊是由c a n a d aw e l dp r o c e s s 公 司的j o h nc h u r c h 在1 9 8 0 年研究成功的一种高性能m a g 焊接工艺，首先应用于加 拿大和日本。1 9 9 0 年6 月在维也纳焊接世贸博览会上，t i m e 焊接工艺首次被引 入到欧洲，同年，f o m i u s 公司在欧洲的市场接管了这项专利【7 j 。 t i m e 焊虽脱胎于传统的m a g 焊工艺，但又与后者有着明显的区别，两者 的主要不同点及性能比较如表1 1 和表2 2 所示。 表l 一1t i m e 焊与传统m a g 焊的不同点 t a b l e l - 1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lm a g p r o c e s sa n dt i m ep r o c e s s 焊接方法保护气体 焊丝干伸长送丝速度 t i m e 焊 0 5 0 2 + 8 c 0 2 + 2 6 5 h e + 6 5 a r 2 0 3 5 m m0 5 - 5 0 m m i n 传统m a g 焊a r + c o j 0 2 1 0 1 5 m m5 16 m m i n 2 表l 也t 1 me 焊与传统m a g 焊的性能比较 t a b l e l 2 t h e d i f f e r e n c e b e t w i l t h e t r a d i t i o n a l m a gp r o c e s sa n d t i m e p r o c e s s 另外，实现t im e 焊接工艺还需配以专用高性能恒压源，并具有电压反馈 校正功能：time 焊所采用的焊丝的表面应具有极高的光洁度，以增加电导率、 减小送丝波动；送丝装置的电动机功率要适当增大，应具备送丝速度偏差的反馈 校正功能。 图1 1 和图1 _ 2 分别为不稳定的传统大电流m a g 焊和稳定的time 焊的旋转 电弧形态。从中可以看出， e l m e 焊的弧长很长，电弧完全包围液流柬，而且 液流束较短。而常规大电流m a g 焊的情况恰好相反，弧长很短，液流束较长且 大部分不在电弧笼罩范围内。t i m e 焊呈现可控、稳定的旋转射流过渡，焊接 过程飞溅小，焊接烟尘少，焊缝平滑美观、余高小，而传统大电流m a g 焊的熔 滴过渡呈不规则的旋转射流过渡，焊接过程极其不稳定，飞溅大、烟尘多、成形 差，根本无法应用于生产。 囝巴 幽1 - i 不稳定的传统大电流m a g 焊电弧形态图1 2 稳定的l 1 me 焊的电弧形态 f i g 1 一l a r cs h a p eo f u n s t a b l e t r a d i t i o n a l m a gp r o c e s s f i g i - 2 a r cs h a p e o f s t e a d y t i m bp r o c e s s 总之，t i ，me 焊接工艺突破了传统m a g 焊接在大电流区间的瓶颈，开拓了 m a g 焊新的实用领域，大幅度地提高了焊丝熔敷效率。 22 l i n f a s t 焊接工艺 l i n f a s t 焊接工艺出德国l i n d e 公刊推h ，它与t 1 me 焊接方法相似，也 是通过优化保护气体成分来改变电弧的物理特性，从而实现稳定的旋转射流过 程，其目的都在于提高焊接熔敷效率、改善焊接质量。 l i n f a s t 的基本思想建立在通过慎重舔加活性气体c 0 2 、0 2 ，使电弧类型得 到控制、用户要求能得到满足的基础上的，根据不同的焊接规范区问和不同的应 用场合，选择不同的保护气体，以便进一步降低气体成本。例如，在较低的送丝 速度范围f1 5 m m i n 2 0 m m i n ) 区n q 内，可采用a t + 8 1 8 c 0 2 气体，如果为了 提高焊缝的熔深，则u r 加入2 0 3 0 的氦气。当送丝速度超过2 0 m m i n 时，可 采i c o r g o n h e 3 0 和c o r g o n h c 2 5 ( 两者成分见表3 ) ，其中c o r g o n h e 3 0 台较高的c 0 2 ，在送丝速度高达2 7 m m i n 的情况下也能可靠地控制喷射过渡电弧。 表1 3 常州的l i n f a s t 保护气体成分 t a b l ei - 3 t h ec o m p o n e mo f t h es h i e l d i n g g a su s e db yl i n f a s t 畦 藿 矧i - 3l n f a s t 焊( 矗) 与传统人电流m a g 焊( 左) 的焊缝截面比较网 f i g1 - 3 t h ed i f f e r e n c e o f w e l d i n gc r o s s - s e c t i o no f l n f a s t ( 吨) a n d t r a d i t i o n a l ( 1 e m w e l d i n g 图1 3 为l i n f a s t 焊( 右) 与传统大电流m a g 焊( 左) 的角焊缝截面比 较图。由图可见，采用l n f a s t 焊接工艺，尽管电弧产生了旋转，但通过正确 选择保护气体和焊接参数，仍能得到很深的焊缝，这与通常认为旋转电弧只能得 到扁平的毓状焊缝的说法不同，而采用传统大电流m a g 焊接 ：艺，尽管焊接参 数得到了优化，但在高速喷射过渡电弧的情况下，横截面上仍能看到指状熔深。 另外，l i n f a s t 焊接工艺电弧稳定且几乎没有飞溅，仅有少量焊渣覆盖在焊缝 表面上。 和tl me 焊接工艺相似，l i n f a s t 焊接工艺除了特殊的保护气体之外还 包括焊接电源的设计、保护气体的送进、焊枪的设计、焊丝干伸长度的选择和焊 接电弧电压的匹配等。 123 磁控高熔敷率焊接工艺 由于t im e 、l n f a s t 等焊接工艺均采用以氮气为主要组元的三元或者四元 混合气体，不仅提高了气体成本，而且对配比设备和配比精度要求也很高。鉴于 我国是一个贫氦国家，冈而大力发展常规二元混合气体( 以a 拜i i c 0 2 为基本组元 的混合气体) 的细丝大电流高效焊接1 艺就显得非常有意义。北京工业大学首次 利用纵向磁场控制焊接电弧，在不加入氦气的情况下，获得了类似于t i m e 的 工艺效果。 第1 章绪论 纵向磁场控制焊接电弧的基本原理如下( 见图1 - 4 ) ：由于带电粒子的扩散 运动以及熔滴的旋转射流过渡将产生径向电流l ，i 瘫纵向磁场作用下将发生绕焊 丝轴的旋转运动，同时产生圆周方向的电流分量i 。，i 。也在纵向磁场b z 的作用下 产生向心力的作用力f 。f ，作用在焊丝端头的液柱上将使其向中心收缩，即形成 稳定的圆锥形旋转射流过渡嗍。 采用中12 r a m 焊丝进行磁控电弧焊接时，送丝速度可以达至u 4 5 m d m i n ，焊接 过程稳定，熔滴过渡呈可控的锥状旋转射流过渡，焊缝成形良好。 i ， b t 图1 - 4纵向磁场作用下大电流m a g 焊接二l 艺原理 f i g 1 - 4 t h e p r i n c i p l e o f h i g h c u r c e n t d e n s i 竹m a g w e l d i n g i n n l o n g i t u d i n a l m a g n e t i c f i e l d 利用单线圈产生的纵向磁场是静止的，只有在焊接电弧出现不稳定的旋转射 流过渡时，磁场才能“拘束”电弧，同时，空心线圈产生的纵向磁场接近电弧区 时磁力线会发散，势必大大削弱磁控效果。为了减小外加磁场对焊接熔池的影响， 同时更有效地控制焊接电弧，北京工业大学基于“以动制动”的思想以及电动机 原理，首次提出了采用高速的旋转磁场控制焊接电弧的旋转。图t - 5 和图1 矗给出 了旋转磁场发生装簧及旋转磁场的产生过程，由图可知，该旋转磁场采用三相单 三拍方式励磁，磁场每个周期( 从图1 6 a 到图1 6 卫) 旋转3 6 0 。试验结果表明， 在旋转磁场的“带动”下。焊接电弧同步旋转，调节励磁电流和励磁转换频率， 可以非常方便地改变电弧形态，从而改变电弧特性。 | j f li - 5 旋转磁场发生装置示意圈 f i g i 一5 g e m r a i i n g d e v i c eo f m er o t a t i n g m a g n e t i c f i e l d 瓯 爹 北京t q k 人学t 学硕i 学位论文 图l _ 6 旋转磁场的产生过程 f i g 1 6g e n e r a t i n gp r o c e s so ft h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d 1 2 4 热丝填充焊 热丝填充焊工艺包括热丝填充t i g 焊和热丝填充埋弧焊，其中前者是利用电 流流经送进中的焊丝所产生的电阻热，将焊丝加热到较高温度后，再进入电弧区， 以进一步增加焊丝的熔化速度，其工作原理见图1 7 。而热丝填充埋弧焊是在传 统埋弧焊基础上，附加一套送丝机构，将另外一根焊丝由预热电源加热至接近熔 化状态后均匀地送入埋弧自动焊所形成的熔池内f 8 】，其工作原理见图1 8 。 图1 7 热丝填充t i g 焊接t 艺 f i g 1 7t i gw e l d i n gp r o c e s sf i l l e dw i t hh e a t e dw i r e t 件 图1 - 8 热丝填充埋弧焊接l ：艺 f i g 1 8s u b m e r g e da r cw e l d i n gp r o c e s sf i l l e dw i t hh e a t e d w i r e 热丝填充t i g 焊往往和窄间隙焊接工艺相结合，实现厚壁大直径管的自动化 焊接，与手弧焊相比，其坡口金属填充量约减少2 3 ，施焊时间缩短约2 3 ，还改 善了焊工劳动环境，提高了焊接熔敷率。而热丝填充埋弧焊特别适宜于焊接厚度 在2 0 m m 以上开坡口的工件，是一种简单、方便且可行的高效弧焊工艺。 6 1 2 5 复合焊 复合焊是指采用不同种类的电弧或热源相结合进行焊接的方法，其中电弧并 不局限于普通意义的电弧概念，还包括了激光束、电子束、等离子束等高能束热 源。将不同焊接方法有机结台到一起，可充分发挥各种焊接方法的优点，并能弥 补各自的不足，有效地提高焊接效率、改善焊缝组织性能。常见的复合焊接工艺 包括激光电弧、t i g m i g 等。 人们最早研究的是激光一t i g 复合焊，其作用原理如图1 - 9 所示。t p d i e b o l d 将激光- t i g 复合焊接用于5 2 5 0 铝合金的焊接，发现该方法在铝合金表面能形成质 量较好的焊缝且仅需6 0 0 w 的激光功率，适当调整焊接电流后，最大焊接速度可 达到o5 r n ，m i n 。同本j m s t s u d a 等人得到的结果是，当焊接速度在0 5 5 m m i n 时， 5 k w 的激光能量复合3 0 0 a 的t i g 电弧所产生的熔深，是单独5 k w 激光能量产生熔 深的1 3 , - 2o 倍，而且焊缝没有咬边和气孔【9 】。 英国c o n v e r t r y 大学的先进连接中心对激光一等离子弧焊接进行了研究( 见图 i - 1 0 ) ，并利用该工艺焊接05 i m m 的薄板，可实现全熔透，显著提高了焊接 速度。英国nb l u n d e l l 等人采用等离子弧辅助激光，对01 6 m m 厚镀锌板进行高速 焊接，发现电弧在焊接速度高9 0 m r a i n 的情况仍十分稳定，而相同条件下，单独 激光焊接在4 8 m m i n 就会出现焊接缺陷。 图l - 9 激光_ t i c 复台焊 图i l o 激光一等离子弧复合焊 f i g i - 9 c o m p o u n d w e l d i n g o f i a s e p t i gf i 9 1 - 1 0 c o m p o u n d w e l d i n g o f l a s e + p l a s m aa r c 激光一电弧复合焊接技术不需要真空系统，其有较高的焊接速度、焊接变形 小、对焊前的准备工作要求较低、热源的可控制性较高等优点。此外，激光和电 弧可以取长补短，从而达至懵自无法获得的效果。总之，激光一电弧复合热源是 一种高效、节能、优质、经济的焊接打浊，能适用于从薄板小变形到厚板高速焊 接以及某些特种材料的焊接，在造船、石油化工、电力、冶金、汽车等方咱1 都有 广泛的应用前景。 1 2 6 双面电弧焊接工艺 1 9 9 8 年美国肯塔基大学提出了单电源双面电弧焊接工艺( d s a w ) 的概念1 2 5 j 北京t 业人。t 学硕 j 学付论文 它区别于单面双弧( 双丝) 焊，采用单电源( 还可采用双电源) 供电的两个电弧， 从：【件两侧同时对同一焊缝位置施焊的一种新型焊接工艺。研究表明，该工艺不 但能提高焊接熔深、增加焊缝深宽比，还能降低焊接变形、改善焊缝显微组织。 其作用原理如图1 1 1 所示。 图1 1 1d s a w 原理图 f i g 1 11t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fd s a w 由于采用两把焊枪，焊接电流就可穿过焊缝小孔，而不只是停留在工件表面 上，此电流还可产生一个磁场，它将焊接电流导向轴向( 见图1 1 2 ) ，其结果使 电弧和工件中的焊接电流更加集中。 图1 1 2d s a w 焊接电流形成磁场示意图 f i g 1 - 12t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fm a g n e t i cf i e l df o r m e db yd s a w 目前，d s a w 主要在等离子弧和t i g 弧方面进行了焊接试验，至于其它电弧 焊还有待进一步研究【l 们。有关d s a w 的生产应用未见报道，其应用尚需解决一些 关键性问题，譬如对工件进行双面焊的可达性、根据焊接对象的不同设计不同的 工装、双面焊时两把焊枪的对准性等。 1 3 本文研究的主要内容 通常用送丝速度来表征高熔敷率m a g 焊工艺。对于稳定焊接过程，送丝速 度和焊丝熔化速度相平衡。因此，若实现高速送丝下稳定焊接，必须提高焊丝熔 化速度与之相匹配。这就要求增加焊丝输入热量，即提高使用焊接电流。对于传 统m a g 焊工艺，增加焊接电流将得到不稳定旋转射流过渡形式，熔滴向四周甩 出形成飞溅，而不能作为熔敷金属填充焊道，所以无实际应用价值。而t i m e 焊工艺由于采用了含h e 的四元混合保护气体，保护气体中氦气的加入，由于氦 气的高温热导率和电离电压较高，从而使电弧电压提高，电弧电压的提高，一方 8 第l 币绪论 面使电弧能量提高，另一方面使电弧等离子流力以及熔滴的受力状态发生变化。 这样使得焊接电弧更加挺直，熔滴过渡的更加连续，焊缝的熔深较常规焊接要大。 所以，t i m e 焊能够在连续大电流区间获得稳定的熔滴过渡形式，使熔滴稳定 地过渡到熔池中形成熔敷金属，实现了真正意义的高熔敷率m a g 焊。然而由于 我国天然h e 气资源匮乏，直接照搬t i m e 焊工艺必将提高成本。为此，很多 学者都想办法降低氦的含量或者无氦的混合气体保护气氛，实现符合我国国情的 高熔敷率m a g 焊工艺。 基于上述研究背景，本文将借助高速摄像手段，观察细丝大电流m a g 焊的 旋转射流过渡，结合分析电极磁场及电极磁场力，找出液锥及电弧的自旋转作用 机理。为了提高焊丝熔敷率和焊接生产效率，本文对保护气氛为a r + 2 0 2 的 m a g 焊接工艺采用直流正接的方法，研究其在大电流情况下熔滴和电弧的运动 特性，最终实现直流正接高熔敷率m a g 焊接工艺。主要研究内容如下： ( 1 ) 细丝大电流m a g 焊旋转射流过渡的研究本文对细丝大电流焊接旋转 射流过渡时液流束以及焊接电弧进行了受力分析，借助m a t l a b 软件分析了电极 磁场和电极磁场力的特点，并通过对液锥的受力分析，建立了细丝大电流m a g 焊液锥自磁旋转的运动模型，初步给出了细丝大电流m a g 焊接过程稳定性的判 断依据。利用高速摄像手段研究了细丝大电流m a g 焊接工艺参数( 电弧电压和 送丝速度) ，最后得到了合适的工艺区间。 ( 2 ) 直流正接m a g 焊接工艺的研究采用试验手段确定了适用于直流正接 m a g 焊的保护气氛，即采用9 8 a r + 2 0 2 混合气氛，接着分析了不同焊接电流 条件下的直流正接m a g 焊电弧形态、熔滴过渡行为和焊缝成形特点，最后给出 了基于9 8 a r + 2 0 2 混合气体保护的大电流直流正接m a g 焊合适的工艺区间。 9 北京t 业人学t 学顾i j f 口论文 第2 章高效m a g 焊接旋转射流过渡的研究 本章的主要研究对象则为细丝大电流m a g 焊，借助高速摄像等手段，深入 分析了不同保护气氛下细丝大电流m a g 焊的电弧形态及运动特征、熔滴过渡行 为和焊缝成形特点，在建立液锥受力和运动模型的基础上，揭示了这种高效焊接 工艺的自磁旋转作用机理，并通过合理匹配焊接规范参数，最后得到了细丝大电 流m a g 焊的实用规范区间。 2 1 研究细丝大电流m a g 焊的意义 当采用较细直径的焊丝( 一般不大于0 1 2 ) ，若焊接电流超过第二临界电流 ( 即m a g 焊电弧和液锥发生旋转时的临界焊接电流) ，同时配合较大的焊丝伸 出长度( 通常都大于1 5 m m ) 和较高的电弧电压时，电弧烁亮区和液锥将偏离焊 丝轴线一定角度并绕焊丝轴线高速旋转，从而形成所谓的“旋转射流过渡”，我 们把具有这些特点的m a g 焊接工艺称为细丝大电流m a g 焊，它一般应用于平 板堆焊、角焊缝等场合。 以t i m e 、r a p i dm e l t 、l i n f a s t 等焊接工艺为代表的细丝大电流高效 焊接工艺白上个世纪9 0 年代以来就相继出现，但是到目前为止，却没有在生产 中广泛的推广和使用，总结起来有如下的制约因素： ( 1 ) 高昂的气体成本。由于t i m e 、r a p i dm e l t 、l i n f a s t 等焊接工 艺均采用以氦气为主要组元的三元或四元混合气体，这一方面提高了气体的成 本。混合气体的配比精度要求很高需要专用设备，比如t i m e 焊的0 2 的配比误 差要求在0 0 2 之内，这同样也造成了气体成本高昂。 ( 2 ) 世界上的天然氦气资源主要集中在北美和欧洲，而我国的天然氦气资 源严重缺乏，氦气主要是从空气中提纯，采用加工方法所制成的氦气成本过高。 例如无氦混合气体每瓶2 4 0 3 2 0 元，而t i m e 气体每瓶1 6 0 0 元，是前者价格 的5 倍左右，成本相差过于悬殊。 ( 3 ) 由于包括t i m e 、r a p i dm e l t 、l i n f a s t 等焊接工艺均申报了专 利，因此在使用过程中还存在知识产权等问题。 鉴于上述几个方面的原因，才造成了t i m e 等高熔敷率焊接工艺很难在我 国推广和使用，也就是说这些焊接工艺不适合我国的国情。当然，这也和我们对 于细丝大电流m a g 焊的研究力度不足有关系，我们对很多问题的认识都滞留在 某些表面现象上，并没有从根本上认识细丝大电流m a g 焊的特征，譬如为什么 m a g 焊电弧在焊接电流超过第二临界电流值时会发生旋转，而t i g 焊电弧在同 1 0 第2 章高效m a g 焊接旋转射流过渡的研究 样的电流条件下却不发生旋转昵? 促使焊接电弧和液锥旋转的内在驱动力是什 么? 规范参数( 送丝速度和电弧电压) 对电弧形态和运动特点的影响规律如何? 如何对细丝大电流m a g 焊接过程加以控制等。显然要掌握这种高效m a g 焊接 工艺，必须对这些问题作出合理的解释。 目前国外已经将t i m e 焊接工艺成功地应用于造船、钢结构等行业，这对 我们焊接工作者来说既是很大的挑战，又是重要的启发。因此，我们需尽快研究 少氦甚至是无氦保护的、具有自主知识产权的、符合我国焊接工程应用要求的细 丝大电流m a g 焊，只有这样才能打破国外焊接技术的垄断、振兴民族焊接产业 并提高我国的科技能力。可见，无论从理论研究价值还是从工程应用前景这两方 面看，细丝大电流m a g 焊接工艺的研究与开发都具有十分重要的意义。 2 3 细丝大电流m a g 焊的特点 焊接电源采用改进的i g b t 逆变式熔化极气体保护焊机n b c 5 0 0 ，空载电压 为8 5 v ，输出电压调节范围为1 5 - 6 0 v ，最大输出电流为6 0 0 a ；送丝速度可在 0 5 5 0 m m i n 之间无级调节；行走机构的焊接速度在0 l m m i n 之间调节。焊丝 材料为h 0 8 m n 2 s i a ，直径为0 1 2 m m 。高速摄像机采用的是美国生产的 f a s t c a ms u p e r1 0 k ，其最高拍摄速度为1 0 0 0 0 帧s ，而本文试验所采用的拍摄 速度都为3 0 0 0 帧s 。 通过多次试验发现，保护气体在焊接过程中对焊接材料的熔化效率的影响是 非常有限的，而决定熔化效率大小的关键因素是焊接电流( 送丝速度) 的大小， 也就是说t i m e 、l i n f a s t 等焊接工艺所选用的保护气体对提高熔敷效率是有 限的，但是它们的使用却得到了非常稳定的旋转射流过渡过程。我们知道，决定 熔滴过渡过程的关键是熔滴( 或液流束) 所受到的力的因素。因此，我们可以得 出这样的结论，t i m e 、l i n f a s t 等焊接工艺是通过保护气体来改变焊接电弧 形态，使得熔滴( 液流束) 的受力状态改变，从而获得稳定的旋转射流过渡过程， 而保护气体对熔敷效率的提高是非常有限的。 但是保护气对临界电流值有很大影响，通过大量的试验发现，细丝大电流 m a g 焊的第二临界电流值厶与焊丝伸出长度和保护气体成分密切相关，这一关 系如图2 1 所示。可见，在相同焊丝伸出长度的条件下，保护气体为9 8 a r + 2 0 2 的第二临界电流值要比保护气体为8 0 a r + 2 0 c 0 2 的大一些；随着焊丝伸出长 度的增加，细丝大电流m a g 焊的第二临界电流值都下降。 下面将以8 0 a r + 2 0 c 0 2 和9 8 a r + 2 0 2 这种常规混合保护气体为例，分 析不同保护气氛下细丝大电流m a g 焊的基本特点。 鲁4 9 a 2 0 2 喜 墓4 2 0 霉 。 * 3 8 0 ” 3 4 0 8 0 a n 2 0 2 3 ii 1 52 02 5 3 03 5 焊丝伸出长度( n u n ) 凹2 - 1 细丝人电流m a g 焊的第二临界电流值 f i 9 2 1 t h es e c o n dc r i t i c a lc , - l e n l o f m a g w e l d i n g w i t h h i g h n t d e n s i t y 2 318 0 a r + 2 0 c 0 = 保护的细丝大电流t a a g 焊 当保护气体采用8 0 a r + 2 0 c 0 2 时，细丝大电流m a g 焊接过程如图2 2 所示，试验参数为；v f = 2 5 m m i n ，1 - 4 7 0 a 左右，u a - 5 2 v ，l ，- 2 0 m m ，保护气体 流量为2 0 1 r a i n 。 图2 - 28 0 a r + 2 0 0 _ c 0 2 保护的细丝大电流m a g 焊 f i 9 2 - 2 h i 曲n t d e n s i t y m a g w e l d i n g w i t h8 0 a m 0 c 0 2 1 2 ：! 筌茎至呈茎! ! ：! ! ! ： 由图可知，电弧和液锥都偏离了焊丝轴线较大的角度并绕焊丝轴线高速旋 转：电弧烁亮区包覆液锥的面积过少，基本上仅包覆液锥的尖端，甚至出现了电 弧烁亮区只包覆液锥或者液流束的一侧( 称之为“局部包覆”1 的现象；液锥束 端的液流束大多被横向甩出，形成了较大的焊接飞溅。显然，8 0 a r + 2 0 c 0 2 保护的细丝大电流m a g 焊是一个不稳定、无规律的过程。 这种非稳定细丝大电流m a g 焊是由于二氧化碳气体压缩电弧，同时电弧高 速旋转，其结果导致电弧电场强度较高，并使得电弧上爬困难，因此电弧包覆液 锥的面积过少，甚至仅包覆液锥的尖端。此时电弧将对液锥产生较强的排斥作用， 使得液锥偏角( 即液锥偏离焊丝轴线的角度) 逐渐变大。由于活性气体c 0 2 的 作用，大幅度的降低了熔化金属的表面张力，使焊丝在熔化过程中，很难在端部 形成较大尺寸的熔滴，液锥下端开始形成细长的液流束，这时候由于液流束高速 旋转所形成的旋转离心力以及焊接电流通过细长的液流束所产生的爆炸力，容易 造成液流束成段地飞出。 2 329 8 a r + 2 0 ：保护的细丝大电流m a g 焊 图2 - 3 给出了9 8 a r , 2 0 a 0 2 保护时细丝大电流m a g 焊接过程的一组高速摄 像片断，试验参数为：v 尸2 7 m r o b l ，= 5 1 5 a 左右，u 。= 5 3 v ，三。- - 2 5 m m ，保护气 体流量为2 0 1 m i n 。 幽2 - 39 8 a r + 2 0 2 保护的细丝大电流m a g 焊 f i g2 3 h i 曲c i i r r er f f d e n s i t y m a g w e l d i n gp r o c e s s w i t h9 8 a 什2 0 2 比较图2 - 2t f _ l 图2 - 3 町看出分别山8 0 a r + 2 0 c 0 2 和9 8 a r + 2 0 2 保护的 细丝太电流m a g 焊的习：同点和相同点。它们的主要区别在于： ( 1 ) 前者的电弧烁亮区近似为球状，它基本上包覆液锥的尖端，甚至仅包 覆液锥或者液流束的一侧：而后者电弧烁亮区呈斜锥状，并且包覆了大部分液锥 和全部液流束； ( 2 ) 前者的熔滴过渡大部分在电弧烁亮区外部进行而后者基本上全部在 北京t 、比入学t 学f 哆! 卜1 _ ：，论艾 电弧烁亮区内进行； ( 3 ) 前者的电弧和液锥的偏角都较大，相比而占后者要小一些； ( 4 ) 前者的焊接过程不稳，形成很大的飞溅，而后者焊接过程稳定、飞溅 小。 当然，8 0 a r + 2 0 c 0 2 和9 8 a r + 2 0 2 保护的细丝大电流m a g 焊也有很 多相似之处： ( 1 ) 细丝大电流m a g 焊的焊丝端部的液念金属呈锥状，液锥下端悬挂一 条呈螺旋状的液流束； ( 2 ) 电弧烁亮区、液锥和液流束并非保持相对“静止”状态，而是都偏离 焊丝轴线一定角度并绕焊丝轴线高速旋转，电弧烁亮区的运动滞后于液锥的运 动； ( 3 ) 熔滴过渡轨迹都偏离了焊丝轴线，而且几乎是整条液流束都脱离了液 锥，然后分离成大量的金属小液滴并沿各个方向过渡到熔池中去。 图2 4 还给出了这种9 8 a r + 2 0 2 保护的细丝大电流m a g 焊的电弧电压与 焊接电流的实测波形，可见焊接过程中电弧电压与焊接电流的波形较为平稳，这 说明熔滴过渡过程并没有引起电弧形态的较大变化。 l 蛳，、 辨喜 柑幽 删 摊嚣 o 图2 - 4 细丝大电流m a g 焊的电弧电压与焊接电流波形 f i g 2 4w a v e f o r mo fw e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ef o rh i g hc u r