（材料加工工程专业论文）双旁路耦合电弧mig焊工艺实验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 为了实现高速焊接，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，这是一个矛盾。双旁路耦合电弧m i g 焊( d b m i g ) 是在常规的m i g 焊枪两旁分别增加一把t i g 焊枪，通过旁路电极产生旁路电弧和旁路电流，分流一部 分通过母材的电流，有效降低大电流焊接时的电弧压力和母材热输入，较好的解决了这 一矛盾，在一定的焊接规范下可以提高焊接速度，实现高速焊接。本文主要进行了以下 几方面的研究工作。 设计实现了一套用于双旁路耦合电弧m i g 焊工艺研究的试验平台，该试验平台由 焊接系统，焊接电流电压、电弧图像及温度多通道同步数据采集系统和人机操作界面构 成，并用l a b v i e w 软件编写了电流电压、电弧图像及温度多通道同步数据采集程序。 通过大量的焊接工艺实验，找到了合理的焊枪组合的几何参数，确保了焊接过程的 稳定进行。 分析了双旁路耦合电弧m i g 焊作用于熔池表面上的电弧力分布情况，理论分析表 明旁路电弧能够降低作用于熔池表面上的电弧力，从而在一定的旁路电流范围内能够降 低焊缝缺陷出现的几率，提高焊接速度。并且通过对比不同旁路电流下的焊缝熔深照片 证明了随着旁路电流的增大，作用于熔池表面上的电弧力是不断减小的。理论分析表明 旁路电弧能够降低母材热输入，并且通过实验证明了在一定的焊接电流下，母材热输入 是随着旁路电流的增大而减小的。 分析了作用于双旁路耦合电弧m i g 焊熔滴上的作用力，通过分析得出旁路电弧可 以显著地影响作用于熔滴上的电弧力的大小和分布。其主要作用为促进熔滴过渡，降低 喷射过渡临界电流值。通过试验证明了在总焊接电流恒定的条件下，通过改变双旁路耦 合电弧m i g 焊中旁路电弧电流，可以改变熔滴过渡过程。 进行了高速焊接试验，找到了在送丝速度一定的情况下，不同的旁路电流与最大焊 接速度之间的对应关系。 实验结果证明该方法与常规m i g 焊相比，在相同的焊接规范下，能够提高焊接速度， 实现高速焊接。 关键词：旁路耦合电弧；电弧压力；热输入；熔滴过渡：高效川g 焊 双旁路耦合电弧m i g 焊工艺实验研究 a b s t r a c t f o ra c h i e v i n gh i g h s p e e dw e l d i n g ，t h em e l t i n gc u r r e n tt h r o u g ht h ew i r em u s tb ei n c r e a s e d w h i l et h eh e a ti n p u to fb a s em e t a la n da r cp r e s s u r es h o u l db ec o n t r o l l e da tal o w e rl e v e l ，t h i s i sac o n t r a d i c t i o n t h ed o u b l e b y p a s sc o u p l e da r cm i gw e l d i n gi sc o n s t i t u t e db ya d d i n gt w o t i gt o r c h e st oac o n v e n t i o n a lm i gt o r c ht h a ta r es y m m e t r i c a lo ne a c hs i d e ，t h eb y p a s s t o r c h e sc r e a t et w ob y p a s s c o u p l e da r c sa n db y p a s sc u r r e n t s ，t h i sm a k e si tp o s s i b l et od e c o u p l e t h ec u r r e n tt h r o u g ht h eb a s em e t a li no r d e rt or e d u c et h ea r cp r e s s u r e ，t h er e d u c t i o no fa r c p r e s s u r ec o u l de n h a n c et h ew e l d i n gs p e e ds oa st o a c h i e v eh i g h - s p e e dw e l d i n gu n d e rt h e c e r t a i nw e l d i n g p r o c e d u r ep a r a m e t e r s ，s ot h ed o u b l e - b y p a s sc o u p l e da r cm i gw e l d i n g s o l v e d t h ec o n t r a d i c t i o np r e f e r a b l e t h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so fs t u d y w o r kw e r em a i n l yd o n ei n t h i sp a p e r as e to fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sf a b r i c a t e dw h i c hw a su s e di nt h ed o u b l e b y p a s s c o u p l e da r cm i gw e l d i n gp r o c e s sr e s e a r c h ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc o n s i s t so fw e l d i n g s y s t e ma n dm u l t i - c h a n n e ls y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h ew e l d i n gc u r r e n ta n d v o l t a g e 、a r ci m a g ea n dt h et e m p e r a t u r e ，p l u st h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dt h el a b v l e w s o f t w a r ew a su s e dt ow r i t et h em u l t i - c h a n n e ls y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o np r o g r a m a l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et of i n do u tt h ea p p r o p r i a t eg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r so f t o r c hc o m b i n a t i o nw h i c hc a na s s u r et h es t a b i l i t yo ft w ob y p a s sa r c s t h i sp a p e ra p p l i e de s t a b l i s h e dt h e o r i e st oa n a l y z et h ea r cf o r c ea c t i n go nt h es u r f a c eo ft h e w e l d i n gp o o l ，t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h eb y p a s sa r c sa c t u a l l yr e d u c et h ea r cf o r c et h a t a c t so nt h es u r f a c eo ft h ew e l d i n gp o o l ，s ot h en o v e lw e l d i n gp r o c e s sc o u l dr e s t r a i nt h e o c c u r r e n c eo fw e l dd e f e c t si np a r t i c u l a rr a n g eo fb y p a s sc u r r e n t ss oa st oe n h a n c et h ew e l d i n g s p e e d i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ea r cf o r c ea c t i n go nt h es u r f a c eo ft h ew e l d i n gp o o ld e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fb y p a s sc u r r e n t st h r o u g hc o m p a r i n gt h ep e n e t r a t i o no ft h e s eb e a d s u n d e r d i f f e r e n tb y p a s sc u r r e n t s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h eb y p a s sa r c sc o u l dr e d u c eb a s e m e t a lh e a ti n p u t ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s oh a v ep r o v e dt h a tb a s em e t a lh e a ti n p u ti s d e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fb y p a s sc u r r e n t sw h e n t h et o t a lw e l d i n gc u r r e n tw a sf i x e d t h ef o r c e sa c t i n go nt h ed r o p l e to fd b - m i ga r ed i s c u s s e d ，t h ei n f l u e n c e so fb y p a s sa r c st o v a l u e sa n dd i s t r i b u t i o no fa r cf o r c e sa c t i n go nt h ed r o p l e ta r ea p p a r e n t t h em a i n l ye f f e c t so f a r cf o r c e si st op r o m o t em e t a lt r a n s f e ra n dr e d u c et h ec r i t i c a lc u r r e n to fs p r a yt r a n s f e r a n a l y s i ss h o w st h a tt h eb y p a s sa r c sa n dc u r r e n t sl o w e rt h ec r i t i c a lc u r r e n tn e e d e dt oa c h i e v e t h ed e s i r e ds p r a yt r a n s f e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h em e t a lt r a n s f e rc o u l db e c h a n g e db yc h a n g i n gt h eb y p a s sc u r r e n t s h i g h - s p e e dw e l d i n gt e s t s f o rt h i np l a t ew e r ec a r r i e do u t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e b y p a s sc u r r e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n g l ym a x i m u mw e l d i n gs p e e dw a sd i s c o v e r e dw h e nt h e i i 硕士学位论文 w i r ef e e ds p e e dw a sf i x e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v ea l s op r o v e dt h a td o u b l e b y p a s sc o u p l e da r cm i g w e l d i n g c o u l de n h a n c et h ew e l d i n gs p e e ds o a st oa c h i e v eh i g h - s p e e dw e l d i n gc o m p a r e dt h e c o n v e n t i o n a lm i gw e l d i n gu n d e rt h es a m ew e l d i n gp r o c e d u r ep a r a m e t e r s k e yw o r d s ：b y p a s sc o u p l e da r c ；a r cp r e s s u r e ；h e a ti n p u t ；m e t a lt r a n s f e r ；h i g h - e f f i c i e n c ym i g w e l d i n g i i i 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：所呈交的论文是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，本论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：确雳 日期：2 c j 7 。年6 月1o 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论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：汤铭雳 导师签名：夕钐j 日期：2 咖年占月肋e t 日期：汐口年否月。日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 高效、优质、低耗是当前制造业对焊接技术提出的迫切要求u 1 。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，具有生产成本低、可以进行全位置焊接、节能、 接头质量好等优点，在工业生产中得到了广泛应用。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 瞌1 ，因此m i g m a g 焊在我国具有极大的发展潜力和空间。 但传统m i g m a g 焊工艺能达到的最大送丝速度小于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，高效m i g m a g 焊成为近年来焊接 领域研究的热点问题之一嘲。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焊接 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焊 接工作者采用不同的办法发展出了一些高效m i g m a g 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- m i g 复合焊系统等，并在实际工业生产 中得到了成功应用。但高效m i g m a g 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保护、薄板和超薄板焊接效果欠佳等缺点限制了它们在 某些场合的推广和应用h 1 。因此，开发出一种成本低廉、维护方便、适应性强的高效焊 接方法就具有重要的现实意义和工程应用价值。 双旁路耦合电弧m i g 焊是利用旁路电弧干预和控制m i g 焊熔滴过渡和熔深实现高 速焊接。原理是利用旁路电弧与m i g 主弧形成耦合电弧并产生电磁、热和力之间的相互 作用，通过改变旁路电弧参数可以分别改变作用于熔滴和熔池上的电弧力分布和热输 入，从而可以合理分配焊丝与母材热量，有效地降低大电流焊接时的电弧压力，在一定 的焊接规范下可以提高焊接速度，实现高速焊接。而且由于该方法本质上还是属于电弧 焊，所以生产成本低，对工作环境的适应性强，因而是一种很有发展潜力的新型高效焊 接方法。 1 2 高效m i g m a g 焊时焊缝缺陷产生机理的研究现状 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。实现高效化焊接主要 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呻1 。随着焊接电流的增大，熔滴过渡、熔池流 动和电弧行为都会发生变化，导致焊接稳定性变差或出现焊缝成形缺陷。 要想实现高效化焊接，增大焊接电流是必需的，但是当常规m i g m a g 焊采用大焊 接电流时，会使得作用于熔滴的电弧压力增大，由于受到大电弧压力的作用，焊丝端头 双旁路耦合电弧、i i g 焊工艺实验研究 熔化的金属被压缩成铅笔尖状，细小的熔滴从液柱尖端沿着焊丝轴向高速射入熔池，形 成射流过渡。这些直径远小于焊丝直径的熔滴过渡频率很高，看上去好像是在焊丝端部 存在一条流向熔池的金属液流，虽然焊接过程稳定但容易形成指状熔深。当焊接电流进 一步增大，射流过渡将转变为旋转射流过渡。旋转射流过渡是一种极不稳定的过渡形式， 在焊丝端头的细长铅笔尖状的液柱发生弯曲并沿焊丝轴向旋转，同时从其端部不断向四 周抛出大量的小颗粒金属飞溅，使得焊接过程不稳定n 引。 随着焊接电流的增大，对工件的热输入也随之增大，母材热输入过高会导致焊缝组 织变差、工件变形大甚至焊穿。 焊接电流的提高使得作用于熔滴和熔池表面的电弧压力急剧增加，导致熔池表面剧 烈变形，从而破坏焊接过程的稳定性，造成很多焊接缺陷，例如咬边和驼峰焊道。文献 1 5 认为，在m i g 焊过程中，由于电弧压力和熔滴冲击力的作用，熔池表面将产生严 重的凹凸变形，其中电弧压力分布模式是影响熔池几何形状的关键因素之一。文献 1 6 认为，随着电弧压力增大，其对熔化金属的挖掘作用占了主要的比重，迫使更多液态金 属向电弧后方聚集，当电弧继续向前移动后，金属无法到达焊趾，形成咬边缺陷。文献 1 7 对高速焊时驼峰焊道形成机理进行了研究，认为电弧快速向前移动，传输带金属由 于很快远离电弧加热而凝固。电弧后部的聚集带金属虽然具有很高的热量，但是这部分 液态金属流回熔池凹坑所必经的传输带已经凝固，无法起到传输作用，因而，聚集带金 属也逐渐凝固形成隆起，而挖掘带形成凹坑。随着电弧继续前移，新的挖掘带和驼峰雏 形开始形成。在大电流焊接条件下，电弧压力增加，其对熔化金属的挖掘作用占了主要 的比重，电弧压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，电弧压力越大产生的缺陷也越大。由于电弧压力与焊接电流成平方关系，因此在大 电流条件下更容易产生焊缝成形缺陷。 综上所述，传统m i g m a g 焊的焊接电流不能太高，所以难以实现高效m i g m a g 焊。 1 3 高效m i g m a g 焊接方法研究现状 随着焊接技术的发展，高效焊接越来越受到各国工业界的重视，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。近年来，激烈的市场竞争和人 们环保节能意识的不断增强更是推动了新型高效焊接技术的发展。为了获得稳定的高效 m i g m a g 焊过程，必须从控制熔滴过渡、稳定熔池形态、合理分配母材热输入等几个 方面采取有效措施。避免高速焊接时出现“咬边”，“驼峰”焊道甚至焊缝不连续，国内 外焊接工作者从这几方面入手进行了大量卓有成效的研究工作，在此基础上发展出了多 种高效m i g m a g 焊接方法，很多已经应用于实际生产中并取得了良好的经济效益。 2 硕士学位论文 1 3 1time 焊 t ime 焊是t r a n s f e r r e di o n i z e di o l t e ne n e r g y 的字头缩写，是由c a n a d a w e l d p r o c e s s 公司的j o h nc h u r c h 于1 9 8 0 年研制成功的一种高效m a g 焊接方法“”，并由 f r o n i u s 公司实现了该项技术的产业化。它采用大干仲长和特殊的四元保护气体 ( t ime 气体中0 ：、c 嘎、e 、a r 的体积分数分别为0 5 、8 、2 6 5 、6 5 ) ，通过增 大送丝速度来提高焊丝熔敷率，在保证焊接质量的同时将焊丝熔敷率提高了2 3 倍。其 最高送丝速度可以达到5 0 m m i n ，最大熔敷率可以达到4 5 0 9 m n ”。 由于tim e 焊在保护气体中加入了一定量的氮气，从而改变了焊接电弧与液流 柬之问的相对位置和形态，使焊接电弧上爬，从而改变了液流束的受力状态。一方面使 部分液流束被笼罩在电弧中，有利于液态金属过渡：另一方面，电弧k 爬后，使阳极斑 点面积增大，作用力分散。综合作用的结果使得旋转射流过渡的过程趋于稳定，焊接过 程中飞溅减少，焊缝成形得到改善，从而实现了高熔敷率焊接。但是由于tim e 焊 保护气氛中含有昂贵的氨气，而且t i m e 焊必须配备专用的高性能焊接电源，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推广 和应用。 1 32 磁控大电流m a g 焊 因为电弧和熔滴具有良好的导电性能，使采用磁场控制电弧和熔滴成为可能。磁控 大电流i v l a g 焊接工艺是在传统m a g 焊接工艺的基础上，通过外加磁场的作用，改变 焊接电弧和液流柬的受力状态，以控制液流束的旋转，从而在连续大电流区问内获得稳 定的旋转射流过渡过程，实现了低成本高效m a g 焊。磁控大电流m a g 焊接工艺主要 针对中厚扳工件的焊接，以提高焊接熔敷率为目的，通常采用a r + c 0 t 混合气体作为保 护气体，其工艺原理如图1 5 所示。 图1 5 磁控大电流m a o 焊接工艺的示意3 该工艺的优点是设备简单，成本低，不需要采用特殊的三元或四元混合气体，缺点 双旁路祸合电弧m i g 焊工艺实验研究 是只适合中厚板的焊接，对薄板高速焊接由于电弧力较大容易导致焊穿。 1 3 3 复合双弧焊 复合双弧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姐，电弧并不局 限于普通意义上的电弧概念，也包括了激光束、电子柬、等离子束等高能束热源。利用 不同种类的电弧或热源与m i g m a g 焊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。因此复合双弧焊成为了目前焊接领域研究的热点问题之一。 1 激光复合焊 2 0 世纪8 0 年代末英国学者s t e e n 率先利用t i g 电弧和激光实现了复合热源焊接。 但自此以后很长一段时间内，由于受当时激光器发展水平所限，科技工作者没有对其做 更进一步的研究。直到上个世纪9 0 年代，研究人员重新把注意力转移到该领域上，其 中，欧洲、日本在该领域的研究比较多。最近几年我国也已经有越来越多的研究人员进 入到该领域。按照附加热源的种类不同，激光一电弧复合焊接主要有三类：激光+ t i g 、 激光+ m i g m a g 、激光+ 等离子体。其中，激光+ t i g 复合焊接是研究最多、最早也是最成 熟的一种，与之相比，对激光+ m i g m a g 复合焊接的研究相对较少，这就使得激光+ m i g m a g 复合热源焊接成了目前该领域的热门研究方向。 采用激光+ m i g m a g 复合热源可以形成优势互补，一方面，加入激光后，激光可控制 电弧，使弧柱的电阻减小，场强降低，增加电弧的稳定性。同时，激光束焦点处产生大 量金属蒸汽，为电弧形成阴极斑点提供了条件，电弧被激光吸引，在高速焊接时也可得 到稳定的电弧。另一方面，电弧熔化熔池后，可大幅度减少激光反射，提高激光能量的 利用率。并且通过调节电弧与激光的相对位置，可有效的提高大间隙的适应性、改善焊 缝成彤、稳定焊接过程和提高焊接速度。 与激光焊和传统的电弧焊相比，激光+ l i g m a g 复合热源焊接的优点非常明显， 这 主要体现在其优质、高效方面。在中厚板的焊接中，利用激光与m 工g m a g 电弧复合，在 焊接速度较高( 与m i g m a g 焊相比) 的情况下，可以显著地增加焊缝熔深，实现深熔焊砼钉。 利用这一优点可以将其应用在造船和输油管道的焊接中嘲。在薄板焊接中，利用激光与 m i g m a g 电弧复合，在焊缝熔深适度的情况下，可以大大提高焊接速度，实现高速焊接。 利用这一优点可以将其应用在航空航天及汽车制造业中口们。激光+ m i g m a g 复合焊主要 的缺点是设备昂贵，维护费用较高，限制了其在一些领域的应用。 2 等离子一m i g 焊 1 9 7 2 年4 月荷兰飞利浦公司首次提出这一新的焊接方法但5 朋1 ，其原理如图1 6 所 示。 4 图1 6 等离子一m i g 焊原理示意图”1 山上圈可知，非熔化极和熔化极分别由两个直流电源单独供电，电源接负时，可以 通过在氩气中加入少量氧气作为离子气来消除焊接过程的不稳定性；电极接正时，焊接 过程则更具稳定性和适用性，在实际生产和工艺研究中电多采用电极正接”1 。在该方法 中。焊丝和m i g 电弧均被电离气体包围，电弧燃烧稳定保护效果好。等离子体的阴极清 理作用清除了氧化膜，并且将熔滴和熔池的前沿与空气隔离，有助于获得优质焊缝。等离 子弧、m i g 电弧共同作用，可以加速焊丝的熔化，增大熔深，提高熔敷效率。 晗尔滨焊接研究所对单电源等离子一m i g 焊进行了研究，采用单电源同时为等离子弧 和m i g 电弧供电，两个电弧可以同时稳定燃烧，采用合适的焊接工艺参数可以进行薄板 高速全熔透焊接，焊缝成形良好，焊接效率高。 但等离子一m i g 焊也存在着一些缺点和不足。由于焊接过程中等离子弧和m i g 弧在 同一个焊枪中燃烧，因此对焊枪的设计要求较高。而且该方法焊接参数较多，导致工艺 参数的调节比较复杂。 1 34 双丝电弧焊 双丝电弧焊可阻改变熔池的流场，从弧对熔池流动有阻碍和缓冲作用。同时复合电 弧减小了电弧压力，从而在大电流、高焊速下得到成形良好的焊缝。因此双丝电弧焊既 可实现高速焊接，又可实现高熔敷率焊接。它具有焊接速度高，焊接质量好，焊缝成形 美观等优点，在实际生产中得到了广泛的应用。目前常用的双丝焊方法主要有串列双丝 焊、并列双丝焊、串联双丝焊等。 1 串列双丝焊 串列双丝焊是目前国内外研究最多、应用虽广的双丝焊方法。串列双丝焊将两根电 绝缘的焊丝按一定角度放置在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝使用单独的导电嘴且分 别由各自的电源独立供电，两焊丝共用一个气体喷嘴。两个送丝机通过两根送丝管分别 将两根焊丝送进焊枪中两个独立的导电嘴。如图l7 所示。 双旁路耦台电弧m 1 6 焊工艺实验研究 图17 串列双丝焊原理示意图“” 一般前而的焊丝为主焊丝，后而的焊丝为从焊丝。主焊丝产生的电弧为主电弧其 工艺参数一般较大，起到熔化焊丝和母材的作用，而从焊丝产生的电弧即从电弧的工艺 参数一般较小，主要起到填充和盖面的作用。串列双丝焊一般均采用脉冲焊接工艺，两电 源的相位差为1 8 0 。，电源之间有一协调器控制，当一电弧处于脉冲状态时，另一电弧处 于基值状态，这样就可避免太焊接电流下主、从电弧间的干涉作用，使得两电弧之间的作 用力非常小0 1 ，当参数设置合理时，可以实现一脉一滴，且运用脉冲一电弧技术，使每 一个熔滴大小几乎恒定，并独立于电弧功率，这样可晟大限度地减少飞溅。另外由于电 弧力分散于两点，所以对熔池的搅动作用较小。有利于提高焊接速度。实验表明，串列双 丝焊的焊接速度可达2 6 i i l m i n ，金属熔敷量达到了2 0 k g h 啪1 。目前国内外许多知名公 司都采用了该焊接工艺，并取得了良好的经济效益。 2 并列双丝焊 并列双丝焊实际是用两根较细的焊丝代替一根较粗的焊丝，两根焊丝共用一个电源 和一个导电嘴，以同一速度同时通过导电嘴向外送出。两根焊丝的直径和化学成分可| ；l 相同也可以不同，由于两焊丝靠的比较近，所以可以形成电弧共熔池，如图1 8 所示。 图1 8 并列双丝焊原理示意图洲 与常规m i g m a g 焊相比，并列双丝焊的平均焊接速度可以提高1 5 0 ；另外由于两 焊丝靠的较近，形成了电弧共熔池，并且两电弧对母材的加热区变宽，使得焊缝金属的过 热倾向减小，因而可以获得高质量的焊缝。1 。 3 串联双丝焊 硕士学位论文 串联双丝焊的两根焊丝通过导电嘴分别接电源的正负两极，母材不通电，热量分散 在前后串行的两个电弧上，如图l9 所示。 图1 9 串联双丝焊原理示意图“” 两个电弧的电源目前都已实现了数字化，可以分别精确地调整各自脉冲电弧的各 个参数，并通过g y n e r g e t i c 装置协调脉冲电弧得到最佳的热输入分配，实验已经证明在 平均电流为1 0 0 0 a ，最高脉冲电流为1 5 0 0 a ，熔敷率为2 0 k g h ，焊速为3 5 m m i n 的情况 下仍能得到成形良好的焊缝和稳定的熔透。 虽然上述几种双丝电孤焊方法具有生产效率高，焊缝质量好等优点，但是由于其对 焊接电源的要求较高，需要高性能脉冲电源。而且为了解决电弧相互二f 扰的问题，需要 通过控制脉冲逆变电源的脉冲数来实现对电弧的控制。“，从而对控制电提出了较高的要 求，所以限制了它们在某些场合的的推广和应用。 1 4 本文的研究意义及内容 1 4 1 本文的研究意义 为了满足高效化焊接的市场需求，虽然国内外焊接工作者提出了许多高效m i g m g 焊接方法，并且有一些方法在实际生产中得到了较成功地应用，但仍有一些不足之处， 例如设备复杂成本高，对薄板和超薄板的焊接效果欠佳等。如果对现有的电弧焊方法进 行高效化改造，充分利用其高适应性的特点，同时提高其焊接速度，实现制造业焊接生 产加工的低成本和高效率，无疑具有广阔的市场前景和应用价值。 针对高效化焊接的发展趋势和需要解决的问题，本文介绍的双旁路耦合电弧m i g 焊 ( d b m i g ) 对现有的电弧焊方法进行了高效化改造。该方法从本质上有别于其它现有 的多弧焊接方法，其基本原理是利用旁路电孤与m i g 主弧形成耦合电弧并产生电磁、热 和力之刚的相互作用，通过改变旁路电弧参数可以分别改变作用于熔滴和熔池上的力场 分布和热输入，从而可以台理分配焊丝与母材热量，有效地降低大焊接电流时的电弧压 力和母材热输入，在一定的焊接规范下可以提高焊接速度，实现高速焊接。 双旁路涡合电弧m i g 焊工艺实验研究 1 4 2 本文的研究内容 目前国内外对双旁路耦合电弧m i g 焊的研究才刚刚起步，并且研究方向主要集中在 焊接机理方面，对焊接工艺的研究较少，本文针对这种情况，制订了以焊接工艺为主的 研究内容，具体研究内容分为以下几个方面： ( 1 ) 建立双旁路耦合电弧m i g 焊试验平台。通过大量的焊接工艺试验，找到合理的 焊枪组合的几何参数，确保焊接过程的稳定进行。 ( 2 ) 研究双旁路耦合电弧m i g 焊作用于熔池表面上的电弧力分布及其对焊接过程稳 定性，焊缝成形和熔池形态的影响规律。研究旁路电弧对母材热输入的影响规律。 ( 4 ) 进行双旁路耦合电弧m i g 焊熔滴受力情况分析，分析旁路电弧对于熔滴上电弧 力分布的影响，研究双旁路耦合电弧m i g 焊作用在熔滴上的电弧力和熔滴过渡的关系。 ( 5 ) 进行双旁路耦合电弧m i g 焊高速焊接工艺试验研究，通过大量的焊接工艺试验， 找到在送丝速度一定的情况下，不同的旁路电流与最大焊接速度之问的对应关系，研究 焊接工艺参数对焊接过程稳定性和焊缝成形的影响规律。 8 硕士学位论文 第2 章双旁路耦合电弧g 焊试验平台的搭建 根据所需达到的目标以及所要实现的功能，可以将试验平台划分为三个部分：焊接 系统，焊接电流电压、温度及电弧图像多通道同步数据采集系统和人机操作界面，如图 2 1 所示。 b 图2 1 试验平台示意图 2 1 焊接系统 双旁路耦合电弧m i g 焊由一把m i g 焊枪和两把t i g 焊枪组成，m i g 焊枪与一个 叵压电源相连，两把t i g 焊枪分别与两个恒流电源相连，如图2 2 所示。 匿沆 电源 图2 2 焊接系统示意囤 利用旁路电弧的分流作用，分流一部分通过母材的电流。 lj、，d r，fj 艘旁路耦合电孤m 1 6 焊工艺实验研究 l b 雠m 酬帆l 哮嘶mf r t nc h ”t 1 1 式( 1 ) 中k m i 是总的焊接电流，几mp和嘞帅蚶是左右旁路电流，拓。e 梆t a l 是母 材电流。双旁路耦合电弧m i g 焊正是利用了左右旁路电弧的分流作用，在保证焊丝高 熔敷率的前提下有效地控制电弧压力和母材热输入。“驯，提高焊接速度，实现高速焊接。 采用的试验设备主要包括德国c l o o s 公司r o m p j r t 7 6 一a w 型弧焊机器人、德国 c l o o s 公司g l c 3 5 7 m i g m g 焊机、逆变直流氩弧手工两用华意隆t i g 4 0 0 型焊机、 w s m 2 0 0 型逆变式t i g 焊机、单轴移动焊接工作台等。该焊接系统最大焊接速度可选 5 m m i n ，完全可以满足高速焊接试验的要求。 21 1 焊枪组合几何参数的确定 在双旁路耦合电弧m i o 焊中，共有三把焊枪：一把m i g 焊枪和两把t i g 焊枪。两 把 r i g 焊枪对称的放置在m i o 焊枪的两边，m i g 焊枪垂直于工件表面，三把焊枪的轴 线位于同一平面内，并且该平面垂直于工件表面和焊缝，焊枪组合如图2 3 所示。 图2 3 焊枪组合示意图 对于双旁路耦合电弧m i g 焊而言，焊接电弧由一个主路电弧和两个旁路电弧组成， 主路电弧在焊丝与工件之间形成，旁路电弧在焊丝与旁路钨极之间形成。稳定的旁路电 弧确保了双旁路耦合电弧m i g 焊焊接过程的稳定性，图2 4 所示的焊枪组合的几何参 数对于形成稳定的旁路电弧至关重要。 叟 ：诮一 图2 4 焊枪组合的几何参数 d 。左旁路钨极尖端到焊丝的距离。 也右旁路钨极尖端到焊丝的距离。 d 3 导电嘴到工件的垂直距离。 硕士学位论文 0 左旁路钨极与焊丝之间的夹角。 0 z 右旁路钨极与焊丝之间的夹角。 实验已经证明当上述参数取以下值时，可以获得稳定的双旁路耦合电弧m i g 焊过 程：d j = i m m ，出= i m m ，如- - 2 4 r a m ，曲- 4 8 i0 2 = 4 8 。 双旁路耦台屯弧m i g 焊的电弧照片如图2 5 所示。 縻鬻 图2 5 电弧形态 2 2 焊接电流电压信号采集系统 多弧焊接是一个集声、光、电于一体的复杂的物理、化学过程，电弧稳定性问题突 出，为了便于进行焊接质量监控，需要建立专门的数据采集系统对其过程参数进行采集 和分析为此，本文以l a b v i e w 软件为平台，开发了一套焊接电流电压信号采集系 统为建立双旁路耦合电弧m i g 焊控制系统奠定了基础。双旁路耦合电弧m i g 焊焊接 电流电压信号采集系统如图2 6 所示。 图2 , 6 焊接电流电压信号采集系统示意图 由上图可知，焊接电流电压信号采集系统分为两大部分：焊接电压信号采集和焊接 双旁路耦合电弧, i i g 焊工艺实验研究 电流信号采集。焊接电压信号的采集首先通过一个分压电路将采集到的焊接电压信号调 整到采集卡额定输入范围内，再通过隔离模块去除干扰信号，最后传入数据采集卡。而 焊接电流信号的采集是通过霍尔电流传感器完成的，当霍尔电流传感器传出电流信号 时，需要通过一个电流电压转换电路将其转化为电压信号，然后再接入数据采集卡。 双旁路耦合电弧m i g 焊焊接电流电压信号采集系统主要由研华工业控制计算机， c s m 4 0 0 f a 系列霍尔电流传感器，分压电路，电流电压转换电路，研华a d a m 3 0 1 4 标 准电压隔离模块，n ip c i 6 2 2 1 数据采集卡等组成。 电流传感器输出为电流信号，但采集卡输入设置为电压信号，故需通过一个电流电 压转换电路将电流信号转化为电压信号，再将其接入数据采集卡，由于焊接电压的值超 过了采集卡的额定输入范围，所以要使用分压电路进行分压，然后通过隔离模块滤除干 扰信号，经过采集卡传入工控机。 由于焊接过程存在许多干扰信号，对测量结果的准确性产生了较大影响，为了预防 这种干扰，需要采取必要的防护措施，确保测量结果的准确性。试验采用的是研华 a d a m 3 0 1 4 标准电压隔离模块。它使用了最新的光耦合隔离技术，提供三路( 输入输 出电源) 1 0 0 0 v d c 的隔离保护。该系列模块可接受电压，电流，热电偶或热电阻输入信 号，并能输出电压或电流信号。 由于采集到的电流电压信号是模拟信号，计算机无法直接进行处理，需要通过a d 转换将模拟信号转换成计算机能处理的数字信号，这就需要用到数据采集卡。数据采集 卡a ，d 转换的精度和速度将直接影响到整个采集系统的精度和可靠性，因此必须选择 合适的、能符合转换要求的数据采集卡来完成a d 转换工作。本文采用的是n ip c i 6 2 2 1 数据采集卡，此卡具有1 6 路1 6 位模拟输入通道，2 路1 6 位模拟输出通道和2 4 路数字 i o 口。模拟输入最大采样率为2 5 0k s s 。额定输入范围为：1 0v ，5v ，1v ， 0 2 v 。a ，d 转换支持三种触发方式：软件触发、可编程计时器触发和外部脉冲触发。 2 3 电弧图像采集系统 因为双旁路耦合电弧m i g 焊焊接过程中伴随着强烈的弧光干扰，要想从中得到清 晰的电弧视觉图像，就必须建立套性能稳定，精确度高的图像采集系统，本实验 建立的双旁路耦合电弧m i g 焊图像采集系统如图2 7 所示。 1 2 硬士学位论文 图2 7 图像采集系统示意图 双旁路耦合电弧m i g 焊图像采集系统主要由研华工业控制计算机，奥林巴斯s p 高速摄像机，复合滤光镜头天敏s d k - 2 0 0 0 型图像采集卡等组成。高速摄像机和复合 滤光镜头型号及参数选择如表2 1 所示。 2l 高速摄像机和复合滤光镜头型号及参数选择表 视觉传感设备型号 参数 高速摄像机奥林巴斯s p4 0 。o 忖_ ，s 滤光镜头6 8 5 n m 窄带滤光片光圈3 2 2 4 温度采集系统 温度采集系统主要由研华工业控制计算机k 型热电偶，s t c t xs e r i e sk 3 型热 电偶变送器，2 4 v 直流电源等组成，如图28 所示。 h 1 m 1 0 姚。 图2 8 温度采集系统示意图 双旁路耦合电弧m i g 焊工艺实验研究 由上图可以看出，热电偶被固定在工件背面，1 号热电偶正对m i g 焊枪，2 号热电 偶和3 号热电偶相对于1 号热电偶呈对称分布，相距5 m m 。之所以要放置3 个热电偶， 主要是为了防止电弧偏离1 号热电偶。如果电弧没有偏离1 号热电偶，母材最高温度必 定是在1 号热电偶处，因为它最接近焊接热源，2 号热电偶和3 号热电偶的温度也必定 相等。如果电弧偏离了1 号热电偶，则2 号和3 号热电偶的温度不相等，那么这组试验 数据就作废。 热电偶采集到的电信号经热电偶变送器放大后传入数据采集卡，再通过用l a b v i e w 编写的程序把采集到的热循环曲线显示在计算机上。 2 5 采集系统软件设计 为了采集焊接电流电压、电弧图像及温度，需要编写一套焊接电流电压、电弧图像 及温度多通道同步数据采集程序。由于l a b v i e w 采用图形化编程语言，程序是以框图的 形式来表现的，易学易用，可以在很短的时间内掌握并应用到实践中去，所以本文以 l a b v i e w 软件为开发平台，编写了一套焊接电流电压、电弧图像及温度多通道同步数据 采集程序。 程序分为电流电压及温度信号采集、电弧图像采集和旁路电流控制信号输出三个部 分，为了避免数据竞争和数据冲突问题，采用队列结构技术实现了数据采集、分析并行 处理8 1 ，并且利用三个并行的循环处理不同的任务，每个循环具有互不干扰的独立线 程，最大限度的提高了数据处理速度，同时为了提高存储速度，采用了高速数据存储格 式t d m s 格式，程序框图如图2 9 所示。 1 4 颐士学位论文 图2 9 程序框图 数据采集程序采用l a b v l e w 86 编写，采集频率设定为2 0 k h z ，采样次数为1 k s s 。 通过可视化操作界面实现多通道数据采集、波形显示、数据处理以及存储功能，采集程 序如图2 1 0 所示。 双旁路耦台电弧m i g 焊工艺实验研究 圈2 1 0 采集程序框图 硕士学位论文 采集程序操怍面板如图21 1 所示。 _ 习 ， ，i 0 刊 i