（材料加工工程专业论文）旁路耦合电弧焊焊接参数对母材热输入及焊缝的影响.pdf

t h ei n f l u e n c eo nh e a t i u p u ta n dw e l dd e a mb yw e l d i n gp a r a m e t e r so f d u a l e l e c t r o d eg a sm e t a la r cw e l d i n g b y w e nj u n x i a b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h iy u m a y , 2 0 11 学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 ：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 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： 温俊霍 日期：物t f f -6 月7 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：湿复霞 导师签名：石矽达 醐出f ，“月7 日 1 2 1 多丝多弧焊接技术2 1 2 2 改变保护气体成分或焊丝成分的焊接工艺4 1 2 3 磁控m a g 焊一4 1 3 低热输入电弧焊技术5 1 3 1 脉冲电弧焊技术5 1 3 2 变极性脉冲电弧焊一6 1 3 3 焊丝回抽辅助熔滴过渡焊接法一8 1 4 课题背景及研究内容1 0 第2 章d e g m a w 焊接参数对焊缝的影响1 1 2 1d e g m a w 实验系统及基本原理1 1 2 1 1d e g m a w 实验系统11 2 1 2d e g m a w 母材热输入功率的理论分析1 2 2 2d e g m a w 焊接规范与实验结果1 3 2 2 1d e g m a w 焊接工艺参数一1 3 2 2 2d e g m a w 试验结果1 4 2 3 实验结果分析1 7 2 3 1d e g m a w 旁路电流对焊接接头形状的影响1 7 2 3 2d e g m a w 旁路电流对焊接接头组织的影响一2 7 2 4 小结2 9 第3 章基于脉冲d e g m a w 的铝钢熔钎焊的实验研究一3 0 3 1 脉冲d e g m a w 的提出3 0 3 2 脉冲d e g m a w 系统原理与系统组成3 1 3 3 铝钢熔钎焊实验一3 2 3 3 1 试验材料3 2 3 3 2 焊接参数与金相试样制备一3 2 旁路耦合电弧焊焊接参数对焊接热输入及焊缝的影响 3 3 3 试验结果3 3 3 4 铝钢熔钎焊接头显微组织及分析一3 4 3 4 1 铝钢接合截面微观组织3 4 3 4 2 铝钢接合界面e p m a 线扫描分析3 5 3 5 小结3 5 第4 章双丝d e g m a w 焊接工艺特点研究一3 7 4 1 双丝d e g m a w 实验系统及原理3 7 4 2 双丝d e g m a w 堆焊实验3 9 4 2 1 焊接材料与工艺参数3 9 4 2 2 温度场测量系统3 9 4 3 双丝d e g m a w 实验结果与分析4 0 4 3 1 旁路电流对焊缝形状尺寸的影响4 0 4 3 2 旁路电流对热循环曲线的影响4 2 4 3 3 旁路电流对焊接接头界面区组织的影响4 5 4 4d 、结4 6 结论与展望4 7 参考文献。4 8 致j 射5 2 附录a ：攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 i i 硕十学位论文 暑皇暑皇量毫曼毫喜暑皇詈鼍皇曼鼍暑鼍皇鼍置皇暑詈鼍暑皇詈皇皇曼皇詈ni i 詈i 曼皇! 寡曼! 曼曼音量皇皇皇曼鼍詈詈皇曼鼍詈皇詈皇詈曼量! ! ! ! ! ! 曼詈皇兽皇置! 曼葛鼍 摘要 高效、优质、低耗是焊接技术的发展方向。常规高效m i g m a g 焊存在大的 焊接电流必然增大焊接热输入从而造成焊缝质量下降的问题；在新材料和超薄板 焊接时也存在焊接热输入引起的稀释率较大和焊接变形大的问题。为解决这些问 s h a p e ，t h a ti st h er e s t r i c ti nh i g he f f i c i e n tc o n v e n t i o n a lm i g m a gw e l d i n g i nt h e w e l d i n go ft h en e wm a t e r i a l sa n du l t r at h i ns t e e l ，h i g hw e l d i n gc u r r e n tb u tl o wh e a t i n p u ti sa l s or e q u i r e df o r t or e a l i z ee f f i c i e n tw e l d i n ga n dl o wh e a t i n p u tw e l d i n g ，l o t s n e wm e t h o dw e r ep u tf o r w a r do nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lw e l d i n g d u a l e l e c t r o d eg a s m e t a la r cw e l d i n g ( d e - g m a wf o rs h o r t ) i so n eo ft h en e ww e l d i n gm e t h o d s ；i th a s m a n yu n i q u ea d v a n t a g e si ne f f i c i e n tw e l d i n ga n dl o wh e a t - i n p u tw e l d i n g d u a l e l e c t r o d eg a sm e t a lw e l d i n gh a sm a n yf o r m s ：d e - g m a w , p u l s ed e g m a w , d o u b l ew i r ed e - g m a w , a n de a c hf o r mh a v ei t su n i q u ea d v a n t a g e s t h i s p a p e rr e f l e c t e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e et y p ed e g m a wm e t h o d st h a t m e n t i o n e da b o v e f i r s t l y , t os t u d yt h ei n f l u e n c eo nw e l ds e a ms h a p eb yb y p a s sc u r r e n t ， as e r i e so fw e l d i n gj o i n sw e r eo b t a i n e db yd e - g m a w o v e r l a yw e l d i n go nd i f f e r e n t v a l u ec o m b i n a t i o n s o fb y p a s sc u r r e n ta n db a s e m e t a l c u r r e n t c o m p a r e dt ot h e c o n v e n t i o n a lm i gw e l d i n g ，t h ei n f l u e n c el a wo fd i f f e r e n tb y p a s sc u r r e n to nt h ew e l d s h a p es i z e ，t h em i c r o s t r u c t u r ei nh a z ，a n dt h ew i d t ho fh a zw e r ea n a l y z e d s e c o n d l y , i nv i e wo ft h ec h a r a c t e ro fl o wa n dc o n t r o l l e dh e a ti n p u to fp u l s e d e - g m a w , j o i n t i n go fp l a t i n u ma n ds t e e lw a sc a r r i e db yp u l s ed e g m a wa n d c m t ( c o l dm e t a lt r a n s f e r ) m e t h o d a n dt h ea l u m i n i u m s t e e ljo i n t sw e r er e s e a r c h e d a n dc o m p a r e db ym i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n de l e c t r o np r o b ee l e m e n ta n a l y s i s r e s u l t s s h o w e dt h a tt h ei m c ( i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ) l a y e ri nt h ea l u m i n i u m s t e e ljo i n to f p u l s ed e g n a wi sa b o u t8l lml e s st h a n10l - tm ，w h i c hi st h eg e n e r a l l ya c c e p t e d c r i t i c a lt h i c k n e s s a n dt h em i c r o s t r u c t u r e sa r es i m i l a ri nt h ep u l s ed e g m a w j o i n t a n dc m t jo i n t ，b u tt h ep u l s ed e - g m a w h a st h eh i g h e rd e p o s i t i o nr a t e f i n a l l y ，t h eo v e r l a yw e l d i n gb yd o u b l ew i r ed e - g m a wa n dt r a d i t i o n a lm i g w e l d i n gw e r ec o n d u c t ，a n dt h ew e l d i n gt h e r m a lc y c l e sw e r em e a s u r e di nt h ec o n d i t i o n i v 硕士学位论文 o ft h ew e l d i n gp r o c e s sw i t hd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s a n dt h ec h a r a c t e ro ft h e w e l d i n gt h e r m a lc y c l e sa n dt h em i c r o s t r u c t u r ei nt h eh a zu n d e rd i f f e r e n tw e l d i n g p a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm i gw e l d i n g r e s u l t s s h o w e dt h a td o u b l ew i r ed e g m a wh a dl o wb a s e - m e t a lh e a t - - i n p u ta n dh i g ht h e r m a l e f f i c i e n c yh a dh i g hd e p o s i t i o nr a t e k e yw o r d s ：d e - g m a w ；h e a ti n p u t ；w e l ds h a p e ；m i c r o s t r u c t u r ei nh a z v 速度必然要增加焊电流，而大的焊接电流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过高从而导致焊缝组织性能变差、焊接变形变 大，使焊接质量下降。如何提高焊接电流同时又能使母材热输入减小或不变是目前困 扰高效焊的主要问题。 近年来提出的低热输入焊接法，主要应用在镀层钢板、轻金属材料、超薄高强板 等新材料的应用上。为精确控制焊接热输入，低热输入焊接法大多采用脉冲电源并且 焊接过程多为短路过渡，因此存在焊接过程控制复杂以及设备造价昂贵等缺点。同时 为实现低热输入，焊接电流较小，不利于焊接生产效率的提高。 旁路耦合电弧焊是一种新型电弧焊技术，可以在减小母材热输入的同时不减小熔 化焊丝的电流，能够实现高效焊：通过改进后，可精确控制焊接热输入，能够实现高 效的低热输入焊接，可应用于铝钢等异种金属的焊接。 1 2 新型高效电弧焊技术 常规电弧焊工艺，如熔化极气体保护焊( g m a w ) 在实行高速焊接时会出现“咬边 ， 当焊接速度进一步提高时，就会出现“驼峰”焊道，焊缝不连续【2 。3 】。正是由于这一原 因，常规g m a w 的焊接速度一般不超过l m m i n ( 即达不到高速焊接的水平) ，而在实 际生产应用中，焊接速度更是被控制在0 5 m m i n 以内。人们对高速焊的机理进行了大 量研究。文献【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 5 】认为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严重。 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【6 7 】的研究表明，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，并保持母材熔深 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，但这是一个矛盾。为了在保证焊接质量的前提下实现高速焊接，国内外焊接工作 旁路耦合电弧焊焊接参数对焊接热输入及焊缝的影响 者从焊接工艺等方面入手解决这个问题，提出了不少实现高速焊接的方法。 1 2 1 多丝多弧焊接技术 传统的弧焊工艺( 如t i g 焊、c 0 2 焊) 一般采用单电源供电或单焊丝的方式，近 年来日本、瑞士、德国等公司在多根焊丝配以单个或多个电源方面进行焊接开展了大 量的研究工作，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用化的成果。 日本i h h 发明了双弧t i g 焊法【8 】，能避免一个电弧时热量过于集中，防止电流太 大时发生烧穿。其原理如图1 1 所示。两个电极是四方形的，中间用绝缘材料绝缘， 另外用外加热丝补充；三者都采用脉冲电流，两个电极的脉冲和基值电流时间由同步 器协调至正好互补，但电流值不同。在横焊时两个电极一上一下，上电极电流小，下 电极电流大，可以进行窄间隙焊接。 日本的藤村告史【9 】开发的多丝焊接系统采用电流相位控制的脉冲焊接焊丝，电弧 在三条焊丝上轮流燃烧，在保证电弧挺度的同时，通过调节各焊丝之间的位置关系及 其焊接方向的夹角，来改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼峰等成形 缺陷。该方法可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1 8 m m i n 。 日本在5 4 届i i w 年会上发表的双丝m a g 1 0 】焊工艺，其原理是用熔池过热多余的 热量来熔化填充焊丝，增加熔敷率，同时用大电流提高焊接速度。在焊接电流大，焊 接速度快的施焊条件下，由于填充丝吸收了热量，母材热影响区热输入大为减少，减 少了性能恶化和变形，也改善了焊缝成形。如图1 2 所示，前面的焊丝产生电弧，后 面的填充丝直接插入熔池，流入熔池的电流有一小部分倒过来通过填充丝流入地线。 由于两根焊丝的电流相反，熔滴在反向电流产生的磁场排斥作用下向前倾斜，而使填 充丝能顺利送入熔池，填充丝下部导管用陶瓷保温，增加熔化率。 味冲拧涮 烬拨电流 图1 1高效双弧t i g 焊图1 2双丝m a g 焊 德国c l o o s 公司开发的适用于中厚板焊接的t a n d e m l l l 】高速双丝焊丝设备，将 两根焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊枪里，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( 如焊丝的材质、直径，是否加脉冲等) 也 可以彼此独立设定，从而保证电弧工作在最佳状态。与其它双丝焊技术相比，不仅可 2 硕十学位论文 大大提高焊接效率，而且由于两根焊丝处于同一熔池，降低了气孔 焊缝质量。正常条件下，t a n d e m 双丝焊工艺的焊接速度可达 2 - 6 m m i n ，熔敷率约2 0 k g h ，配用电源6 0 暂载率，电流2 x 5 5 0 a ，最高脉冲电流可 达l5 0 0 a 。奥地利f r o n i u s 公司开发出最新的高速焊接系统一t i m e t w i nd i g i t a l 工艺f 1 2 】， 与t a n d e m 工艺相似，t i m e t w i nd i g i t a l 工艺的最大焊接速度为g m a w 单丝焊焊接 工艺的2 3 倍，用1 2m m 焊丝焊接2 3 m m 厚铝板时的焊接速度可达到2 m m i n ，焊 接钢的焊接速度高达7 m m i n 。 1 9 9 8 年，美国k e n t u c k y 大学发明了一种能显著增加熔深，而且成本低廉的双面 双弧焊接工艺( d s a w ) 【l 引。d s a w 焊接方法有效地提高了电弧穿透力，增加了熔深； 减小了热影响区的尺寸；降低了试件厚度方向的温度梯度，从而有利于减小热变形。 其不足之处在于：该工艺需要同时在工件的正反面进行焊接，在实际应用中有很大的 局限性；由于其背面不能加垫板等，因而无法应用于薄板焊接，而只能用于中等厚度 板的直接对接焊接。 激光一m i g 复合焊 1 4 - 1 5 1 保持了激光焊的深熔、快速、高效、低热输人特点，同时 利用m i g 焊的复合，熔池宽度增加使得装配要求降低，焊缝跟踪容易，同时m i g 电 弧可以解决初始熔化问题，从而可以减少使用的激光器的功率，m i g 焊的气流也可以 解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题，m i g 焊便于加入填充焊丝，从而可以避免表面凹陷 形成的咬边。三菱重工最近开发了一种可快速实现坡口焊接和铝合金焊接的复合y a g 激光焊接系统【l6 1 。该系统将激光光束和电弧电极同轴合成在一个焊接电极头中，充分 发挥了激光焊接和电弧焊接的各自优点，降低了激光焊对坡口定位精度的要求，可以 焊接的间隙达到0 8 m m 的坡口；同时由于电弧减缓了激光照射部分的急剧冷却，可防 止焊接铝合金时产生结晶裂纹及气孔等。 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 ( d o u b l ee l e c t r o d eg m a w ，简称d e g m a w ) t 1 7 j 。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。 文献 18 】中提出了一种新型的双旁路电弧g m a w ( d u a l b y p a s sg m a w ，简称 d b g m a w ) 焊接系统，与单旁路d e g m a w 焊接过程相比，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，工艺过程更加稳定。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 3 旁路耦合电弧焊焊接参数对焊接热输入及焊缝的影响 力分别调节。文献 1 9 】的研究发现双旁路电弧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 且保证高焊丝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 以在等熔化率和等焊丝熔化总电流的情况下调节焊缝熔深。文献【2 0 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。 旁路耦合电弧焊的另一种形式为双熔化极旁路电弧m a g 焊系统( 即旁路电弧为 熔化极电极) ，又称双丝d e g m a w ，以及实验室最近发展的脉冲d e g m a w 。双丝 d e g m a w 具有更高的熔敷率，脉冲d e g m a w 可以实现更精确的焊接热输入控制。 1 2 2 改变保护气体成分或焊丝成分的焊接工艺 通过改变保护气体或焊丝成分，来改善熔滴过渡，增加熔滴和熔池间的润湿性， 从而可以避免在高速焊接时咬边现象的产生，得到性能良好的焊缝。 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【2 ，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，最 高焊接电流可达7 0 0 a ，送丝5 0 m m i n ，最大熔敷率达2 6 k g h 1 2 2 j 。德国林德公司的 l i n f a s t 方法同样采用了多元保护气，获得了类似的焊接效果【2 3 1 。 瑞典的a g a 公司通过改变保护气体的成分而研发了r a p i da r c 工艺【2 4 也5 1 。该工 艺采用高速送丝、大干伸长和低氧化性气体m i s o n ( 该公司专利产品) ，由于m i s o n 气体增强了熔池润湿性，因而焊缝与母材过渡平滑，得到的焊缝平坦，可在1 - - 2 m m i n 的速度下进行焊接而不出现成形缺陷，这种焊接方法已经在欧洲得到成功推广。 日本神户制钢推出了高速焊接专用焊丝m i x i p s ，通过加入合金元素，降低了熔 滴的表面张力和粘度，增强了其润湿性，通过焊丝表面处理等促进了电弧喷射过渡， 与原来的焊丝相比，焊接速度提高了0 5 倍以上【2 6 1 。 改变保护气体或焊丝成分的方式虽可提高焊接速度，但是不可避免地会增加焊接 成本。 1 2 3 磁控m a g 焊 外加纵向磁场作用于焊接过程能够细化t i g 焊的焊缝晶粒、抑制气孔的生成，提 高埋弧焊的焊丝熔化速度1 27 ，减小短路过渡c 0 2 焊的焊接飞溅1 2 引，提高细丝大电流 m a g 焊的熔敷效率1 2 9 j 等。文献【3 0 首次采用外加磁场控制焊接电弧，以无氦混合气体 保护，在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式；解决了连续大电流区间熔 滴过渡稳定性问题，实现了无氦混合气体保护的高熔敷率m a g 焊工艺。文献 3 1 ，3 2 1 利用磁控大电流m a g 焊方法实现了对不稳定旋转射流过渡的有效控制，并分析了由 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 4 硕士学位论文 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地控制高效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。 通过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 较高，容易产生焊缝成型缺陷。 1 3 低热输入电弧焊技术 随着技术的进步，焊接新工艺、新材料、新方法不断运用到制造业中。镀层钢板、 轻金属材料、超薄高强板等新材料的焊接对传统焊接技术提出了新的挑战。现在常用 的一些焊接技术在这些材料焊接中存在各种问题：铝合金激光焊及激光电弧焊存在成 本高、能耗大、容易产生气气孔、合金元素易烧损、裂纹的敏感性较高等问题【3 3 】；电 阻点焊在铝合金结构件的连接中遇到能耗大、电极易失效、点焊质量不稳定等困难； 常用于镀层薄板焊接的m i g 钎焊因其焊丝很软，参数众多，焊枪施焊方式对焊接质量 影响较大，因此对焊接电源、送丝系统和焊枪有非常严格的要求；搅拌摩擦焊由于其 原理的限制，使被焊工件的厚度受到影响，不能自由选择接头，目前只限于结构刚性 大的构件加- v 3 4 弓5 。t i g 焊电弧稳定，可以用来焊接薄壁结构零件，对于焊接铝等有 色金属比较理想，但由于焊接速度慢、生产效率低，极大地限制了其在生产中的广泛 应用。鉴于此，世界各国都开始研究新型低热输入焊接技术，并取得了一定进展。目 前，国外奥地利的f r o n i u s 、德国的e w m 、德国c l o o s 等公司已经各自开发出了的 低热输入焊接技术，国内北京工业大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等研究机构 也进行了相关的研究。 1 3 1 脉冲电弧焊技术 德国e w m 公司推出e o l d a r e “冷弧焊 技术是的一种先进的脉冲电弧焊技术1 3 6 1 ， 具有与f r o n i u s 的c m t 技术类似的短路过渡过程控制，即在焊丝与工件短路并形成缩 颈之后、即将爆断之前主动降低电流，实现少、无飞溅的短路过程，并降低焊接热输 入。 e w m - - c o l d a r c 焊接方法和传统的短路过渡相比，具有独特的控制波形：在燃弧 开始时将电流快速下降以减少再引燃电弧时的能量输出，等电弧稳定后，即到了燃弧 中期时再通过脉冲电流的方式使焊丝端头产生熔滴，到燃弧后期时再将电流降低。该 方法降低了短弧焊过程中电弧重燃时出现的局部能量高峰。通过控制短路过渡时的电 弧能量，使每次过渡的熔滴大小均匀，焊缝成形均匀，同时又将焊接过程中电弧的能 量降至最低，使适合铝钢异种金属的连接。a l e gf r a n c l 3 7 】利用冷弧焊技术进行了铝钢 焊接试验，通过力学性能测试和微观组织观察表明，在一定参数范围内，利用冷弧焊 技术能得到良好的焊接接头。e o l d a r c 方法焊接过程不要求送丝速度变化，在经济上要 优于c m t 法。 5 旁路耦合电弧焊焊接参数对焊接热输入及焊缝的影响 簸懿过渡 图1 3冷弧焊熔滴过渡与电流电压波形 e w m 的冷弧焊方法主要依靠电子电抗器实现电流的波形控制，在熔滴短路过渡 时将主电路中的滤波电感用电子开关旁路掉，使主回路电流急剧下降。这种方法的冷 弧时间短而不可控制，效果不好。从其应用报道来看，这种方法一般焊接板厚最小为 o 5 m m ，大多为0 7 m m 。但是，单纯利用脉冲电源同时实现电弧、熔滴和焊接热量的 精确控制对电源动特性和过程信号处理的要求非常高，焊接参数的理想匹配区间及调 节范围也很窄。最后，c o l da r c 法从原理上因为采用短路过渡的方法，通过“小桥 爆断完成熔滴过渡，不可避免地会产生飞溅。 1 3 2 变极性脉冲电弧焊 根据采用不同极性接法时焊接过程对母材和焊丝的加热作用差别巨大的原理，德 国c l o o s 公司于2 0 0 2 年提出了c o l dp r o c e s s ( 冷焊) 技术，并成功开发出了世界第一台 变极性m i g m a g 焊机g l c 3 5 3 q u i n t oc p ，有效解决了薄板焊接的问题。 冷焊工艺主要用于焊接0 2 2 m m 的薄板( 钢、铝、镀层板、异种金属) ，可以手工 焊和自动焊，能实现短弧c p 和脉冲c p 冷焊工艺。c p 冷焊工艺作为一种熔化极气体 保护焊，利用如图1 4 所示特有的波形，正负极在焊丝上不停地交替变换。脉冲电流 控制焊丝在正极性半波时间内过渡。焊丝为负极性的主要作用是降低电弧输入熔池的 热量及降低电弧对熔池的压力，并且提高焊丝的熔化速度，提高熔敷速度。这种焊接 工艺，可获得稳定的焊接电弧及熔滴过渡过程，是焊接薄板比较理想的工艺【3 引。 6 。j，。?。一?ji，一，- ? ，i ，；? ，、。，j 图1 4 脉冲冷焊熔滴过渡和电流电压波形 冷焊工艺的突出特点是把脉冲弧焊的速度提高到一个新的纪录。其次对比前述工 艺可以采用更大直径的焊丝，具有较强的间隙覆盖填充能力，可以实现脉冲和非脉冲 工艺。 c b t ( a cc o n t r o l l e db r i d g et r a n s f e r ) 法是由大阪变压器公司o t c 研发出来的一 种交流短路过渡焊接技术，它通过在正( e p ) 负( e n ) 输出极性之间相互切换进行焊接， 其极性比率( e n 比率) 可自由变更。这种方法不仅搭桥能力良好，而且满足不同材料薄 板低热输入焊接的要求，熔敷量也可以自由调整和控制，解决了起弧部位熔深不足的 问题( 起弧时使用e p 极性，再切换到薄板的交流模式) 1 3 9 】。从目前公开的资料来 看，该方法在低至0 8 m m 的薄板焊接上能取得不错的效果。图1 5 所示为使用a c c b t 方法进行焊接的电流及电压波形。这种方法的不足在于只通过切换输出极性对电 压进行反馈来实现弧长稳定是非常困难的。另外，某些e n 极性时的短路过渡周期， 使熔滴受到较大的排斥力，易造成整个焊接过程不稳定，因此在实际使用时有较大的 限制。 7 旁路耦合电弧焊焊接参数对焊接热输入及焊缝的影响 3 0 1 5 幽0 曾一1 5 詈；7 5 0 5 摄0 茹- 1 7 5 。 一3 5 0 2 s 2 5 2 2 5 4 2 5 62 5 8 2 6 时间如 图1 5a c - - c b t 实际焊接波形图 本周期交流短路过渡控制法是一种在一个短路过渡周期中通过两次不同极性转变 完成交流短路过渡焊接过程控制，实现对工件低热输入调节的一种焊接方法。具体为 在短路阶段保持焊接过程为e p 极性，当程序判断进入燃弧时，即转变为e n 极性，在 燃弧后期极性将再次转变为e p 极性，具体控制波形如图1 6 所示【4 叭。该方案整个控 制过程在一次短路过渡周期中完成，增加了焊接过程能量调节的灵活性，并通过调整 e n 极性时间的长短和电流的大小以及燃弧后期转变为e p 极性，保证了整个焊接过程 稳定，飞溅较d , t 4 1 1 。缺点是控制波形复杂，对系统实时性要求较高，短路过渡周期时 间具有一定随机性，波形一致性较差。 3 0 0 姜2 0 0 = 1 0 0 墨0 1 0 0 051 01 52 0 2 53 0 3 54 04 55 0 时回t m s 图1 6 本周期交流短路过渡控制波形图 1 3 3 焊丝回抽辅助熔滴过渡焊接法 国外f r o n i u s 公司提出的热输入精确控制型m i g 焊方法一一c m t ( c o l dm e t a l t r a n s f e r ，冷金属过渡) 【4 2 1 。c m t 是针对异种材料、超薄板和镀层金属焊接开发的一种 精确控制热输入的新型焊接工艺。其特点就是利用熔滴短路时焊丝回抽使熔滴过渡所 需要的力不再完全依赖电弧电流，而使其主要用于加热焊丝和熔池，使得焊接过程需 要的热和力分别从两条渠道按各自的最佳要求提供使焊接参数的调节更加灵活，更容 易满足铝钢异种金属焊接的要求。z h a n g ，h t ，s t a u b a c ha g u d o l 4 引，p i n t oh 1 4 4 】等学者 也通过试验研究肯定了冷金属过渡技术在超薄板，镀锌板焊接上的优异性能。文献 4 5 】 8 硕十学位论文 采用冷金属过渡方法( c m t ) 对铝和镀锌钢板异种材料进行了熔钎焊连接。试验结果表 明，铝和镀锌钢板能得到成形良好的搭接接头。在进行拉伸试验时，断裂发生在铝母 材的热影响区，接头强度为7 2 0 9 m p a 。文献 4 6 通过建立的电弧形态视觉传感系统以 及电流电压波形采集系统研究了镀锌层对铝镀锌钢板c m t 熔钎焊电弧加热行为的 影响。 但是c m t 方法推拉丝频率要达到7 0 次秒才能利用焊丝回抽实现熔滴过渡的能量 和电弧力解耦，而且对电源脉冲波形的检测和控制要求也很高，导致c m t 焊接系统 的控制和机械系统非常复杂，设备成本高，限制了其应用。同时c m t 焊接熔滴过渡 时为了保证短路过渡的稳定和防止飞溅产生，焊接电流降得很低导致铝焊丝尖端熔滴 温度下降很多，不利于铝合金熔滴在钢表面的浸润和铺展，会影响接头质量，对于有 些焊缝有时需要选择特殊的焊丝才能解决该问题。 n l e i ( n e wl o we n e r g yi n p u t ) t 4 7 】焊接法是北京工业大学开发的一种基于短路过渡 的低能量焊接方法。该方法的基本思路是：首先通过设定焊丝的运动曲线，使其周期 性地做前进后退的往复运动，焊接过程不需要在线调整，同时使焊接电源配合焊丝的 运动输出相应的电流、电压波形，实现稳定的推拉丝短路过渡，达到降低焊接过程能 量输入的目的。 图1 7 所示为n l e i 焊接法的波形控制方案。由图可以看出，整个周期由4 部分 组成。a _ b 段为短路初期，焊丝处于前进末期，这时将电流降至一个较小值，防止短 路瞬间电流上升过高；b c 段为短路后期，焊丝运动处于回抽初期，将电流升至一个 稍大值，保证在焊丝回抽拉断熔滴瞬间电弧顺利的再引燃，同时对熔滴进行一定的预 热，另外有利于形成颈缩；c _ d 段为燃弧初期，焊丝回抽拉断熔滴，将电流迅速提升 至一个较高值，保证电弧顺利的再引燃并促进熔化焊丝形成熔滴以及加热母材；d e 段为燃弧中后期，此时电流降为基值电流，直到再次发生短路，用以维弧并对熔滴进 行整形【4 8 - 4 9 1 。 i ： 、ljl il l + li， 。j ll 1 l 短路- 一燃弧一一 产一短路1 _ 一燃弧1 图1 7n l e i 焊接法的波形控制方案图 9 t m s 旁路耦合电弧焊焊接参数对焊接热输入及焊缝的影响 文献 5 0 采用常规4 0 4 7 焊丝进行了铝和镀锌板的焊接实验，接头中金属间化合物 层的厚度3 - - 4pm ，拉伸试验表明，焊缝接头在铝合金热影响区断裂，且强度值高于 铝合金母材强度的7 0 ，接头强度基本满足使用要求。c m t 方法在铝钢异种金属焊接 中的成功应用证明只要在m i g 焊中解决好熔滴过渡和精确控制热输入的矛盾，通过工 艺优化就可以得到满足工程使用要求的铝钢异种金属接头。 n l e i 焊接方法的特点是利用焊丝的运动与电流波形的严格配合实现低能量输入 焊接。与c m t 法相同的是整个焊接过程均需要通过改变焊丝的送进方向来满足焊接 过程控制的需要，所以也同样存在焊接过程控制复杂以及设备造价昂贵等缺点，因此 不利于大面积普及使用。 1 4 课题背景及研究内容 上述提到的新型高效焊方法都是通过增大单位时间的焊丝熔化速度来达到高效的 目的，本质没有改变大的焊接电流必然产生大的热输入这一问题。目前低热输入焊接 工艺的主要分为：短路过渡+ 送丝控制、短路波形控制、交流短路控制、交流脉冲控 制这几种。虽然这些方法有些取得了不错的焊接效果，但也存在一定的不足：有的焊 接方法控制复杂、设备昂贵；有些焊接方法稳定性不足，有一定飞溅。因为对于 m i g m a g ，熔化焊丝的电流等于作用于母材上的电流，过大的焊接电流电流不仅使焊 丝熔化，同时使熔池变大，焊接变形及焊接应力增加。而较小的焊接电流对焊接熔池、 焊接变形和焊接应力的影响较小，但是不能满足焊接高效化的要求。同时过小的焊接 电流使焊接电弧稳定，过程控制难度增加，焊接设备成本增加。 旁路耦合电弧焊利用旁路电弧的分流作用，具有高效低热输入的特点，在焊接生 产上拥有广阔的应用前景，但是目前的研究还处于实验室阶段，还需要进行大量的研 究来实现其应用。 作为一种新型高效低热输入低成本的电弧焊焊接方法，课题组为旁路耦合焊的推 广应用进行了大量研究，目前研究方向主要集中在信号采集、过程控制和焊接工艺， 但是其焊接参数与焊接性能的研究才刚刚开始。 本文从旁路耦合电弧焊的工艺应用出发，主要研究不同类型旁路耦合电弧焊方法 的焊接参数对焊接热输入和焊接接头的影响，分析不同旁路耦合电弧焊的特点。并建 立焊接热循环曲线测量系统，为进一步研究焊接电弧、熔池模型提供实验数据支持。 1 0 i 硕士学位论文 2 章d e g m a w 焊接参数对焊缝的影响 常规m i g m a g 焊，要提高焊接速度，就必须提高焊丝熔化速度，提高焊丝熔化 速度就必须提高通过焊丝的焊接电流，通过焊丝的电流等于作用在母材上的焊接电流， 因此要提高焊丝的熔化速度，就必然增加对母材的热输入和电弧压力。这是高速焊时 必须解决的一道难题。d e g m a w 是一种新型高效焊接方法，2 0 0 4 年由美国肯塔基大 学张裕明【1 7 】提出，该方法最早是通过在m i g 焊接系统上并入p a w ( p l a s m aa r e w e l d i n g ) 焊枪，使通过母材的电流被旁路涮电弧分流来达到减小母材热输入的目