国内外埋弧焊的发展状况.pdf

6 8 5 李鹤岐 王新 蔡秀鹏 唐雪锋 杜丽敏 兰州理工大学 材料学院 甘肃 兰州 H C G8IE25 GI5EJ5 7538 0 H 005 N I L 8O53P87Q J 56 0 N I RP73 67 5 22086 78 8P7 3Q 67I 087Q J S 9 756 8FI5 35 J83P70Q 8 73 I65 8 7 8P 2 253 M557 7 5 5M J 7 5 S 9 6 73 0 7 8P 2 253 8 73 I65P 7 5 5P8 J 80 6 73 0 PQP75M J 3 PIRM5336 T50 8 22086 R05 7 O 38 IP P 37P J T50 8 J55 T835 5O865 3 O5 RQ KH M 7 3 M863 23 65PP 3 6 73 005 C U 8 O53755 PIRM5336 T50 8 C7 8 73 I65P 7 5 756 0 3 67538P786P IP O 7 5P J MI078E2 T53 P I365P P5385P P5FI5 65 IR05 MI078205 T835 PIRM5336 T50 8 P8 PO53P5 IR05 T835 PIRM5336 T50 8 7 T835 J8005 PIRM5336 T50 8 P8 05 2 T53 P I365 P5385P IR05 T835 PIRM5336 T50 8 80 V5Q T 3 P PIRM5336 T50 8 HL K80 6 73 0 SHW 35678J853 8 O53753 2 T53 P I365 8 5JJ8685 6Q 收稿日期 调节器组成的电子 电抗器对焊接过程的短路电流上升率 进行 控制 从而得到 的一个优化范围 7 8操作性好 微机控制的弧焊机通常具有较好 的操作界面 根据不同的焊丝直径 焊接的板厚进 行焊接参数预置 再现 记忆 监控各焊接参数 根 据不同需要变换参数 并且具有数字显示等功能 738实现协同控制 根据工件厚度不同 同时按所 需的电弧电压 电流7送丝速度8 甚至电感量的一元 化调节 而不必逐个调节这些焊接参数 7 8稳定性好 电源特性由控制算法决定 不会出 现因模拟控制中零漂及元件分散性等因素造成性 专题讨论第 卷 电焊机 能下调或不一致 工艺程序的控制和焊接故障的诊断 微机控 制可以满足各种焊接工艺程序的要求 如提前供 气 电流的递增和衰减 并能够对焊接过程的各种 故障进行诊断和报警 易于开发 微机系统采用积木式结构 其开 发周期短 开发成本低 纵观当今埋弧焊机的发展趋势 可以归纳如下特 点 高精度 高质量 高可靠性 数字化 集成化和智能 化控制 大型化 组体化及管控一体化和多功能化 微机控制多功能晶闸管焊机 图 是以 高速微处理器为核心的 电源和焊接过程控制系统 该系统适应于各种焊接 整流器 包括磁饱和放大器电路 双反星主电路 三 相半控桥 三相全桥以及六相半波等晶闸管主电 路 直流电机驱动的送丝机构及各种交流电机控制 埋弧焊控制器以 个单片机为核心构成 一片用于 电源外特性控制 通过电源的输出电流和电压联合 反馈 控制其外特性和动特性 满足不同焊接方法 的要求 控制器安装在电源内部 另一片完成埋弧 自动焊过程控制 通过电弧电压和电枢电压反馈 控 制送丝速度和小车速度 并完成参数设置和焊接过 程控制 控制器安装在埋弧焊机头上 个控制器之 间通过串行接口交换数据和命令 在焊接过程中 采 用数字 控制算法 由电流电压联合反馈调节电源 输出特性 通过电弧电压及电机电枢电压双反馈调 节送丝速度 可获得精确的焊接工作点控制 控制软 件根据焊丝与工件是否短接自动选择回抽或划擦 引弧 收弧过程通过电流衰减方式实现填充弧坑 由 01显示器及液晶显示器构成的人机界面 用于系 统变量 工艺参数和动态焊接数据的设置 显示 记 忆和管理 拓宽了焊机的功能 焊接操作机控制器也由 个单片机为核心构 成 一片完成横臂伸缩控制 另一片与变频器共同 完成台车及转台的控制 在焊接操作机控制过程中 仍采用数字 控制算法 通过电枢电压反馈调节横 臂速度 从而获得稳定行走速度 两个系统之间采用 抗干扰能力较强的光电隔离 23电流环串行通 讯接口 相互交换数据 并且低阻传输线对电气噪 声不敏感 该系统具有4个优点 其一 焊接过程中 必须 同时完成电源输出特性 送丝速度和焊接速度调 节 即焊接电流或电压反馈 电弧电压反馈 送丝和 小车电机电枢电压反馈5个模拟闭环控制 实现多 任务的控制 因此采用两个并行系统有助于提高实 时性 改善动态品质 其二 采用通讯接口交换数据 和命令 减少了电源与机头之间连接电缆的数量 且无须在机头上安装电流传感器 有利于提高系统 的抗干扰能力 降低成本和方便使用 其三 采用 23电流环串行通讯 可以实现比678 4 更长 的通讯距离 并且保持极低的错误通讯率 该控制器 适应于各种主电路形式的焊接整流器和直流电机 驱动的送丝机构 能较好满足埋弧自动焊控制的要 求 控制器具有焊接参数预置 记忆 锁定 数显以及 自动引弧 收弧等功能 焊接电源采用晶闸管整流电路 用不同方法计 算偏差 进行多变量数字解耦 调节 获得恒电流 恒电压 陡降和缓降5种输出静特性 送丝通过 个 调节器进行双闭环控制 分别进行电枢电压反馈 和电弧电压反馈 采用设计的 23电流环串行接 口和通讯协议 进行电源与过程控制器数据交换 满 足埋弧焊实时控制要求 采用电流衰减收弧控制方 案 改善了弧坑的焊缝成形 同时设计的人机界面丰 富了埋弧自动焊机的功能 模块化设计系统软件 根据各个模块功能划分 包括埋弧焊过程控制 采样 转换 人机对话 系统参数设置 参数备份 联机通 讯等 设计了算术平均值滤波 控制等多种算法 保证系统的实时性和精确性 微机控制埋弧焊逆变焊机 采用微机控制技术和逆变技术相结合的一种 功能齐全 性能稳定 具有多种输出外特性的逆 专 题 讨 论 埋 弧 焊 技 术 及 设 备 图 埋弧自动焊数字控制器结构 专题讨论 李鹤岐等 国内外埋弧焊的发展状况第5期 4 变埋弧自动焊系统 整体结构如图 所示 整个系统 由逆变电源主电路 控制电路 行走小车 部分 构成 主电路实现功率的转换与隔离 控制系统同 时对主电源和整个埋弧自动焊焊接过程进行控制 图 逆变埋弧自动焊系统整体结构 专 题 讨 论 埋 弧 焊 技 术 及 设 备 控制系统以高性能单片计算机 为 核心构成 对电源输出特性 送丝速度 焊接速度和 焊接过程实行数字控制 控制系统设计成单板结 构 即电源 送丝 小车和过程控制组件全部集成在 一个电路板上 大大增强了其可靠性和可维护性 一 方面 焊接过程中单片机不断采样焊接电流 电压 通过电流和电压的联合反馈 调节电源输出外特性 和动特性 控制电源输出功率以满足不同焊接方法 的要求 另一方面 通过电弧电压反馈控制送丝速 度 以获得精确的焊接工作点控制 同时按给定值调 节小车速度 并完成对焊接过程的流程控制以及参 数设置 显示 保护等功能 控制器由控制电路板 操作盒及连接电缆构成 控制电路板安装在逆变主电源内部 操作盒在焊接 机头上 主电源与操作盒之间通过带航空插座的电 缆连接 相互传递数据 操作盒的操作面板上设有 参数设置 开关量键操作和数码管显示等功能 高效化埋弧焊接 进入 世纪 科学技术突飞猛进的发展 高效 化焊接已经提到日程 埋弧焊接高效化已是国内外 焊接加工技术研究和应用的重要趋势 以前在高效 化焊接中主要以材料焊接方面的问题居多 随着冶 金业的进步 焊材的可焊性提高 对线能量不再敏 感 允许使用大电流焊接 另外 焊接过程机械化与 自动化水平的提高 也要求提高焊接效率 高速焊接 和高熔敷率焊接是今后焊接技术的发展方向 而双 丝高速高效焊接又是热点之一 它将在工业生产中 得到越来越广泛的应用 多电源串列双 多 丝埋弧焊 多电源串列双丝埋弧焊中每一根焊丝由一个 电源独立供电 根据两根焊丝间距的不同 其方法 有共熔池和双熔池 分离电弧 两种 前者特别适合焊 丝掺合金堆焊或焊接合金钢 后者能起到前弧预热 后弧填丝及后热作用 以达到堆焊或焊接合金不出 裂纹和改善接头性能的目的 在双丝埋弧焊中多用 后一种方法 如图 所示 图 双电源串列双丝埋弧焊示意 每根焊丝都有几种选择的可能 或一根是直流 一根是交流 或两根都是直流或两根都是交流 若在 直流中两根焊丝都接正极 则就能得到最大的熔深 也就能获得最大的焊接速度 由于电弧间的电磁干扰 和电弧偏吹的缘故 最常采用的布置是一根导前的 专题讨论第 卷 电焊机 焊丝反极性和跟踪交流焊丝 或是两根交流焊丝 直 流 交流系统利用前导的直流电弧较大的熔深 来提供 较高的焊接速度 通常在略低电流下正常工作的交 流电弧 将改善该焊缝的外形和表面光洁度 尽管多电源串列双 多 丝埋弧焊有许多不同的 布置方法 但实际上每种布置方法都是两种或更多 的单丝埋弧焊装置的组合 理论上可以串列很多丝 进行焊接 但实际上研究和应用最多的是串列双丝 或三丝系统 串列三丝埋弧焊通常采用 直流 交流 交流 和 交流 交流 交流 两种系统 前导焊丝采 用大电流 低电压保证良好的熔深 跟踪焊丝采用 小电流 大电压以得到光洁的焊缝表面 中间焊丝 的焊接规范在上述两者之间 这种工艺具有熔深较 大 熔敷速度较高 焊缝金属稀释率接近单丝埋弧 焊的特点 因而提高了焊接速度与焊接质量 在国外 的造船厂 高压容器厂和制管厂得到了广泛的应用 这种工艺在我国的制管厂也得到了一定应用 图 为双电源串列双丝埋弧焊控制系统示意 图 该方案采用双电源串列双丝形式 将两种单丝埋 弧焊装置组合在一起 每一根焊丝由一个逆变电源 独立供电 焊接时形成两个熔池 这样有前弧预热 后弧填丝及后热的作用 台焊机的参数都独立可调 电源形式为直流电源 采用直流反接方法可以获得 最大的熔深 图 双电源串列双丝埋弧焊控制系统 从控制角度讲这是一个复杂的多任务系统 为 满足焊接过程实时控制和可靠性要求 每个逆变电 源系统的控制系统都以一片单片机 为 核心构成 分别完成各自的控制任务 具体控制功 能的分工不同 控制系统 的主要功能是 对逆 变电源 的外特性进行控制 控制送丝系统 的 调速 行走小车的调速 控制系统 的主要功能 是 对逆变电源 的外特性进行控制 控制送丝 系统 的调速 实时显示焊接参数 通过 的 和0 接口串行通讯交换数据 实现 台 焊机的协调工作 单电源并列双丝埋弧焊 该方法实际是用两根较细的焊丝代替一根较粗 的焊丝 两根焊丝共用一个导电嘴 以同一速度且 同时通过导电嘴向外送出 在焊剂覆盖的坡口中熔 化 如图1所示 焊丝的直径可以相同也可以不相同 化学成分也一样 焊丝的排列 焊丝之间的距离影 响焊缝的形成和焊接质量 而焊丝之间的距离及排 列方式取决于焊丝的直径和焊接参数 由于两丝靠 得比较近 两焊丝形成电弧共熔池 并且两电弧互相 影响 正是并列双丝埋弧焊优于单丝埋弧焊的原因 交 直流电源均可使用 但直流反接能得到最好的效 果 两焊丝平行且垂直于母材 相对焊接方向 焊丝既 可纵向排置也可横向排置或成任意角度 图 单电源并列双丝埋弧焊 这种并列双丝焊的优点有 能获得更高质量 的焊缝 这是因为两电弧对母材的加热区变宽 焊 缝金属的过热倾向减弱 平均焊接速度比单丝焊 提高 1 2 焊接设备简单 这种焊接方法在很多 方面可以和串列双丝埋弧焊的焊速和熔敷率相比 而设备的投资费用仅为串列双丝埋弧焊设备的一 半 所以这种工艺很容易推广到多丝焊 冷丝和热丝填充埋弧焊 冷丝和热丝填充埋弧焊是在普通埋弧焊基础 上 附加一套送丝机构 从侧面给焊接熔池填充焊 丝 如图 所示 冷丝填充埋弧焊的填充焊丝无电源 供电 故称 冷丝 热丝填充焊丝则由预热电源加 热至接近熔化状态后均匀送入埋弧自动焊所形成 的熔池内 称为 热丝 冷丝填充方法由于焊接电流增大 在得到深熔 池的同时保证成形良好 而且能减小了焊接热影响 区 这对热敏材料非常需要 既可减少过热损害 又可 节约电能 提高生产率 专 题 讨 论 埋 弧 焊 技 术 及 设 备 专题讨论 李鹤岐等 国内外埋弧焊的发展状况第 期 1 热丝填充是一种可以提高焊接时填充金属熔 化量进而提高焊接效率的好方法 特别适宜于焊接 厚度在 以上开坡口的工件 是一种简单 方 便 可行的新工艺 热丝填丝埋弧焊的优点 热丝 被加热到近于熔点温度熔入埋弧焊熔池 因而可大 幅度提高埋弧焊效率 一般可提高熔敷速度 以 上 热丝先靠电阻热加热 加热范围小 能耗少 热丝的填充相对降低了熔池的温度 故焊缝热影响 区小 接头力学性能优良 因为不存在其他双丝焊所 存在的两电弧相互干扰问题 又具有熔敷率高 焊接 质量好等优点 热丝填丝埋弧焊在国内外研究和应 用都较多 热丝填丝埋弧焊可以用 个电源 也可 以用 个电源 单电源串连双丝埋弧焊 两丝通过导电嘴分接电源正负两极 母材不通 电 电弧在两焊丝之间产生 即两焊丝是串连的 这 种方法在实际生产中应用不广 在我国还没有开展 这方面的研究 综上所述 各种双 多 丝埋弧焊方法均可以提 高埋弧焊焊接效率 但各有特点 单电源串连双丝埋 弧焊可得到最小的焊缝稀释率和最小的热输入 单 电源并列双丝埋弧焊实际是用两根较细的焊丝代 替一根较粗的焊丝 可获得较快的焊接速度和良好 的焊缝质量 多电源串列双丝埋弧焊实质上是多个 单丝埋弧焊的叠加 具有熔深大 熔敷速度高 焊缝 金属稀释率接近单丝埋弧焊的特点 冷 热 丝填丝 埋弧焊的电弧热利用率最高 归纳起来双丝埋弧焊 具有以下优点 相对于单丝埋弧焊 提高焊接速 度 可提高焊接生产率 焊接质量好 减少局部夹杂和焊缝气孔数量 提高焊丝熔敷率 和焊接电流的利用率 焊缝成形美观 其他高效埋弧焊 带状电极埋弧焊 此种方法具有最高的熔敷 速度 最低的熔深和稀释度 尤其是双带极埋弧焊 因此是表面堆焊的理想方法 带极埋弧堆焊的关键 是要有合适成分的带材 焊剂和送进机构 一般常用 的带宽为 宽带极埋弧堆焊采用轴向外加磁 场或横向交变磁场 可以有效地提高宽带堆焊层的 堆高和熔深均匀性 单面焊双面一次成形埋弧焊 在一定的板厚 坡口及间隙条件下 采用适当的强制成形衬垫可以 实现单面焊双面一次成形对接埋弧焊 这种施焊 方法可以免除焊件翻身 提高生产率 但由于受电弧 能量密度的限制 只能在 以下板厚条件下 应用 埋弧焊单面焊双面成形的关键是设计合理的 强制成形衬垫装置