【交叉耦合电弧焊接方法探究5400字（论文）】

交叉耦合电弧焊接方法研究摘要交叉耦合电弧焊接方法作为一种新型的高效焊接方法，将非熔化极电弧（GTA或PA）和熔化极电弧交叉耦合，非熔化极电弧在电极和工件之间燃弧，主要决定工件的热输入、熔滴和熔池的力输入，熔化极电弧在两根焊丝之间燃弧，与工件之间没有电的联系，主要控制金属的熔敷和部分工件的热输入。交叉耦合电弧的非熔化极电弧和熔化极电弧焊接规范参数可以单独调整，实现了工件热输入、金属熔敷和电弧力的解耦控制，可根据焊缝的需求，调整焊接规范得到理想的焊缝，为实现优质高效电弧焊接提供新的技术手段。针对交叉耦合电弧多参数和焊接过程的复杂性，以等离子弧焊接电源、双丝间接电弧焊接电源和交叉耦合电弧同步控制器为硬件基础，搭建了交叉耦合电弧焊接电源系统，实现了等离子电弧和丝间电弧的协调控制。关键词：交叉耦合电弧焊、绕弧行为、解耦、熔滴过渡目录TOC\o"1-3"\h\u21657摘要 118691第1章绪论 3314421.1引言 3300621.2高效化GMAW焊接发展现状 3240501.3复合焊 416904第2章本课题的研究背景及主要研究内容 522562.1课题研究背景 5142202.2课题主要研究内容 519852第3章交叉耦合电弧焊接原理及系统建立 6252483.1交叉耦合电弧焊接方法原理 694943.2交叉耦合电弧焊的特点 79773.3焊缝成形可控 713240第4章交叉耦合电弧焊工艺实验 8175114.1熔滴过渡机制 8253754.2交叉耦合熔滴过渡 8160894.3交叉耦合电弧焊焊缝成形 817783结论 924556参考文献 9第1章绪论1.1引言二十世纪金融危机的影响，全球加工制造业产出持续走低，联合国工业发展

组织发表的2015年首份全球制造业季度报告指出，世界制造业增长持续低位，

工业化国家的制造业产出增长1.3%，而中国2015年工业的产出增长高达6%，

远高于全球增速，而新一轮的工业革命必将带来生产技术的重大变革，创新成为

推动加工制造增长的新动力。随着我国工业的快速发展，加工制造业在国民经济中占据了越来越重要的地

位。2015年全球粗钢产量达到16.23亿吨，而我国的粗钢产量高达8.04亿吨，

占全球市场率的50.3%，有近三分之一钢铁等材料涉及焊接加工[7]。我国各类焊接材料的产能已达到750万吨，自动化、半自动化的焊接材料比例已提升至57%，如图1-1所示，中国已经成为一个焊接生产大国，但在焊接质量方面与国外仍有显著差距。焊接作为现代加工制造业中不可或缺的一个环节，在工业生产中有着至关重要的影响。图1-1主要焊接材料占总产量的比例1.2高效化GMAW焊接发展现状近几年在GMAW焊接领域中，国内外学者对于如何提高焊接质量和焊接生

产效率进行了大量的研究。随着工业机器人技术的成熟，机器人焊接应用日益广

泛，对焊接效率提出了更加迫切的需求，以便能够发挥机器人焊接的优势，而提

高焊接效率主要包含两方面：

一是以提高焊接速度为目的的高速焊接。常规GMAW焊的最高焊接速度一

般低于1m/min，高速焊在提高焊接速度的同时适当提高焊接电流，保证焊丝的

熔敷速度。而在传统GMAW焊接过程中，大幅提高焊接速度，虽然可以降低焊

缝热输入，但熔滴过渡和熔池流动处于不稳定状态，导致焊缝出现未焊透、未熔

合、咬边、驼峰焊道等缺陷。为了减小高速焊的缺陷，如何合理匹配焊丝

和母材之间的热量是提高焊接速度的关键点。

二是以提高焊丝熔化速度为目的的高熔敷焊接。常规GMAW焊的焊丝熔敷

率一般低于8kg/h，高熔敷焊接主要是通过增加电流来增加电弧热量以熔化填充

更多的焊丝。而增大焊接电流可以增加电弧热量和电弧力，可以提高焊丝熔

敷速度，但熔滴过渡行为不稳定，熔池流动受电弧影响大，容易造成指状熔深、

焊缝成形差和组织粗大等缺陷。为了防止大电流焊接的缺陷，一方面要减少

对母材的热输入，同时又要加大熔化焊丝的电流，对于常规GMAW焊来说，通

过焊丝的电流等于作用在母材上的电流，提高焊丝熔化速度，必然增加了对母材

的热输入，无法解决这一矛盾。1.3复合焊电弧复合焊的研究是近年来的研究热点，陆续出现了双面双弧、激光-电弧

复合、等离子-GMAW复合焊、旁路耦合电弧GMAW焊（DE-GMAW）、旁路

熔丝GTAW焊（Arcing-wireGTAW）、双丝动态三电弧焊等[85-91]新型复合（耦

合）焊接工艺。

上世纪70年代末英国伦敦帝国大学的W.Steen首次提出了激光与电弧复合

热源焊接技术[92]，激光与电弧的优势互补，有效利用电弧的能量，在较小激光功率下获得较大的熔深，实现高效率高质量的焊接。激光这种高能束流热源具有其他焊接方法不具备的优势，主要体现在能量密度高、加工速度快、焊后变形和残余应力小、焊接热影响区小、单面焊双面成形、无需焊后热处理、焊缝深宽比大等方面，但激光也存在许多缺点，制约了激光焊接应用的推广，主要体现在：激光器造价高、能量转化率低、高反射率材料的焊接性差、焊接过程中容易产生气孔和裂纹、接头硬度高韧性差等缺点。图1-2激光-GMAW复合焊接工艺示意图第2章本课题的研究背景及主要研究内容2.1课题研究背景针对传统电弧焊工艺在热量输入、焊材填充和熔池受力等方面的局限，焊缝

成形和焊接质量不可避免地受到非预期的传热、传质、传力的影响，很难保证焊

接热输入、金属熔敷和熔池受力的自由配合，以致造成焊缝热输入过大和结构变

形。本课题提出一种新型耦合电弧焊接工艺—交叉耦合电弧焊接工艺，非熔化极

电弧（GasTungstenarc,GTA或Plasmaarc,PA）和丝间电弧（GMA）交叉耦合，

非熔化极电弧在电极和工件之间建立主电弧，主要决定工件的热、力输入，丝间

电弧在两根焊丝之间燃弧，与工件没有电气连接，主要用来控制传质并补充工件

的部分热输入。交叉耦合电弧焊接工艺可实现根据板厚、焊缝位置的焊接需求自主调整能量输入和控制焊缝成形，实现金属熔敷和工件热输入的解耦控制。本课

题将对交叉耦合电弧焊的成弧机理、电弧行为、热力传输机制、熔滴过渡行为以

及焊缝成形等方面进行研究，为其成为一种全新高效的焊接方法发展奠定基础。2.2课题主要研究内容本课题针对交叉耦合电弧焊这一新型焊接方法展开研究，从成弧机理、电源

系统搭建、电弧行为、熔滴受力分析以及熔滴过渡行为五方面展开如下的研究工

作：

（1）电弧成弧机理以经典电弧理论为基础，从多场耦合理论观点揭示交

叉耦合电弧的成弧机理。交叉耦合电弧在多场作用下出现绕弧行为，从交叉耦合

电弧行为出发，分析电弧的形态在多场下电子和等离子体流动方向，结合经典电

弧理论分析电弧行为本质。分析多工艺参数对交叉耦合电弧稳定性的影响，深入

研究交叉耦合电弧的物理特性。电源系统搭建在交叉耦合电弧理论分析和机理研究基础上，结合电

弧物理特性，搭建交叉耦合电弧焊接电源系统。为了实现等离子电弧和丝间电弧

耦合的稳定性和可控性，必须保证丝间电弧和等离子电弧的同步控制，因此，交

叉耦合电源系统的设计以丝间电弧为主动电弧，等离子电弧为控制电弧。电源系

统控制核心的单片机依据电流采样单元采集的丝间电弧电流信号，将设定的控制

参数反馈至等离子弧电源控制单元完成对等离子电弧的控制。搭建交叉耦合电弧

高速影像采集分析系统和电弧力测量系统，为交叉耦合电弧焊的实验分析提供良

好平台。

（3）交叉耦合电弧行为及电弧热传输机制交叉耦合电弧焊改变了传统电

弧成弧原理，改变了传统电弧热量输入和焊材填充的固有搭配，交叉耦合电弧的

绕弧行为改变了电弧热、质、力的分布。交叉耦合电弧焊中主电弧存在绕弧行为，

以磁场和电场理论研究绕弧行为本质。绕弧行为改变了主电弧热量分布，分析焊

丝和工件上的热量来源和分布。通过高速摄像机和同步信号采集分析系统观察焊

接熔滴过渡形式，分析耦合电弧形态和熔滴过渡形式对焊缝成形的影响，建立从

焊接工艺参数到熔滴过渡，再到焊缝成形的关系，实现不同要求的焊缝成形。第3章交叉耦合电弧焊接原理及系统建立3.1交叉耦合电弧焊接方法原理交叉耦合电弧焊接方法采用非熔化极电弧（GTA/PA）和熔化极电弧交叉耦

合，非熔化极电弧建立在主电弧焊枪与工件之间，熔化极电弧（丝间电弧/间接电弧）建立在等速送进的两根焊丝之间，且与工件没有电气连接，主电弧和丝间电弧以交叉耦合的方式共同完成焊接工作。为了保证熔化极电弧的稳定，熔化极电弧采用交流电源供电。在交叉耦合电弧焊接方法中，主电弧的主要作用是控制工件的热和力的输入，丝间电弧的主要作用是控制焊缝金属熔敷速度并补充工件的部分热输入，交叉耦合电弧焊接方法的原理如图3-1所示。图3-1交叉耦合电弧焊接方法原理图3.2交叉耦合电弧焊的特点交叉耦合电弧焊接方法，主电弧和丝间电弧参数可以单独控制，实现了焊接

过程中电弧对工件传力、传热和传质的解耦，从而灵活的控制焊接电弧的热源形

态，实现在焊接过程中的传热、传力和传质的自由组合，而目前常规的焊接方法

在热输入、金属熔敷和熔池受力方面相互耦合，难以分别调整，若想进一步提高

焊丝的熔化速度，同等焊接速度下增加焊接电流，必然会增加母材的非预期热输

入。交叉电弧焊接方法实现了热输入、金属熔敷量和熔池受力的解耦控制，该方

法可以实现高熔敷速度、焊缝成形和工件热输入可控的焊接.3.3焊缝成形可控在交叉耦合电弧焊接工艺中，主电弧和丝间电弧分工明确，两个电弧的焊接

参数独立调整，实现了工件热输入和金属熔敷的解耦控制，而工件的热输入量和

金属熔敷量是决定焊缝尺寸的两个关键参数，高热输入的焊接工艺往往使焊缝熔

宽增加较为明显，而高熔敷速度的焊接工艺则在焊缝熔宽和焊缝余高两方面增加

较为明显。传统熔化极气体保护焊工艺中，焊接电流和金属熔敷的深度耦合，使得焊缝成形系数的区间较小，而交叉耦合电弧焊接工艺中，工件的热输入量和金属熔敷速度单独控制，实现了焊缝熔宽和焊缝余高的独立调整，为实现焊缝尺寸的可控性提供了可行性。第4章交叉耦合电弧焊工艺实验4.1熔滴过渡机制传统GMAW焊的熔滴过渡形式主要有短路过渡、射滴过渡和射流过渡三种

形式，熔滴过渡的形式与电弧形态有很大关系，电弧形态改变，熔滴上的作用力

也发生相应变化，电弧形态的变化主要取决于通过焊丝的电流。交叉耦合电弧焊

接方法中，虽然丝间电弧建立在两根焊丝上，但电弧热量分布和熔滴受力状态已

不同于传统GMAW焊熔滴的受力状态，熔滴过渡形式发生彻底的转变。

双丝间接电弧在小电流焊接规范下熔滴过渡困难，呈大滴状过渡状态，过渡

周期长，焊缝成形差，在其基础上加入主电弧，两个电弧耦合后熔滴顺利过渡，

焊缝成形改善。交叉耦合电弧特性研究发现，电弧的绕弧行为改变了熔滴的受力

状态，主电弧力作用在熔滴上，提高了熔滴过渡的稳定性，主电弧的稳定性，决

定了熔滴过渡的稳定性。为了获得稳定的熔滴过渡，首先需要研究交叉耦合电弧

焊方法中众多参数对熔滴过渡的影响，以及多参数如何改变熔滴的受力状态。4.2交叉耦合熔滴过渡交叉耦合电弧焊电源系统搭建完成，为交叉耦合电弧焊实验工艺研究提供了

硬件平台。在主电弧的电弧力测量实验中找到了影响主电弧力的主要参数，并针

对主电弧形态对交叉耦合电弧焊熔滴过渡的影响进行实验研究，寻找焊接参数对

熔滴过渡的影响规律。4.3交叉耦合电弧焊焊缝成形交叉耦合电弧焊接方法的特点就是焊缝热、质解耦控制，通过焊接工艺参数

的调整，既可以在恒定熔敷速度的情况下实现焊缝成形的控制，也可以在保证工

件热输入一定的情况下实现高熔敷焊接。熔滴过渡实验研究发现，多参数对熔滴

过渡有较大影响，等离子电弧的工艺参数影响尤为显著，本实验等离子电弧的参

数已经按照前期实验结果优化，仅通过调整丝间电弧的工艺参数实现焊缝成形的

可控。结论针对交叉耦合电弧焊接方法进行探讨和研究，从交叉耦合电弧的成弧机理及

特点、多电极耦合电弧的行为、交叉耦合电弧熔滴受力状态和熔滴过渡行为等方

面入手，进行了全面的实验研究和深入的理论分析，并得到如下结论：

1.交叉耦合电弧焊接方法打破传统成弧概念，不再是电弧简单的叠加，

而两个电弧的深度耦合，实现了焊接电弧产热和金属熔敷的解耦控制，既可以实

现焊缝金属熔敷速度的单独调整，又可以实现热输入的单独调整。

2.实验研究了交叉耦合电弧焊金属高熔敷和焊缝成形可控的特点。在

120A的焊接电流下金属熔敷速度达到4.55kg/h，是传统GMAW焊的三倍。在金

属熔敷速度不变的条件下，主电弧电流频率从60Hz增加至100Hz时，焊缝的宽

高比从1.70降至0.32，在主电弧热输入不变的条件下，金属熔敷速度随着丝间

电弧电流和送丝度增加而增加。

3.以等离子弧焊接电源、双丝间接电弧焊接电源和交叉耦合电弧同步控

制器为硬件基础，搭建了交叉耦合电弧焊接电源系统，实现了主电弧和丝间电弧

的同步控制。搭建了交叉耦合电弧高速影像的采集分析系统和电弧力测量系统，

为交叉耦合电弧焊接方法的分析提供良好的实验平台。参考文献全球制造业季度报告.联合国工业发展组织.2016.

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