（机械电子工程专业论文）推拉丝短路过渡co2焊焊接系统及过程精密控制研究.pdf

摘要 _ i i i 摘要 现代制造业的发展对产品的最终质量和加工过程都提出了更高的要求，当前 汽车、摩托车、集装箱、家电等行业轻量化产品的推广应用对高质量薄板焊接技 术的需求日渐增加。由于薄板对热量的敏感性强，焊接过程中在降低热量输入的 同时还必须保证能量分布均匀一致。针对薄板焊接的这一特点，提出了一种基于 推拉送丝方式的低飞溅、低能量、过程精密控制的推拉丝短路过渡c 0 2 焊接法。 其基本原理是：通过焊丝回抽时的机械力拉断液桥强制熔滴过渡，精确控制短路 后期电流利用电阻热调节能量在焊丝与母材间的分配比例，一方面降低了焊接能 量，减小了焊接飞溅；另一方面使熔滴过渡变得均匀而有规律，整个过程中能量 分布可通过焊接参数的匹配实现精确控制。 基于以上思路，设计了以数字化焊接电源为平台、采用高性能交流伺服推拉 送丝机构为核心的推拉丝短路过渡c 0 2 焊焊接系统，并通过软件控制的方式实 现了上述低飞溅、低能量、过程精密控制的焊接方法。数字化焊接电源以运算速 度快、精度高、数据处理能力强的数字信号处理器( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 结合逻辑处 理功能强大的c p l d ( e p m t l 2 8 s t c l o o ) 为控制核心，以软件编程的方式实现了对 复杂焊接过程的控制。推拉送丝部分采用高性能的运动控制卡( p m a c 2p c 1 0 4 ) 对转动惯量小、响应速度快的交流伺服电机进行控制实现了焊丝高频率送进回 抽运动，同时采用缓冲器为桥梁将推拉丝部分和等速送丝部分有机的结合为一 体，减小焊丝运动阻力，增加了送丝距离。通过接口电路实现了焊接电源与送丝 系统的连接，保证了两者可靠的协同工作。 结合推拉丝短路过渡c 0 2 焊的特点设计了焊丝的运动曲线和电流、电压波 形控制方案，在短路期间采用电流控制而燃弧期间采用电压控制，有效保证了弧 长的自调节能力，提出了运动参数及焊接参数的选取原则，通过电流、电压波形 控制方案与焊丝运动相配合实现了稳定可靠的推拉丝短路过渡c 0 2 焊焊接过程。 分析了焊接过程中熔滴过渡的具体特点，短路初期焊丝减速送进保证了熔滴与熔 池间的充分润湿，避免了瞬时短路飞溅的发生；短路末期熔滴在较小的电流水平 靠机械力拉断液桥，消除了因过电流爆断液桥时产生的飞溅。整个过程熔滴在焊 丝送进回抽的强制作用下均匀、柔顺地过渡，实现了焊接过程的精确控制，同 时通过电参数的配合可以对焊接过程中的能量分布进行精密控制。 针对焊接过程中焊丝与母材熔化的不同特点，利用等效短路电流i e s 和等效 燃弧电流i e a 分析了电阻热对焊接能量分配规律的影响，从而揭示了推拉丝短路 过渡低热输入的机理：在送丝速度不变时，充分利用电阻热对焊丝熔化的促进作 用可以有效降低燃弧期间的电弧热量，从而降低了焊接过程对母材的热输入。传 统短路过渡中增加干伸长是通过增加电阻的方式增加电阻热，而推拉丝短路过渡 北京工业大学工学博士学位论文 则是通过增加等效短路电流i e s 的方式增加电阻热的作用，两者均可在一定程度 上降低焊接热输入。经能量对比分析可知由于附加机械力的作用摆脱了熔滴过渡 对短路电流的依赖，使得推拉丝短路过渡焊接过程无论总能量还是燃弧期间能量 均要低于传统短路过渡方法，并且能量分布均匀性好，为实现高质量的薄板焊接 工艺奠定了基础。 分析了推拉丝短路过渡c 0 2 焊控制参数对能量分配规律的影响，结果表明 随着短路末期电流的增加和燃弧峰值电压的减小，在总的焊接能量逐渐减小的同 时燃弧期间能量进一步降低，可以实现更低的焊接热输入。随着熔滴过渡频率的 增加，等效燃弧电流呈上升趋势，对母材的热输入也有所提高。分析表明采用燃 弧期间电压控制的方法，不论焊接过程中控制参数如何变化，对整个焊接能量影 响最根本的因素是等效短路电流i e s 和等效燃弧电流i e a ，其中等效短路电流以 电阻热的形式产生热量并全部用于熔化焊丝而等效燃弧电流则决定了对母材热 输入的大小。 利用推拉送丝系统本身的特点，设计了回抽引弧方案，实现了可靠的引弧过 程，为实现稳定的焊接过程提供了保障。推拉送丝短路过渡过程熔滴过渡有规律， 能量分布均匀一致，不论在小电流还是大电流时焊缝成形均平整美观。由于电阻 热的作用焊接热输入较小，焊缝成形更窄更高，可根据实际焊接的需要合理匹配 ，h 和u ，以得到理想的焊缝成形。此外推拉丝短路过渡对熔池冲击小，能量分布 均匀，可形成均匀的、较浅的熔深，为推拉丝短路过渡c 0 2 焊在堆焊和修复方 面的应用提供了广阔的前景。 关键词推拉丝短路过渡c 0 2 焊；低热输入；低飞溅；过程精密控制；电阻热 a b s t r a c t i liii_ a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r f i n a l q u a l i t y a n dp r o c e s s e so fp r o d u c t s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t o f 1 1 i g h - q u a l i t y s h e e tm e t a lw e l d i n gt e c h n o l o g yb yt h ec a r ，m o t o r c y c l e ，c o n t a i n e r s ， h o u s e h o l da p p l i a n c e sa n do t h e rl i g h ti n d u s t r yp r o d u c t sw i d e l yu s e d b e c a u s et h e s h e e tm e t a li ss e n s i t i v i t yo ft h eh e a t ，a n dt h eh e a ti n p u tr e d u c i n ga n du n i f o r me n e r g y d i s t r i b u t i o ns h o u l d b eb o t he n s u r ed u r i n gw e l d i n gp r o c e s s f o rt h i sf e a t u r e ，a s h o r t c i r c u i tc 0 2w e l d i n gt r a n s f e rt e c h n i c sh a sp o r p o s e db a s e do nl o w - s p a t t e r ， l o w e n e r g y ，p r e c i s i o nc o n t r o lo ft h et r a n s f e rp r o c e s s t h eb a s i cp r i n c i p l ei s ：t h e d r o p l e ts h o u l db ed e t a c h e db yt h em e c h a n i c a lf o r c eu s i n gt op u l lt h ew i r e ，a c c o r d i n g t oc o n t r o lt h ec u r r e n te x a c t l yt or e g u l a t et h er e s i s t a n c eh e a tb e t w e e nt h ew i r ea n dt h e b a s em e t a l f i r s t ，t h i sm e t h o dc a i lr e d u c et h ew e l d i n ge n e r g yi n p u ta n dt h es p a t t e r ， s e c o n d ，i tc a nm a k et h et r a n s f e rp r o c e s sb e c o m eu n i f o r m i t ya n do r d e r l i n e s s t h e e n e r g yd i s t r i b u t i o ni nt h ew h o l ep r o c e s sc a nb ep r e c i s ec o n t r o lb ya d j u s t i n gw e l d i n g p a r a m e t e r s b a s e do nt h ea b o v ei d e a s ，ad i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c eh a sb e e nd e s i g n e da sa p l a t f o r m ，h i 曲- p e r f o r m a n c ea cs e r v op u s h - p u l lw i r e f e e d e ri st h ec o r eo ft h e s h o r t c i r c u i tt r a n s f e rc 0 2w e l d i n gs y s t e m ，t h el o w - s p a t t e r ，l o w - e n e r g ea n dp r o c e s s p r e c i s ec o n t r o l l e dw e l d i n gt e c h n i c si sa c h i e v e da c c o r d i n gt o t h es o f t w a r ec o n t r o l l e d m e t h o d d i g i t a lw e l d i n gp o w e r s o u r c e a d o p t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) w i t hh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，a n dt h ec p l d ( e p m 7 12 8 s t c10 0 ) w i t hp o w e r f u ll o g i c a l - p r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya st h ec o n t r o lo ft h ec o r et or e a c ht h e c o m p l e xw e l d i n gp r o c e s sc o n t r o ll e v e lb a s e do ns o f t w a r ep r o g r a m m e i no r d e rt o a c h i e v et h eh i g hf r e q u e n c yp u s h p u l lm o v e m e n t ，p u s h p u l lw i r ef e e d e rp a r ta d o p tt h e h i 曲- p e r f o r m a n c em o t i o nc o n t r o lc a r d ( p m a c 2p c 10 4 ) t oc o n t r o la c s e r v om o t o r 埘t 1 1l o wi n e r t i aa n dh i 曲r e s p o n s es p e e d ，a tt h es a m et i m e ，t h eb u f f e ri su s e dt o h a r m o n i z et h ep u s h p u l lf e e d e ra n dt h es t e a d yr a t ef e e d e r t h i sp l a nc a nr e d u c ew i r e m o v e m e n tr e s i s t a n c e ，i n c r e a s et h ef e e d e rd i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f a c ec i r c u i t ， t h ew e l d i n gp o w e rs o u r c ea n dw i r ef e e d e rs y s t e mc a nb el i n kt o g e t h e ra n dw o r k h a r m o n i o u s l y c o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u s h p u l ls h o r t - c i r c u i tc 0 2w e l d i n gt e c h n i c s ， t h ef e e d e rs p e e dc u r v e ，w e l d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r mc o n t r o lp r o g r a mi s p r e d e s i g n e d d u r i n gt h es h o r t c i r c u i tp e r i o d ，t h ec u r r e n tc o n t r o lp r o g r a ms h o u l db e a d o p t t h ev o l t a g e c o n t r o lp r o g r a ms h o u l d b eu s e dt om a k et h ea r c l e n g t h s e l f - a d j u s t i n ga b i l i t yw o r k t h es e l e c t i o np r i n c i p l eo fm o v e m e n t a n dw e l d i n g 1 1 1 北京工业大学工学博士学位论文 p a r a m e t e rh a sp r o p o s e d a c c o r d i n gt oa d j u s tt h ec u r r e n t ，v o l t a g ew a v e f o r ma n dw i r e f e e d e r ，t h ep u s h p u l ls h o r t - c i r c u i tc 0 2w e l d i n gt e c h n i c sc a nw o r ks t e a d i l ya n d r e l i a b l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r o p l e td e t a c h m e n td u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s sh a s b e e na n a l y s e d ，i ts u p p o s e dt h a tt h el o wf e e d e rs p e e di nt h ee a r l yo ft h es h o r t c i r c u i t c a ne n s u r et h ew e t t i n ge n o u g h ，a n da v o i ds p a t t e rw h e ni n s t a n ts h o r t - c i r c u i to c c u r r e d ； i nt h ef i n a lo ft h es h o r t c i r c u i t ，t h ed r o p l e td e t a c h m e n tw h e nt h el i q u i db r i d g ep u l l e d b r e a ka c c o r d i n gt om e c h a n i c a lf o r c e 谢t 1 1l o wc u r r e n t ，s ot h es p a t t e rp r o d u c e df r o m l i q i u db r i d g eb l a s tc a nb ee l i m i n a t e t h ew h o l ep r o c e s sa c c o m p a n y 、 ，i t hw i r e p u s h p u l lm o v e m e n tc a np r o m o t et h ed r o p l e tt r a n s f e rs o f t n e s sa n du n i f o r m i t y ，a c h i e v e e n e r g e d i s t r i b u t i o np r e c i s ec o n t r o li n w e l d i n gp r o c e s sb ya d j u s t i n gt h ew e l d i n g p a r a m e t e r f o rt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fw i r ea n db a s em e t a lo fw e l d i n gp r o c e s s ，t h e e q u i v a l e n ts h o r t c i r c u i t c u r r e n ti e sa n de q u i v a l e n ta r cc u r r e n ti e aa r ed e f i n e dt o a n a l y s et h ea f f e c to fw e l d i n ge n e r g yd i s t r i b u t i o na n dr e v e a lt h em e c h a n i s mo ft h e l o wh e a ti n p u to ft h ep u s h p u l ls h o r t c i r c u i tc 0 2w e l d i n gt e c h n i c s w h e nt h ew i r e f e e ds p e e di si n v a r i a b l e n e s ，i no r d e rt ol o w e rt h eb a s em e t a lh e a ti n p u ti nw e l d i n g p r o c e s s ，t h ep r o m o t e df u n c t i o nb yt h ew i r er e s i s t a n c eh e a ts h o u l db ea d o p tt ol o w e r t h ea r ch e a ti na r cp e r i o d t h et r a d i t i o n a ls h o r t c i r c u i tt r a n s f e rm e t h o di n c r e a s et h e r e s i s t a n c eh e a tb yi n c r e a s i n gt h ew i r ee x t e n s i o n ，b u tt h ep u s h p u l ls h o r t c i r c u i tc 0 2 w e l d i n gt e c h n i c si n c r e a s et h er e s i s t a n c eh e a tb yi n c r e a s i n ge q u i v a l e n ts h o r t c i r c u i t c u r r e n t ，t h e yc a nb o t ha c h i e v er e d u c et h ew e l d i n gh e a ti n p u ti nac e r t a i ne x t e n t c o m p a r a t i v et h ee n e r g yo ft h et w ot e c h n i c s ，b e c a u s et h ea d d i t i o n a lm e c h a n i c a lf o r c e o ft h ep u s h p u l ls h o r t - - c i r c u i tc 0 2w e l d i n gt e c h n i c s g e tr i do ft h ed e p e n d e n c ei n s h o r t - c i r c u i tp e r i o d ，s ot h ee n e r g eo ft h ep u s h p u l ls h o r t - c i r c u i tc 0 2 w e l d i n gt e c h n i c s i sl e s st h a nt h et r a d i t i o n a ls h o r t - c i r c u i tm e t h o d sb o t hi n t o t a le n e r g ya n dt h ea r c e n e r g y ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n i s g o o d ，a n dl a yt h ef o u n d a t i o n f o r a c h i e v i n g h i g h - q u a l i t ys h e e tm e t a lw e l d i n gt e c h n o l o g y t h ee f f e c to fe n e r g ed i s t r i b u t i o nr u l ew h e nc o n t r o lp a r a m e t e rc h a n g e di n p u s h - p u l ls h o r t c i u c u i tc 0 2w e l d i n gh a sb e e na n a l y s e d t h er e s u l tr e v e a l st h a tw i t h t h ed e c r e a s i n go ff i n a ls h o r t - c i r c u i tc u r r e n ta n dt h ep e a ka r cv o l t a g e ，t h ee n e r g ec a n b o t hb ed e c r e a s e df o rt o t a lw e l d i n ge n e r g ea n da r ce n e r g e ，s ol o w e rh e a ti n p u t w e l d i n gm e t h o dc o u l db ea c h i e v e d w i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a n s f e rf r e q u e n c y ，t h e e q u i v a l e n ta r cc i r c u i tc u r r e n ti si n c l i n et or i s e ，a n dr e s u l ti nt h em o r eh e a ti n p u tf o r b a s em e t a l t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tu n d e rt h ev o l t a g ec o n t r o lm e t h o dd u r i n ga r c p e r i o d ，t h ee q u i v a l e n ts h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti e sa n dt h ee q u i v a l e n ta r cc u r r e n ti e aa r e i v a b s t r a c t 也ef u n d a m e n t a lf a c t o r s t h ef o r m e ri st o t a l l yu t i l i z e dt om e l tt h ew i r eb yr e s i s t a n c e h e a t ，t h el a t t e rd e t e r m i n et h eh e a ti n p u tf o rb a s em e t a l f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u s h p u l ls h o r t - c i r c u i tc 0 2w e l d i n gs y s t e m ，t h e p u l l i g n i t em e t h o di sd e s i g n e d t h i sm e t h o dc a l l i g n i t er e l i a b l ya n de n s u r ew e l d i n g p r o c e s ss t e a d i l y t h ed r o p l e to ft h ep u s h - p u l ls h o r t - c i r c u i tc 0 2w e l d i n gt r a n s f e ri n o r d e r ，t h ee n e r g ed i s t r i b u t ec o n f o r m a b l y ，a n dt h ew e l ds h a p ei sg o o dw h a t e v e r w e l d i n gi ns m a l lo rb i gc u r r e n t b e c a u s et h er e s i s t a n c eh e a tr e d u c et h eh e a ti n p u t ， w e l ds h a p ei sn a r r o wa n do v e r r e i n f o r c e m e n t ，s ot h ed e s i r ew e l ds h a p ec a nb eg o tb y a d j u s ti ha n du da c c o r d i n gt o t h ew e l d i n gr e q u i r e m e n t s 。i na d d i t i o n ，t h ep u s h p u l l s h o r t c i r c u i tc 0 2w e l d i n gc a nl o w e r t h et r a n s f e ri m p a c tf o rw e l d i n gp o o l ，d i s t r i b u t e e n e r g eu n i f o r m l y ，s h a p es h a l l o w l ya n du n i f o r m l y ，s u p p o r tw i d e l yp e r s p e c t i v ef o r s u r f a c i n gp r o c e s sb yt h ep u s h p u l ls h o r t - c i r c u i tc 0 2w e l d i n g t e c h n i c s k e yw o r d s p u s h & p u l lf e e d i n gs h o r t c i r c u i tc 0 2w e l d i n g ：l o wh e a ti n p u t ；l o w s p a t t e r ；p r o c e s se x a c t l yc o n t r o l ；r e s i s t a n c e h e a t v 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。 签名：塑灶日期：型2 ：乏! 生 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：垣灶导师签名：暂多鲢 日期： 蒡】章绪论 ! i i 一； ：i i 二ii i 曼曼! 鬯! 曼! ! ! ! ! ! 曼皇曼! ! 曼曼! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼 1 1课题背景 第1 章绪论 随着科技的进步，现代制造业对工业产品的最终质量和加工过程都提出了更 高的要求。近年来世界钢产量逐年上升，5 0 以上是通过焊接成型制成产品的， 工业发达国家的焊接结构用钢超过其本国的钢产量的6 0 ，2 0 0 8 年我国钢产量 突破5 亿吨，而我国焊接所用钢材仍在4 0 左右徘徊，与工业发达国家相比尚 有较大的差距【l 刁】。可见，焊接技术是制造业中最重要的工艺技术之一。 在当前工业生产节能、减材、降耗、产品轻量化的大趋势下，薄板焊接的需 求越来越多，尤其在汽车、摩托车、集装箱和家电行业，薄板焊接已成为主体。 针对薄板焊接工艺的研究已成为当前焊接领域一个重要课题，有效降低焊接热输 入量并保证能量均匀分布是薄板焊接工艺中急待解决的问题。 熔化极气体保护焊( g m a w ) 过程是一个传质、传热、传力的过程，熔滴 过渡是电弧热与电弧力共同作用的结果，其行为与电弧稳定性、熔池熔深、焊缝 成形以及焊接冶金有着密切关系，直接影响焊接的质量【4 曲】。在传统的g m a w 方 法中电弧热与电弧力是相互依存、彼此影响的，传质与传热的过程也因此而紧密 联系在一起，这就束缚了g m a w 在现代精密焊接应用( 如薄板、超薄板焊接、 钢铝异种材料焊接等) 中的进一步发展。为实现均匀稳定、精密可控的焊接过程 必须有效的将电弧热和电弧力分别加以控制。 c 0 2 气体保护焊自2 0 世纪5 0 年代问世以来，因其生产效率高、焊接成本低、 焊接质量好、焊接适应性强等特点在国内外得以广泛应用【7 j 。但其焊接飞溅大、 焊缝成形差，另外c 0 2 熔滴过渡是一个随机性的过程，其规律性差，这又限制 了该方法在焊接质量要求高的场合推广应用。为解决这一问题，国内外研究人员 进行了大量工作，如提高焊接电源的控制精度和响应速度、采用精确的波形控制 法( 如s t t 表面张力过渡) ，以及多种形式脉动送丝的方法。但波形控制法仍 需在短路期间以较大的电流保证熔滴过渡，难以彻底消除飞溅和短路过渡的随机 性；采用脉动送丝方式强制熔滴过渡，可以减小焊接飞溅，使熔滴过渡规律性增 强，但鉴于以往驱动手段和电机性能的限制，也未能很好的解决上述问题。 为此，本文将在前人研究工作的基础上，以数字化焊机为平台，采用高性能 的交流伺服电机为驱动的双电机推拉送丝系统，通过附加机械外力的方式强制熔 滴过渡与焊丝运动同步，对电弧热和电弧力分别加以控制，实现熔滴过渡的精确 控制即“一步一个熔滴”，探索一种低热输入、低飞溅、过程可精密控制的推拉 丝短路过渡c 0 2 焊接方法，实现熔滴过渡有规律、能量分布均匀、焊缝成形平 整美观、稳定的焊接过程，从而推进c 0 2 气体保护焊方法的进一步发展和应用。 北京工业大学工学博士学位论文 1 2 薄板焊接的研究现状 随着科学技术的不断发展，我国各行业对焊接技术要求越来越高，薄板的应 用也越来越多。薄板焊接过程中对热输入量较为敏感，较大的热输入量在薄板焊 接时极易产生烧穿、变形和焊缝成形不平整等问题【8 一，因此在焊接薄板时需要 降低焊接热输入量，同时还要保证焊接过程中能量分布均匀一致，以获得较高质 量的焊缝性能和平整美观的焊缝成形。目前应用于薄板焊接的低能量输入电弧焊 方法主要有以下几种。 1 2 1t i g 焊 t i g 焊采用惰性气体进行保护，对于一般易氧化、氮化的活泼金属、高熔点 的黑色金属都能进行焊接，应用面很广。其焊接电流在1 0 5 0 0 a 的范围内，电 弧都很稳定，电弧电压仅有8 1 5 v 。填充金属是通过电弧间接加热，因而对热输 入量的调节很容易，可以进行薄板全位置焊以及精密焊接等。也是进行单面焊双 面成型的理想方法，所以在多层焊时往往用来作为打底焊。由于填充焊丝不通过 焊接电流，不存在熔滴过渡问题，焊接过程没有飞溅，焊缝成形美观【l2 l 。 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。近年来又陆续发展出了脉冲t i g 焊、交流t i g 焊等，更适于焊接薄板铝 合金 1 3 q 5 j 。但由于焊接速度慢、生产效率低，对其大量应用产生了极大的限制。 1 2 2c 0 2 短路过渡焊接 短路过渡c 0 2 焊焊接过程为短路燃弧状态交替变换( 图1 1 ) ，燃弧阶段电 弧热直接加热焊丝与母材，而短路阶段只在焊丝伸出部分( 干伸长) 因导电而产 生电阻热。可见，在短路过渡焊时，对母材及焊丝的加热过程都有周期性的特点。 这就保证了薄板材料在燃弧电流时加热熔化，而在短路时熔池凝固，得到较小的 熔深，有利于薄板焊接【l 昏博j 。 但是，c 0 2 焊应用中主要存在着两个主要的缺点：飞溅大和焊缝成形不好。 为了解决这些问题，国内外专家学者采用对c 0 2 焊接设备输出的电流和电压波 形进行控制，即波形控制方法【l9 。2 0 j 。实践证明波形控制是非常有效的，但也由于 焊接设备的限制，存在这样或那样的不足。随着电力电子技术的发展，i g b t 和 m o s f e t 应用于逆变式弧焊电源，实现了2 0 k h z 及其以上的响应频率，为精确 控制熔滴过渡过程中的电流、电压波形奠定了硬件基础。同时由于计算机技术的 发展，微机和数字信号处理器与焊接工艺过程控制的结合，先进控制思想的引入， 使c 0 2 焊波形控制效果发生了质的飞跃。从此c 0 2 焊波形控制完成了从粗放型 控制向精确型控制的转变，焊接效果得到突破性的改善。 第1 章绪论 l f 八竺：二二 z o一a r c i n gp e r l 0 0 - z z o o k - z s h o r t 岁 。 x m , 图1 1短路过渡过程与电压、电流关系 f i g 1 1 t h er e l a t i o no fc u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m sa n ds h o r t c i r c u i tt r a n s f e r 目前短路过渡c 0 2 焊被广泛应用于低碳钢、低合金钢的薄板焊接，具有高 效、节能、低氢、低成本、变形小以及可以进行全位置焊接等优点，易于实现自 动化。但短路过渡过程的随机性和焊接飞溅大、焊缝成形差使得= 该方法难以在 焊接质量要求高的场合推广应用。 1 2 3 脉冲m i g 焊 脉冲m i g 焊具有很多优点：熔滴直径大致等于焊丝直径，焊丝的熔化效率 高；焊接烟雾少，降低了合金元素的烧损，改善了施工环境；焊接飞溅小；弧长 短，电弧指向性好，适合于全位置焊接；扩大了m i g m a g 焊射滴过渡的使用电 流范围。从射流过渡临界电流往下一直到几十安均能实现稳定的射滴过渡，适合 于薄板焊接i 2 1 l 。 脉冲m i g 焊既可以焊接钢，又可以焊接铝、镁等有色金属。特别是在汽车 铝合金焊接中有广泛应用。铝合金脉冲m i g 焊在不同的应用环境，表现出许多 不足之处，近年来，针对这些缺点，又陆续推出了一些新的方法。 1 2 3 1 双脉冲m i g 焊一般脉冲m i g 焊接中，脉冲频率范围在5 0 3 0 0 h z 之 间，以一个脉冲过渡一个熔滴的原则，控制焊丝熔化。对于铝合金而言，一个脉 冲一个熔滴的脉冲参数范围较宽，这个特点使o 5 3 0 h z 范围的低频率调制型脉 冲焊法( 双脉冲) 成为可能。该方法采用强弱两种电流脉冲交替出现的形式，图 1 2 为双脉冲焊接的典型电流、电压波形。 双脉冲m i g 焊有很多优点：通过焊接速度调整低频调制频率，在得到漂亮 鱼鳞状焊缝外观的同时，能保证较高的焊接生产率；熔池在强弱脉冲电流作用下， 发生规律性的振动，于是改善了焊缝结晶状态、减小了气孔、降低了裂纹的敏感 性。需要特别强调的是，与一般的脉冲m i g 焊接相比，双脉冲焊接法在强脉冲 北京工业大学工学博士学位论文 群期间的强大电弧可以使接头两边都熔化而防止熔化不良，弱脉冲期间的弱小电 弧使熔池温度相对降低而防止焊穿，在焊接过程中通过强弱脉冲变换降低了能量 输入【2 2 25 1 。 i u 盐皿嬲船腊 。一x l i o v s 0jl ，r t i + 一。一 | 一 u 品 u a v s t ，丰 + u a l l y l ，t s 。 t w 、 ，r t t。 图1 2 双脉冲焊接的典型电流、电压波形 f i g 1 - 2 t h et y p i c a lc u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m so f d o u b l ep u l s eg m a w 1 2 3 2 变极性脉冲m i g 焊( v p p m i g ) v p p m i g 焊是2 0 世纪9 0 年代出现的一 种新方法，可以看作是d c e pp m i g 焊与d c e nm i g 焊组合而成，因而v p p m i g 也具有二者的一些特点1 26 l 。在焊丝为正时采用d c e pp m i g ，在焊丝为负时采用 d c e nm i g ，组成交流p m i g 焊。v p p m i g 焊的焊缝熔深比d c e pp m i g 焊的焊 缝熔深浅，而焊丝熔化系数比d c e pp m i g 焊的焊丝熔化系数大。通过控制e n 比率( d c e n 与d c e p 的时间比率) ，可以有效的控制电弧的能量输入，这种焊 接工艺特性正好符合铝合金薄板的焊接要求，是一种解决铝合金薄板焊接问题比 较理想的气保焊方法，尤其在薄板搭接时对装配间隙值具有很强适应能力。 但是该方法焊接设备、工艺参数匹配都很复杂，最近的研究表明，当e n 比 率为5 0 或以上时，焊接过程不稳定，焊缝质量变差，不适于焊接l m m 及其以 下厚度的板材。这说明v p p m i g 焊通过极性变换来调节能量有一定范围拉卜3 3 】。 1 2 4 交流短路过渡焊 为了满足汽车以及摩托车行业中车体轻量化、薄板化的要求，降低焊接过程 中产生的飞溅，从而改善工作环境、提高焊接品质以及降低生产成本。日本的大 阪变压器公司( o t c ) 和德国的c l o o s 公司相继在短路过渡的基础上推出了交 流短路过渡薄板焊接方法，具体的实现过程如下。 1 2 4 1 a c c b t 低热输入、低飞溅焊接法日本o t c 公司近期开发了一种低 热输入、低飞溅的交流m a gc b t 焊接法( c o n t r o l l e db r i d g et r a n s f e r ) ，并研制了 一台全数字逆变控制的m a g 焊机- - d l 3 5 0 i i 型焊机。 ( 1 ) c b t 方法o t c 公司利用类似于s t t 法的较复杂的波形得到低飞溅 的性能，该法称为c b t 法。焊接电流、电压波形如图i - 3 所示，主要特点为在 短路初期及短路后期都将电流迅速拉低，以防止瞬时短路和液体小桥的电爆炸， 焊接飞溅很低。 图l 一3c b t 焊接法的电流、电压波形 f i g1 - 3 t h ec l l t e ma n d v o l t a g e o f c b t w e l d 圉1 + 4 交流短路焊接法示意图 f 9 1 - 4 t h es k e t c h m a po f a cs h o r tp r o c e s ( 2 ) 交流短路过渡焊接法它是把c b t 法嫁接到交流回路中，焊机输出的 极性在e n 和e p 两种状态下交替更换，其中e n ( 或e p ) 极性的比例也能自由 调节，如图1 4 所示。通过调节e n 比例，可以精确控制工件热输入和熔敷金属 量，如图l - 5 所示。随着e n 比例的增加，焊接熔敷量也增加而对母材的热输 入量降低，熔深减小、搭桥能力提高”删。 曲不同e n 比率时焊接电流与焊接速度的关系砷e n 比率与焊缝成形关系 围1 - 5 不同e n 比率时的焊接速度和焊缝情况 f i g l - 5t h e w e l d i n gs p e e da n d w e l d i n g l i n e w i t hd i f f e r e n t e n r a t i o 12 42 超薄板c p ( c o l dp r o c e s s ) 冷焊技术随着工业的飞速发展，越来越多 的薄板应用到各行各业中。由于薄板焊接对母材的热输 有严格的限制，因此对 焊接电源也有严格的要求。既要保证焊接过程的稳定，形成优质美观的焊缝，同 时要降低对母材的热输入，减小热变形。德国c l o