（材料加工工程专业论文）脉冲埋弧焊工艺研究及工程应用.pdf

中文摘要 针对普通埋弧焊工艺在焊接厚板时，采用大的热输入量，造成焊接热影响 区粗晶区过热，晶粒粗大，提高焊速后成形变差导致咬边等缺点，参考国内外 埋弧焊的发展趋势，本文提出了一种新型的采用直流脉冲电流( 或电压) 的埋 弧焊工艺一脉冲埋弧焊。 本文简要介绍了以单片机为核心的脉冲控制器的原理，利用正交试验设计 法设计并进行了脉冲埋弧焊试验。 研究了陡降外特性焊接电源匹配变速送丝机系统脉冲埋弧焊的脉冲参数 ( 基值电流，峰值电流，频率，脉宽比) 对焊缝成形的影响。试验结果表明，该 脉冲埋弧焊工艺能够通过改变脉冲参数，有效控制焊缝的成形；在同等热输入 量条件下，脉冲埋弧焊焊缝及热影响区( h a z ) 的晶粒尺寸较小；在合适的频 率范围内( 对于本焊接系统，该频率为2 5 - z 附近) ，相对同等有效值的直流埋 弧焊接能得到更大的熔深。 针对生产中提高焊速中埋弧焊成形变差( 主要是咬边) 的焊接问题，提出 了在生产中采用平特性焊接电源匹配等速送丝系统的脉冲埋弧焊工艺，简要分 析了产生咬边的原因，深入阐述了系统输出脉冲电压的焊接条件下，脉冲埋弧 焊改善焊缝成形的原理。该工艺在上海锅炉厂有限公司的膜式水冷壁焊接中得 到应用，在薄扁钢与钢管的焊接中，在提高焊速2 0 4 5 的情况下成功解决了高 速埋弧焊焊接的咬边问题；在厚扁钢与钢管的焊接中，在提高焊速2 0 4 5 的情 况下，省去了开坡口的工序并能够保证良好的焊缝成形。该工艺取得了很大的 成功。 关键词：脉冲；埋弧焊；脉宽比；频率；焊缝成形 a b s t r a c t a i m i n ga ts o l v i n gt h ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sg r a i nc o a r s e n i n gi nh e a ta f f e c t e d z o n e ( h a z ) w h e ns u b m e r g e da r cw e l d i n g ( s a w ) i sa p p l i e dt ot h i c kp l a t e 晰t l lh i 曲 h e a ti n p u ta n dt h eb a db e a ds h a p ed u et oh i g h e rw e l d i n gs p e e d ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r d an e w p u l s e dc u r r e n t v o l t a g es a wt e c h n o l o g yo n t h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n tt r e n d s o fs a wd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h eb r i e fp r i n c i p l eo ft h em c u c o r e dp u l s ec o n t r o l l e r n u m b e r so fe x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n df i n i s h e d 、砘mt h eh e l po fo r t h o g o n a l m e a n s t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t so fp u l s ep a r a m e t e r s ( b a c k g r o u n dc u r r e n t ，p e a k p u l s ec u r r e n t ，f r e q u e n c ya n dd u t yc y c l e ) o nt h ew e l d ss h a p i n gw h e nu s i n gs h a r p 。f a l l o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sp o w e r s o u r c ea n dv a r y i n g - s p e e dw i r ef e e d e r t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t ss h o w st h a tp u l s e ds u b m e r g e da r cw e l d i n gc a nc o n t r o lt h ew e l ds h a p e e f f e c t i v e l yb yc h a n g i n gt h ep u l s ep a r a m e t e r s ，a n dt h i st e c h n o l o g yc a nr e c e i v el e s s e r g r a i ns i z e ，a n df o ra p p r o p r i a t ef r e q u e n c yr a n g e ( f o r t h es y s t e mp r e s e n t e da b o v e ，i t s a b o u t2 5 h z ) ，g r e a t e rp e n e 仃a t i o nd e p t hc a nb eg o tu s i n gt h i st e c h n o l o g yc o m p a r i n g 、 ，i t l lt h eo r d i n a r ys a ww h e nu s i n ge q u a lh e a ti n p u t f o rt h ep u r p o s eo fs o l v i n gt h ep r o b l e mo fb a db e a ds h a p e ( m o s t l yb eu n d e r c u t ) w h e ns a wi su s e di nh i g h s p e e dw e l d i n g ，t h et e c h n o l o g y o fp u l s e d v o l t a g e s u b m e r g e da r cw e l d i n gw i t hf l a to u t p u tc h a r a c t e r i s t i cp o w e rs o u r c ea n dc o n s t a n t s p e e dw i r ef e e d e ri sp u tf o r w a r d ，t h i ss y s t e ms e n d so u tp u l s e dv o l t a g e t h i sp a p e r a n a l y s e dt h ec a u s eo fu n d e r c u t ，t h eb a s i ct h e r o yf o rs o l v i n g w e l du n d e r c u tw a sb r i e f l y p r e s e n t e d t h i st e c h n o l o g yw a sf i r s t l y u s e di nt h ew a t e r - c o o l i n gp a n e lw e l d i n gi n s h a n g h a ib o i l e rw o r k sc o l t d t h i st e c h n o l o g yc a ns o l v et h ep r o b l e mo fu n d e r c u t w h e nt h es y s t e mi su s e dt ow e l dt h i nf l a ts t e e l - s t e e lt u b ea st h ew e l d i n gs p e e di s h i g h e rb v2 0 4 5 ，w h e nt ow e l dt h i c kf l a ts t e e l - s t e e lt u b e ，i tc a ng e tg o o d b e a ds h a p e e v e nw h e nt h ew e l d i n gs p e e di sh i g h e rb y2 0 - 4 5 t h a nt h eo r d i n a r yt e c h n i q u e s w i t h o u ta n ys l o p ep r e p a r e d t h et e c h n i q u er e c e i v e dg r e a ts u c c e s s k e yw o r d s ：p u l s e ；s a w ；d u t yc y c l e ；f r e n q u e n c y ；w e l ds h a p e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘茎或其他教育机构的学位或 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属推向熔池的尾部，并且逐渐的冷却，凝固而形成焊缝。同时敷盖在高温液体 金属上而的熔渣，也不断冷却，凝固，最终覆盖在焊缝金属上而形成渣壳。 在埋弧焊接过程中，由于焊丝连续不断地送进到电弧区；焊丝端部存电弧 在埋弧焊接过程中，由于焊丝连续不断地送进到电弧区；焊丝端部在电弧 第一章绪论 图1 1埋弧焊焊接过程 1 焊件2 一焊剂3 - 焊剂漏斗4 焊丝 5 一送丝导轮6 一导电嘴7 焊缝8 一渣壳 热量的作用下不断熔化；焊接小车( 或者焊件) 也以一定的速度向前移动；所 以在埋弧焊工艺中，送丝速度、焊丝熔化速度、焊接速度三者之间应当相互配 合，以达到最佳的平衡状态，才能保持焊接过程的稳定性，确保焊接结构的设 计要求。 1 1 2 埋弧焊工艺的优点 ( 1 ) 生产率高：焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较，见 表1 1 1 3 1 。由于埋弧焊所使用的焊接电流值比较大，相应的电流密度也比较大。 因此，埋弧焊可以采用比较高的焊速1 4 】【5 1 。 表1 1 焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较 焊条电弧焊埋弧焊 焊条( 焊丝) 焊接电流电流密度焊接电流电流密度 直径d m m i ，a1 f k - m m 吨i ，a3 | 氏 m m 。 25 6 6 51 6 2 52 0 0 4 0 06 3 1 2 5 3 8 0 1 3 01 1 1 83 5 0 6 0 05 0 8 5 41 2 5 2 0 01 0 1 65 0 0 8 0 0 4 0 - - - 6 3 5 1 9 0 2 5 01 0 - 1 87 0 0 1 0 0 03 0 5 0 ( 2 ) 焊接质量高：由于气、渣保护作用使得焊缝金属中含氮、氧量比较低。 2 第一章绪论 此外；由于该工艺机械化水平高，不会出现焊条电弧焊中因为焊工技术差异而 导致的焊接质量不稳定。焊接冶金反应进行的比较充分，减少了焊缝中产生气 孔、裂纹的可能性。焊缝成形好：焊缝成分稳定；焊接接头力学性能好。 双丝操舐 草， l li ， 芦7 单甍电a 莹掣 ，一一 j 一 ， 气 自僻护电i旺焊名 ，熙弧i摹 澎 _ j泓( = f _ 榫长) ili 一一罐氛襄轳 e o 吼择 焊按姐巍a 图1 - 2 各种焊接方法的熔敷速度 一一一一一 ( 3 ) 可以自动调节：在埋弧焊过程中，焊接工艺参数可以自动调节并保持 稳定的工作状态。因此保证了焊接质量。 ( 4 ) 劳动条件好：埋弧焊的弧光不外露，没有弧光辐射。此外，机械化的 焊接工艺减轻了焊工的劳动强度。这些都是埋弧焊独特的优点。 总之，埋弧焊可以采用比较大的电流。与焊条电弧焊相比，最大的优点就 是焊缝质量优良，焊接速度快。因此，埋弧焊特别适用于大型工件的直缝和环 缝焊接，且易于实现机械化。 1 1 3 埋弧焊工艺的缺点 ( 1 ) 埋弧焊采用颗粒状的焊剂以堆积的形式进行保护，因此，该工艺一般 只适用于平焊和角焊位置的焊接。 ( 2 ) 埋弧焊时，不能直接观察到电弧与坡口的相对位置，应该特别注意防 止焊偏。如有特殊要求应采用焊缝自动跟踪装置，以保证从导电嘴送出的焊丝 对准焊缝。 ( 3 ) 埋弧焊使用的焊接电流比较大，电弧的电场强度也比较高。当焊接电 流小于i o o a 时，则电弧的稳定性较差，因此，该工艺方法不适用于焊接薄板 结构。 霉： 笛 h 帕 5 o 自彗麒釜鞲剁琏 第一章绪论 ( 4 ) 由于埋弧焊焊剂的主要成分是m n o 、s i 0 2 等金属及非金属氧化物， 此，难于焊接铝、钛等易被氧化的金属及其合金。 ( 5 ) 该工艺适宜于长焊缝的焊接。由于埋弧焊机的机动灵活性比较差， 接设备也比较复杂，短焊缝的焊接体现不出生产效率高的特点。 1 2 自动埋弧焊的研究动态 因 焊 自从上个世纪三、四十年代埋弧焊工艺出现以来，至今该项工艺已经比较 成熟。“发展高效焊接”、“提高焊接机械化、自动化水平”、“发展绿色的制造业” 等明确的目标已经为传统的焊接技术指明了发展方向。埋弧焊工艺设备、材料 的科研与开发面临着更大的机遇与挑战。 关于埋弧焊工艺的研究现状及水平，可以归纳为以下几个方面： 1 2 1 单面焊双面成形 单面焊双面成形自动埋弧焊工艺是采用较大的焊接电流，将焊件一次熔透。 由于该工艺条件下的熔池宽度比较大，熔深大，熔敷速度比较高。因此，必须 采用相应的技术措施一强制成形的衬垫。使熔池在衬垫上冷却凝固，这样才能 达到一次成形。 单面焊双面成形埋弧焊工艺有许多优点，如可以大大提高生产效率、减轻 劳动强度、改善劳动条件，具有较高的经济效益及社会效益等。但也有其不足 之处。当焊件的厚度增大时，所采用的焊接热输入量也需相应的增加，才能保 证工件的熔透及背面成形的质量优良。这样做的结果是：明显地导致热影响区 的奥氏体晶粒长大，从而焊接接头的力学性能，特别是低温韧性指标难以达到 要求。因此，对于焊接接头韧性指标要求比较高的厚板结构，更多采用能细化 晶粒的焊接方法。 1 2 2 热丝埋弧焊工艺 热丝埋弧焊工艺就是焊丝从导电嘴送出以后，先受到一个“预热电流回路” 的作用，焊丝在预热电流通过以后，由于电阻热而使焊丝本身的温度升高。这 种处于较高温度的焊丝，在进入焊接区时，其熔化速度、熔化量均有显著的提 高。因此，提高了埋弧焊的熔敷率及生产率。目前，该工艺己在焊接生产中应 第一章绪论 用，反映良好。 1 2 3 多丝埋弧焊工艺 多丝埋弧焊是同时使用2 根或2 根以上的焊丝完成一条焊缝的埋弧焊焊接 方法。这是一种既保证合理的焊缝成形和优良的焊接质量，又可提高焊接速度 的高效埋弧焊工艺方法。 该工艺既可以使用细丝也可以使用粗丝。它既可以焊接3 m r n 壁厚的薄壁 液化石油气贮罐，也可以焊接厚板结构，而且可以采用单面焊双面成形工艺f 6 】。 多丝埋弧焊工艺的焊丝排列以及与电源的连接方式如图1 3 所示【7 】： b ， 图1 3 双丝埋弧焊示意图 a ) 纵列式b ) 横列双丝串联式c ) 横列双丝并联式 目前，国外在一些厚板结构的焊接生产中，已经应用了具有3 6 只送丝电 机，可以同时进行3 1 0 根焊丝的多弧埋弧焊。 1 2 4 窄间隙埋弧焊工艺 其特点是坡口的截面积小，仅是一般埋弧焊的7 0 。因此，焊接需要的热 量就少，受到的热影响也小，焊接变形以及材料性能的变化都比一般的埋弧焊 要小。厚板结构窄间隙埋弧焊的优点是高焊接生产率，低成本，节约能源及材 料。但是实际应用上也有较大的困难，一是在平行坡口内，可能产生侧壁熔合 不充分现象；二是要求使用的焊剂能顺利的从窄间隙中排除熔渣【8 j 。因此，能 否在生产中使用该工艺，关键就在于如何消除侧壁熔合不充分现象和研究改进 第一章绪论 焊剂，使形成的熔渣容易脱落并排除。目前国外上述两个技术难点，均已解决。 1 2 5 添加合金粉末的埋弧焊工艺 添加合金粉末的埋弧焊( s u b m e r g e da r cw e l d i n g 谢t ha l l o y e dm e t a lp o w d e r s s a w a m p ) 是一种能够提高熔敷速率，又不使焊接接头性能变差的高效焊接 技术【9 】。该工艺的主要工艺特点是在坡口中预先铺放一层金属粉末( 或金属细 粒、切断的短焊丝等) ，然后进行埋弧焊。 研究表明，在埋弧焊焊缝中添加适当成分的合金粉末，改善了焊缝的微观 组织。添加合金粉末后，尽管焊接中采用了大的热输入量，焊缝中先共析铁索 体的平均尺寸却减小了，而且添加合金粉末后针状铁素体含量明显增加，柱状 晶的方向性减小，因此有利于改善焊缝组织。添加合金粉末并采用大的焊接热 输入量，尽管整个h a z 及其粗晶区的宽度有所增加，但是对于接头性能有重 要影响的h a z 粗晶区原始奥氏体的晶粒平均尺寸却基本保持不变。 1 2 6 焊缝金属的外加磁场处理 近年来，采用外加磁场对埋弧焊的焊缝熔池进行处理的方法，已经引起人 们的重视。采用的外加磁场是以一定频率间歇交变的纵向磁场i l 呲“j 。该磁场由 安装在直流自动埋弧焊机导电嘴上的激磁线圈产生，其磁力线方向基本上与电 弧轴线平行，因此也称为轴向磁场。施加轴向磁场后，熔池液态金属作复杂的 循环运动，使焊接熔池中的温度变得相对均衡。因而提高了结晶前沿的温度梯 度。同时，随着熔池金属搅拌速度的增加，扩散过程加快，使界面溶质原子层 的厚度减小。因此，平面状结晶前沿的稳定性提高，降低了熔池金属结晶前沿 的浓度起伏，因而降低了焊缝金属的化学不均匀性u “。此外，通过电磁搅拌， 改变了焊缝中非金属夹杂物的大小和尺寸分布，促进了奥氏体晶内针状铁素体 的生成和细化，从而提高了熔敷金属的韧性。电磁搅拌使熔池液态金属运动速 度增大，使结晶前沿的稳定性提高，降低了结晶前沿浓度起伏，减小了熔敷金 属的成分偏析。这些对于提高焊接接头的力学性能都是有利的。 1 2 7 研制新型的焊接材料 改善焊缝金属的性能还可以通过改变焊丝和焊剂的化学成分来实现。研究 第一章绪论 发现，可通过提高焊剂的碱度来提高焊缝金属的组织性能f 1 5 1 。 随着焊剂碱度的提高，焊缝金属中锰、钛含量增加，而氧、硅含量降低， 这有利于针状铁素体的形成。焊剂碱度的提高，降低了焊缝金属中的氧含量， 使原奥氏体晶粒尺寸增大，并产生了有利于针状铁素体形核的夹杂物尺寸和分 布，促进了针状铁素体在焊缝金属中的形成。同时，焊缝的低温冲击韧性也得 到提高。 i 2 8 改善埋弧焊焊接接头组织性能的研究 ( 1 ) 根据板材、焊材的具体情况，通过大量的试验，总结出获得优良性能 的工艺参数组合。 ( 2 ) 针对不同结构的不同材质，开展焊后热处理研究。其目的是利用金属 学、热处理原理等有关科学规律，通过热处理来控制材料的性能。 ( 3 ) 为了改善热影响区的韧性指标，国外的某些单位正在研究在钢中加入 某些高温下能形成稳定化合物的合金元素，使奥氏体晶界和晶内同时获得细微 晶粒。在钢种的配方中加入t i 、b 、r e 等元素，试制成功了“可采用大热输入 量”的焊接用高强钢。经过试验证明，多项韧性指标均有所提高。 1 3 脉冲埋弧焊的发展 最早发表使用脉冲电流控制焊条熔化行为的是e r d m a r m j e s n i t z e r 和 w e i n s c h e n k 6 1 。a n d e r s o n 和g r e e n e 【1 7 】，n e e d h a m l l 8 儿1 9 和j a c k s o n 【2 0 1 以及其他一 些研究人员把脉冲用在气保护电弧焊( g m a w ) 中，开创了电弧焊的新领域。 国内几乎没有对脉冲埋弧焊的研究，在国外很早就有对脉冲埋弧焊的研究， h i d e r b r a n d t 2 1 悃述了埋弧焊中采用脉冲电流既能保留直流和交流埋弧焊的优势 又能避免二者的不足。b a g r y a n s k i i 【2 2 1 发现脉冲电流埋弧焊改善了合金化效果。 给定的材料和焊接参数下，得出了如下结论田j ： 1 直流埋弧焊中，熔滴的自然过渡的频率在很大程度上取决于采用焊剂的 电弧特性。 2 在埋弧焊中，只有当采用的脉冲频率与该焊剂在直流时的自然过渡频率 很接近时，才能实现对熔滴过渡的控制( 基本符合一脉一滴的思想) 。 在参考文献 2 4 1 中提到：选择合适焊剂的低频率脉冲电流已经应用于结构 第一章绪论 钢的埋弧焊中。通过平板堆焊测试脉冲电流参数在焊缝金属的凝固和结构转变 中的作用，并得到了如下的一些结论：焊缝金属的凝固潜热可以影响到焊缝金 属年i j h a z 的显微组织；在最初脉冲的焊缝组织中可以观察到再结晶和某些情况 下的晶粒粗化；在采用的焊丝含0 5 m o 的焊接中m a 组元大部分被分解；脉 冲埋弧焊在现实焊接中的应用是成功的，观察到的焊接收缩变形减少3 0 4 0 ， 并且焊缝金属的切口的韧性也显著提高。 在2 0 0 4 年1 1 月北京举办的埃森国际焊接展上，美国l i n c o l n 电气公司 展示的变极性脉冲埋弧焊机，功能十分强大。能通过互联网输入控制指令；通 过监视器监视脉冲电流、电压波形；电源采用逆变技术，节约能源，达到了很 高的脉冲埋弧焊工艺水平，但是该套设备价格十分昂贵。 1 4 本课题的研究目的、意义、技术路线及研究内容 当前焊接生产中，普遍存在追求高焊速高生产率的要求。各工业部门的设 备都朝着大型化、高参数的方向发展。对于厚壁结构，采用的焊接工艺需要有 高的热输入，才能保证熔透及反面成形。然而，这样焊接的结果会导致接头的 热影响区晶粒长大，致使接头的力学性能特别是低温韧性指标难以保证，另外， 提高焊速后最主要后果就是焊缝成形恶化，出现咬边等成形缺陷。埋弧焊中， 为了提高生产率，一般采取提高焊速的同时提高焊接电流以确保满足熔深要求， 同时提高焊接电压以保证焊接过程的稳定，参考国内外关于防止焊接咬边的研 究，提出了脉冲埋弧焊的工艺。 根据埋弧焊工艺在国民经济中所起的作用，以及该工艺的优缺点，参考了 国内外关于焊接工艺的科研及生产水平。本课题的研究目的是：开发一种输出 脉冲电流( 或电压) 的埋弧焊工艺，使焊接电流( 或电压) 成为在一定恒值的 基础上，进行一定频率和幅值变化的脉冲电流( 或电压) ，以控制焊接热输入。 通过采用一定的技术措施，使埋弧焊焊接接头的组织、性能得到改善，从而使 焊缝的组织晶粒细化，提高其韧性。这项研究工作对于提高埋弧焊的焊接质量 水平具有重要的理论意义及工程实用价值。 本研究的技术路线为：利用以单片机为核心的“直流电焊机脉冲控制器” ( 中国发明专利：0 3 1 3 0 0 1 1 1 ：实用新型专利：0 3 2 5 7 8 2 3 7 ) ，根据埋孤焊的控 制原理，将该脉冲控制器，连接到埋弧焊控制电路中，以获得不同参数的脉冲 第一章绪论 电流( 或电压) ，进行焊接试验、研究。在研究工作中寻求各脉冲参数对焊接质 量的影响。根据金属学试验的结果，总结出脉冲埋弧焊焊接接头成形、硬度等 的有关规律。 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 直流电焊机脉冲控制器的改进和完善。 ( 2 ) 采用脉冲控制器的脉冲埋弧焊工艺试验：对于不同的脉冲频率、脉宽 比、峰值电流( 或电压) 、基值电流( 或电压) 等工艺参数下的焊接情况进行分 析、比较，总结有关规律。 ( 3 ) 将不同脉冲参数的焊缝及h a z 与传统恒流埋弧焊情况下的焊缝及h a z 进行金相组织分析、测定硬度等有关数据。从而总结出脉冲埋弧焊的相关规律， 指导生产单位的焊接应用。 9 第二章直流电焊机脉冲控制器 第二章直流电焊机脉冲控制器 本文通过在直流自动埋弧焊系统上串接脉冲控制器实现脉冲埋弧焊焊接， 该控制器已获国家专利( 中国发明专利：0 3 1 3 0 0 1 1 1 ：实用新型专利： 0 3 2 5 7 8 2 3 7 ) 。该脉冲控制器调节方便、经济实用，采用“黑匣子”方式，接口 简洁，可通过焊机的端子板和多种直流焊机方便地连接，如l i n c o l nd c 系 列直流弧焊机( d c 4 0 0 、d c 6 0 0 、d c 1 0 0 0 、d c 一1 5 0 0 等) 。 2 1 控制器原理及功能1 2 5 1 1 2 6 l 直流电焊机脉冲控制器采用了以单片机为核心的结构。具有运行可靠，参 数的调整快捷、准确，人机界面友好等特点。 该控制器的功能原理图，如图2 i 所示。直流电焊机脉冲控制器在单片机 的控制下，按照直流脉冲埋弧焊的控制要求，生成频率、脉宽比可调的脉冲控 制信号，将峰值参数给定及基值参数给定通过高速电子开关送往受控制的直流 自动埋弧焊机外接端子板，并以遥控给定的方式控制电焊机的输出电流或电压。 另外，在脉冲控制器上设置键盘及数码管，以增强操作的方便性及直观性。 直流电焊机脉冲控制器针对课题试验的要求，以及在生产中灵活应用的需 要，设计并实现了如下的主要功能 ( 1 ) 恒定峰值焊接电流( 或电压) 的控制输出； ( 2 ) 恒定基值焊接电流( 或电压) 的控制输出； ( 3 ) 峰值基值脉冲焊接电流( 或电压) 的控制输出； 在脉冲埋弧焊中主要使用基值一峰值脉冲焊接输出模式，即( 3 ) 模式，为了 进行脉冲埋弧焊和恒定直流埋弧焊的比较，在实际的焊接试验中试验中，( 1 ) ( 恒 定基值电流或电压输出) 和( 2 ) ( 恒定峰值电流或电压输出) 模式也有所使用。 2 2 脉冲控制器硬件部分 该控制器的硬件部分是以单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 为控制核心，以高速电子开 第二章直流电焊机脉冲控制器 电源 d c5 v 卜进片；：回到到犁一 菔 片 一 l lj k - kj k 。t t th m研 蕈耳率睫占憎自烹m 碡 键盘 显振机 一i l - - 1 1 _ l 、 ：二 一口卜 一 厂j ， !l k 匡电黜赫 图2 - 1脉冲控制器功能原理图 c d 4 0 6 6 ( 后改进为光耦t l p 5 2 1 2 g b ，后面将要详细介绍) 为控制器和直流自 动埋弧焊机之间的接口。另外，配有键盘( 6 个按键) 及4 位8 段数码管构成 的显示屏。 高速电子开关接收来自a t 8 9 c 2 0 5 1 上的脉冲控制信号，并据此分别选通 高、低焊接电流的给定控制信号，将信号送到直流自动埋弧焊机的遥控电流控 制信号端子。 键盘部分由6 - 个- 按键组成，分别为：复位键( r e s e t ) 、工作模式键( m o d e ) 、 频率增、频率减、脉宽比增及脉宽比减按键。其中，r e s e t 是单片机的复位 键，它使单片机恢复到默认的工作参数( 3 0 h z ，3 0 脉宽比，工作模式为m o d e 3 ) ：m o d e 键为直流电焊机脉冲电流控制器的工作状态选择键，可循环选择恒 定基值输出、恒定峰值输出和脉冲输出3 种焊接状态。 焊接电流( 或电压) 的给定部分需要根据被控焊机的硬件情况而定。以 l i n c o l n 系列直流焊机为例，焊接电流的给定部分为2 个独立的电位器 ( 1 0 k q 2 w ) ，与高速开关连接，分别给定焊接的峰值和基值电流( 或电压) 。 第1 位数码管的小数点为脉冲频率值的小数点位； 第2 位数码管的数点空闲不用； 第3 位数码管的小数点监视脉冲峰值电流( 或电压) 的控制信号； 第二章直流电焊机脉冲控制器 第4 位数码管的小数点监视脉冲基值焊接电流( 或电压) 的控制信号。 2 3 脉冲控制器软件部分 软件采用的是c 语言的结构化设计。其主要结构包括 ( 1 ) 主程序； ( 2 ) t 0 定时器中断服务程序： ( 3 ) 数码管扫描子程序； ( 4 ) 键盘扫描子程序： ( 5 ) 按键事件处理子程序。 2 4 对控制器所作改进 为了增强脉冲控制器和其他电焊机( 除林肯焊机) 的耦合，除对不同电源 改变控制电位器外，将c d 4 0 6 6 换成了光电耦合开关，增加了控制器与焊机系 统共同运行的安全性，两个c d 4 0 6 6 换成四个t l p 5 2 1 2 - g b 光电耦合元件由单 片机输出的控制信号控制交替导通，从而实现由两个电位器确定的电流( 或电 压) 交替输出以得到脉冲焊的效果。 u 鹭鳍； ，殿l1 0 1 6 ”艮7 6 2，栅髓”州忙 为了保证系统运行更加安全，利用两组四个光祸( 每组两个，反向并联) 1 2 第二章直流电焊机脉冲控制器 以确保电流能正反两个方向流过，光耦的尺寸较小，四个光耦的尺寸和两个 c d 4 0 6 6 所占空间相当，所以不用对p c b 板布线和元件分布进行调整。 t l p 5 2 1 2 - g b 光电耦合元件的外形尺寸和原理如图2 - 2 所示，主要性能指 标特点如下【2 7 】： 1 输入二极管：前向电流：5 0 m a ，反向电压：6 v ，功率消耗：7 0 r o w 2 输出晶体管：集射极电压b v c e o ：5 5 v ，射集极电压b v e c o ：6 v ，功 率消耗：1 5 0 m w 总功率消耗：2 0 0 m w ( d e r a t el i n e a r l y2 6 7 m w 高于2 5 ) 3 高电流传输率：最小5 0 4 高隔断电压：5 3 k v r m s ，7 5 k v p k 5 高b v c e o 电压：最小5 5 v 6 反应时间：上升时间4 9 s ( v c e = 2 v ) ，下降时间3 1 a s ( i c = 2 m a ， r l = 1 0 0 q ) ，f = 1 4 2 8 5 k h z 7 输入输出绝缘电阻：5 1 0 1 0 q 。 更换高速开关的脉冲控制器经过长时间与不同品牌、型号的电焊机使用， 安全性能完好，其功能完全符合设计要求。 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 本章将要介绍的是一种直流脉冲电流埋弧焊焊接方法。其主要原理是：在 弧焊电源为陡降外特性的条件下，采用变速式送丝机，利用脉冲控制器控制弧 焊电源脉冲输出，从而形成脉冲电流埋弧焊方法。即，将外加给定脉冲控制信 号转换为弧焊电源可识别的焊接电流给定信号，通过弧焊电源的遥控控制接口 或端子接入弧焊电源，快速交替改变电流给定值，以获得直流脉冲电流的焊接。 3 1 直流脉冲自动埋弧焊试验设备及其连接方法 本直流脉冲电流埋弧焊的试验设备是以现有设备为基础，经过部分改装、 连接而形成的。以下将对试验设备及其连接方法加以说明。 3 1 1 试验设备 在本试验中，采用的主要设备为：l i n c o l ni d e a l a r cd c 1 5 0 0 型直流 弧焊电源：n a 一3 型送丝机；直流电焊机脉冲电流控制器：5 4 6 2 2 a 记忆示波器： 5 0 0 a 7 5 m v 分流器等。 l i n c o l nd c 1 5 0 0 型电源具有良好的焊接电流调节性能，同时，d c 一1 5 0 0 还具有优良的保护电路【2 8 1 。所以，本试验中采用d c 1 5 0 0 作为埋弧焊的焊接电 源，连接直流电焊机脉冲控制器，形成试验用直流脉冲自动埋弧焊焊接系统。 d c 一1 5 0 0 的主电路为六相半波整流电路。操作电路采用交流1 1 5 v 电源供 图3 - 1d c 1 5 0 0 焊接电流遥控给定原理图 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 电，电路中接有过流保护接点、过热保护接点，以及远控操作控制接点。控制 调节电路按其功能又可分为七个部分：给定、前置放大、综合反馈、电流截止 负反馈、主调节器、触发电路和保护电路。保护电路主要对焊机的过流、短路 或给定输入断线等造成给定电压过低丽失控的情况进行保护 2 引。 在试验用直流脉冲自动埋弧焊接系统中，d c 1 5 0 0 要接收脉冲控制器提供 的焊接电流给定信号。这要使用d c 1 5 0 0 的焊接电流遥控给定，其电路原理图 如图3 1 所示。其中，主要的外部接线端子的标号及其功能，如表3 1 所示。 表3 - 1l i n c o l nd c 系列直流弧焊机主要外部接线端子【2 8 标号功能 1 1 0 1 1 5 v a c ( 内部& 输出) g n d 输出电流触发控制 输出电流触发控制 焊接输出电流遥控给定控制 焊接输出电流遥控给定控制 焊接输出电流遥控给定控制 4 0 4 2 v a c o 1 1 5 v a c ( 内部& 输出) 4 0 4 2 v a c ( 1 ) 直流电焊机脉冲控制器 直流电焊机脉冲控制器的硬件结构及软件结构在第二章里已经作了简要介 绍。该脉冲控制器提供的外部接线端子，可以方便地与l i n c o l n 直流弧焊机 的接线端子板连接。如图3 2 所示。 ；5 5 l 1 - 1 7 6 h7 7 h7 6 17 7 l ,7 57 67 7 图3 - 2 冲控制器外部接线端子 图3 - 2 中，7 5 h ，7 6 h ，7 7 h 为焊接峰值电流给定电位器的接口。7 5 l ，7 6 l 弛m ：o 引 引北 ( 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 7 7 l 为焊接基值电流给定电位器的接口。7 5 ，7 6 ，7 7 则为脉冲控制器至l i n c o l n 直流弧焊机电流遥控给定的接口。+ 5 v 、g n d 为脉冲控制器电源接口，外接+ 5 v 丌关电源。 直流电焊机脉冲控制器的主要指标如下： 频率设计调节范围：0 1 9 9h z ； 频率设计调节分辨率：0 1h z ( 0 1 1 0 h z ) ，1h z ( 1 0 9 9 h z ) ； 脉宽比设计调节范围：5 9 5 ； 脉宽比设计调节分辨率：i ( 5 9 5 ) ； 焊接电流给定：2 个1 0 k q 2 w 电位器； 工作电压：+ 5 vd c 。 ( 2 ) 5 4 6 2 2 a 记忆示波器 a g i l e n t 公司生产的5 4 6 2 2 a 记忆示波器的最大特点就是可以记忆波形曲 线，并可通过数据线与计算机连接，现场实时监测和采集焊接参数。对于采集 到的参数曲线，5 4 6 2 2 a 记忆示波器能够以每屏2 0 0 0 个数据点的精度，将数据 传输到e x c e l 工作簿中。这样，利用e x c e l 强大的图表、宏( m a c r o ) 以及 v b a 编程性能，可以快速、准确、直观地处理所采集到的数据。 5 4 6 2 2 a 记忆示波器的主要指标如下【2 9 1 ： 示波器通道数：2 ； 带宽：1 0 0 m h z ； 采样率：2 0 0 m s a s ； 最大输入：4 0 0 v ： 分辨率：8 b i t ； 量程：i m v d i v 至5 v d i v ； 时基：5 n s d i v 至5 0 s d i v ； 触发：边沿，脉冲宽度，码型，1 2 c ，丁v ，序列，持续时间； 峰检测：5 n s ； 显示：具有3 2 级亮度的高清晰显示；1 , 0 0 0 点的水平分辨率； 显示方式：常规，峰检测，延迟，滚动，带z 消隐的x y ，平均； 测量：峰值，最大值，最小值，平均值，幅度，波顶，波底，过冲，前冲，有效值，频率， 周期，+ 脉冲宽度，一脉冲宽度，脉宽比，最大值时间，相位，延迟； 电源：1 0 0 v a c 一2 4 0 v a c 1 0 ，4 7 h z 一4 4 0 h z ，1 0 0 w 最大。 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 3 1 2 试验设备的连接 d c 。15 0 0 弧焊电源外部接线端子中的7 5 ，7 6 ，7 7 是焊接电流的遥控给定 端子对应一个1 0 k q 2 w 电位器，在焊接电流脉冲控制器上的【7 5 ，7 6 ，7 7 】 接口，分别与d c 一1 5 0 0 提供的【7 5 ，7 6 ，7 7 】相对应，d c 一1 5 0 0 的【3 l ，3 2 】为1 1 0 v a c 电源，经开关电源电路降压整流向脉冲控制器提供+ 5 v 电压。 此外，还需要接入记忆示波器及分流器等设备。 试验设备整体连接示意图如图3 3 所示。d c 一】5 0 0 则在脉冲控制器的控制 下，输出脉冲焊接电流。 3 2 试验条件及数据分析 3 2 1 试验条件 本直流脉冲自动埋弧焊试验的目的是：研究在不同峰值电流、基值电流、 频率和脉宽比的脉冲控制信号下，脉冲电流参数对焊缝成形( 熔深、熔宽等) 3 8 o li 图3 - 3试验设备整体连接示意图 及焊缝金相组织等方面的影响，并与普通自动埋弧焊焊缝做出相应的对照分析 3 0 1 。为了保证试验数据的可比性，试验是在一个相对稳定的试验条件下进行的， 见表3 - 2 。 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 母材材质 母材板厚 焊丝材质 焊丝直径 焊丝干伸长度 焊剂 焊接速度 焊接设备 x 7 0 1 0 8 m m h 0 8 c ( h 0 8 m n m o t ib 、l 巾4 m m 3 2 m m s j l 0 1 1 2 0 m r r i n n a - 3 型送丝机d c - 1 5 0 0 直流电焊机脉 冲电流控制器等 钢试板、h 0 8 c 焊丝的化学成分及力学性能分别列于表3 3 ，表3 - 4 。s j i o i 焊剂的化学成分( 州) 列于表3 - 5 。 表3 - 3x 7 0 钢的化学成分( 、v t ) 及力学性能( 1 6 1 m m 厚) 【3 表3 4h 0 8 c ( h 0 8 m n m o t i b ) 焊丝的化学成分( 训) 0 2 表3 - 5s j l 0 1 焊剂的组成成分( w t ) 【3 3 牌号s i 0 2 + t i o 。，c a o + m g oa h 2 0 3 , + m n oc a f 2 s p碱度类型 s j l 0 11 0 152 5 , 、3 52 0 3 01 5 - - 2 5 1 8 氟碱型 00 600 8 8 第三章脉冲电流自动埋弧焊试验 3 2 2 试验数据及分析 3 2 2 1 焊接电流有效值的推导 i ( a ) 图3 - 4 理想脉冲波形示意图 热输入量是焊缝熔深和焊缝组织以及力学性能指标的决定因素，也是进行 焊缝成形和组织性能比较的基础，在同一种弧焊方法热效率基本相同的前提下， 其大小主要取决于焊接电流的有效值。所以推导出合理的有效值计算方法是很 有必要的。有效值是从电流的热效应来规定的，在焊接中，电流常表现出其热 效应，就是说，某一个周期电流( 本文指周期脉冲电流) 通过电弧在一个周期 内产生的热量，和对应的直流通过电弧在相等的周期内，产生的热量相等，那 么这个周期性变化的脉冲电流的有效值在数值上就等于这个直流。在有无脉 冲条件下使用相同的焊接速度和电压值，也就是使用的线能量相同。 脉冲埋弧焊电流的有效值可以利用以下两种方法得出： 利用理想方波的基值电流、峰值电流、脉宽比和平均电流值、电流有效 值的关系，通过计算得到电流的有效值，如图3 - 4 所示。 l = ，。r 1 + 4 ( 1 一只，) i = 挥而巧而 公式( 3 - 1 ) 公式( 3 - 2 ) 其中l 为平均电流，t 为有效值，。为峰值电流，。为基值电流，月，为 脉宽比。其中j 。、l 为预设电位器电阻值对应的电流值。在实际应用中，由于 电位器给定阻值太高，相应焊接