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套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程研究

2017-02-06 09:20:00
sawchina
原創(chuàng)
7586
摘要：本文利用自行研制的步進(jìn)式電弧螺柱焊槍，采用套圈作為焊接過程的保護(hù)方式，研究了套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程。對焊接過程的電流及電壓波形進(jìn)行采集，分析焊接過程的電弧行為。
摘要：本文利用自行研制的步進(jìn)式電弧螺柱焊槍，采用套圈作為焊接過程的保護(hù)方式，研究了套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程。對焊接過程的電流及電壓波形進(jìn)行采集，分析焊接過程的電弧行為。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程中，電弧穩(wěn)定燃燒，熔化金屬短路現(xiàn)象明顯減少；螺柱送進(jìn)過程的“無弧”時(shí)間縮短。焊接過程電弧行為的改善提高了電弧對接頭的加熱效率；相比無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊，套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊可以在一定范圍內(nèi)減少焊接時(shí)間，提高了焊接效率。 
關(guān)鍵詞：電弧螺柱焊；套圈；焊接過程；電弧行為 

電弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱與工件間引燃電弧，當(dāng)螺柱與工件被加熱到合適溫度時(shí)，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接頭。根據(jù)焊接過程中所用焊接電源的不同，傳統(tǒng)電弧螺柱焊可以分為普通電弧螺柱焊和電容儲(chǔ)能電弧螺柱焊兩種基本方法[1]。在普通電弧螺柱焊的應(yīng)用中，套圈保護(hù)是常用的一種焊接過程保護(hù)方法。 

步進(jìn)式電弧螺柱焊（簡稱SASW）是基于新式焊槍的焊接方法，文獻(xiàn)[2]介紹了步進(jìn)式電弧螺柱焊槍的研制情況以及焊接過程的初步實(shí)現(xiàn)。為了提高步進(jìn)式電弧螺柱焊的實(shí)用性，需要對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文主要研究套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程，分析套圈保護(hù)對焊接過程電弧行為的影響。 

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料 

1.1焊接設(shè)備 

焊接設(shè)備包括焊接電源、焊接控制器及焊槍。步進(jìn)式電弧螺柱焊槍的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)焊接過程螺柱的運(yùn)動(dòng)要求。采用MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)控制焊槍及焊接過程的實(shí)現(xiàn)[2]。試驗(yàn)中，選用型號為ZXG-300的磁放大器式弧焊整流器作為焊接電源，該電源標(biāo)明空載電壓75V，具有陡降外特性，符合電弧螺柱焊引弧及焊接要求。

佳工機(jī)電網(wǎng) 
圖1 步進(jìn)式電弧螺柱焊槍結(jié)構(gòu)

1.2焊接過程監(jiān)測設(shè)備 

研究焊接過程，可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)，本試驗(yàn)通過采集焊接過程的能量輸入?yún)?shù)，利用波形法進(jìn)行分析。能量輸入?yún)?shù)主要包括焊接電流和焊接電壓。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)如圖2所示。焊接電壓的采樣采用型號為GIV-Zv的直流電壓變送器，該變送器具有光電隔離作用；焊接電流的采樣是依靠分流器來獲得，電流信號經(jīng)分流器變換為一定大小的電壓信號，從分流器兩端出來的信號需進(jìn)行放大隔離。系統(tǒng)采用型號為TDS220的數(shù)字示波器記錄焊接過程，此示波器具有兩個(gè)輸入通道，可以同時(shí)采集焊接電壓和焊接電流。示波器外擴(kuò)計(jì)算機(jī)通訊模塊TDS2CM，通過RS232接口線與計(jì)算機(jī)串口相連接。采集的信息可以直接在計(jì)算機(jī)上顯示處理。

佳工機(jī)電網(wǎng) 
圖2 采樣系統(tǒng)示意圖

1.3試驗(yàn)材料 

試驗(yàn)中所用螺柱及試件材料為Q235鋼，螺柱直徑φ5mm，待焊頂端為平頂端面形式，不帶引弧結(jié)；試件厚度5mm，適合螺柱焊接，焊前對表面氧化皮、鐵銹、油漆、油脂等雜質(zhì)做簡單處理。 

焊接中使用自制套圈，其主要成分如表1所示。

表1 套圈主要成分(體積分?jǐn)?shù)，％) 
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2 結(jié)果及討論 

2.1無保護(hù)SASW 

步進(jìn)式電弧螺柱焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要包括能量輸入?yún)?shù)(焊接電流，焊接時(shí)間)和焊槍行為參數(shù)(螺柱提起高度和送進(jìn)深度)。選用表2所示的焊接規(guī)范進(jìn)行無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊。表中所列焊接時(shí)間是指螺柱在提起高度的保持時(shí)間；電弧在此段時(shí)間內(nèi)充分燃燒，決定了接頭的能量輸入。此規(guī)范基本適合無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊接過程。

表2 焊接規(guī)范參數(shù) 
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圖3所示為典型的焊接過程電流及電壓的采樣波形。如圖中所示，整個(gè)焊接過程分為螺柱提起、螺柱保持和螺柱送進(jìn)3個(gè)階段。

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圖3 無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊電參數(shù)波形

(1)螺柱提起階段大約有90ms，螺柱從工件上提起后，焊接電壓增高并保持在25V左右，這說明電弧被順利引燃，開始進(jìn)入焊接過程。而在此階段，焊接電流增長速度較慢，保持在大約50A左右的水平。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是螺柱在提起過程中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)改變了電弧的形態(tài)，使電流密度變?。涣硗怆娏髌∫埠碗娫措娏鞯臏筇匦杂嘘P(guān)。 

(2)電弧燃燒階段，在預(yù)設(shè)的螺柱提起高度，電弧充分燃燒。此階段可以分為兩部分進(jìn)行描述。在t1時(shí)間段內(nèi)，焊接電流的上升速度加快且比較穩(wěn)定，而焊接電壓略有下降趨勢。電壓下降是因?yàn)殡娀∪紵沟寐葜饘偃刍龆啵刍饘傧麓苟s短了弧長。此時(shí)焊接電弧在螺柱端面擴(kuò)展，能量不是很高，故此段時(shí)間可以定義為電弧擴(kuò)展階段。在進(jìn)入t2時(shí)間段內(nèi)，焊接電流上升到大約200A左右時(shí)，焊接電流陡然升高，對應(yīng)的焊接電壓降至接近0V。此后一段時(shí)間內(nèi)焊接電流和焊接電壓處于往復(fù)振蕩的過程。總的趨勢是焊接電流在增大，而焊接電壓總體低于t1時(shí)間段。如此的波形說明螺柱與工件之間頻繁短路。因?yàn)殡S著電流的增大，螺柱端部熔化金屬增多并下垂，最終與工件接觸引起短路。此段時(shí)間可以定義為電弧不穩(wěn)定燃燒階段。由于頻繁的短路，導(dǎo)致焊接飛濺增加。 

(3)在螺柱送進(jìn)階段，螺柱與工件已經(jīng)處于完全短路狀態(tài)。此時(shí)焊接電流基本保持在530A左右，而焊接電壓則基本為0。這就說明在螺柱送進(jìn)過程中，電弧已經(jīng)熄滅。 

2.2 套圈保護(hù)SASW 

在電弧螺柱焊過程中使用套圈進(jìn)行保護(hù)，具有兩個(gè)明顯的作用[3]：(1)使接頭處液態(tài)金屬不能隨意流動(dòng)，起到強(qiáng)制成形焊接接頭的作用；(2)減少了可見的弧光，保護(hù)了操作者的眼睛，改善了工作環(huán)境。另外，套圈中有限的空間對焊接電弧產(chǎn)生較強(qiáng)的約束作用，從而減輕了電弧磁偏吹現(xiàn)象[4]。電弧偏吹是影響電弧螺柱焊質(zhì)量的重要因素，可以導(dǎo)致焊腳成型不均勻，同時(shí)引起強(qiáng)烈的焊接飛濺。 

比較無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程表現(xiàn)出來的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究套圈保護(hù)對步進(jìn)式電弧螺柱焊過程及電弧行為的影響。 

為增強(qiáng)可比性，采用表2所示的焊接規(guī)范參數(shù)，進(jìn)行套圈保護(hù)步進(jìn)電弧螺柱焊試驗(yàn)。焊接過程電流及電壓采樣波形如圖4所示。

佳工機(jī)電網(wǎng) 
圖4 套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊電參數(shù)波形

在螺柱提起階段，電流與電壓的波形變化與圖3相似，焊接過程處于起弧狀態(tài)。 

在電弧燃燒階段，同樣可以分為兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行描述。如圖所示，在t1時(shí)間段內(nèi)，焊接電壓呈增大趨勢，焊接電流基本在200A以下。此段時(shí)間為電弧擴(kuò)展階段。進(jìn)入t2時(shí)間段，焊接電流穩(wěn)定升高，增大的電弧能量使得螺柱熔化量快速增加。液態(tài)金屬的下垂使得焊接電壓有輕微的減小。此段時(shí)間可以定義為電弧充分燃燒階段?？傮w來說，螺柱在提起高度燃燒穩(wěn)定。 

螺柱送進(jìn)階段，可以分為有弧時(shí)間和無弧時(shí)間。圖中所示t3時(shí)間段表明，螺柱在開始送進(jìn)階段，電弧仍舊正常燃燒。經(jīng)過一段時(shí)間后，焊接電流急劇升高，而電壓降到不足以維持電弧燃燒。此時(shí)處于無弧狀態(tài)，直到焊接過程結(jié)束。 

與無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程相比，套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程具有以下特點(diǎn)。 

(1)在套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程中，電弧燃燒穩(wěn)定，短路現(xiàn)象明顯減少。出現(xiàn)這種情況的原因主要是因?yàn)樘兹ΡＷo(hù)情況下電弧對接頭處加熱集中，磁偏吹減少，造成焊接工件熔深較大，這就使得焊接電弧增長，短路次數(shù)自然減少。對于套圈保護(hù)的焊接過程，短路現(xiàn)象依舊存在，只是短路次數(shù)或總的短路時(shí)間會(huì)大幅度降低。正常情況下，短路會(huì)發(fā)生在電弧燃燒階段后期或螺柱送進(jìn)階段初期，因?yàn)榇藭r(shí)螺柱端部熔化金屬量達(dá)到一個(gè)較大值。圖4所示焊接過程在電弧燃燒階段后期存在大約10ms的短路，圖5所示的焊接過程在螺柱送進(jìn)階段存在短暫時(shí)間的短路現(xiàn)象。需要說明的是，此短路指的是發(fā)生在電弧完全熄滅之前的短路。

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圖5 螺柱送進(jìn)階段出現(xiàn)短路的焊接過程波形

(2) 在套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程中，螺柱送進(jìn)過程的無弧時(shí)間明顯低于無保護(hù)焊接過程。實(shí)際的電弧燃燒時(shí)間因此延長，而此段時(shí)間的焊接電流很大，這在很大程度上增加了焊接輸入能量。 

由于套圈的使用，使得焊接過程的電弧行為有很大改善。短路現(xiàn)象的減少意味著焊接過程中不會(huì)有太多的金屬飛濺，電弧的利用率得到提高。實(shí)際燃弧時(shí)間增長也會(huì)使螺柱更多的熔化。通過焊后測量可知，套圈保護(hù)焊接后的螺柱燒損量是無保護(hù)焊接后螺柱縮短量的2倍左右。 

2.3套圈保護(hù)SASW焊接時(shí)間確定 

焊接過程電弧行為的改變將直接影響焊接過程的進(jìn)行以及接頭的形成。采用表2所示焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，將產(chǎn)生過多的接頭熔化金屬。故需要對焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)中通過縮短焊接時(shí)間的方法減小焊接輸入能量。 

通過試驗(yàn)得出，在表2所示焊接規(guī)范的基礎(chǔ)上，調(diào)整焊接時(shí)間為290ms，可以得到較為滿意的結(jié)果。其焊接過程電參數(shù)采樣如圖6所示。從圖中可以看出，焊接過程電弧燃燒穩(wěn)定，電弧行為符合套圈保護(hù)SASW過程一般規(guī)律。焊后對工件上的螺柱進(jìn)行測量，同焊前相比縮短了2.8mm。由于設(shè)定的螺柱送進(jìn)深度為3.3mm，確保螺柱最大程度的進(jìn)入熔池，所以此種接頭處于比較緊密的接合狀態(tài)。而采用370ms焊接時(shí)間的焊接過程有可能出現(xiàn)螺柱燒損量過大，螺柱送進(jìn)后與工件上的焊接熔池金屬擠壓不夠，從而影響接頭質(zhì)量。

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圖6 燃弧時(shí)間為290ms的焊接過程波形

由于套圈的使用，步進(jìn)式電弧螺柱焊的焊接時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)縮短，這就提高了焊接效率；另外，焊接時(shí)間的縮短減小了熔化金屬被空氣侵蝕的幾率，有利于焊接質(zhì)量的提高。 



3 結(jié)論 



采用波形法對無保護(hù)及套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論： 

(1) 在無保護(hù)SASW過程中，存在一個(gè)電弧不穩(wěn)定燃燒階段，其間發(fā)生大量的熔化金屬短路現(xiàn)象。 

(2)由于套圈的使用，使得SASW過程電弧行為發(fā)生較大改變。整個(gè)焊接過程中，電弧穩(wěn)定燃燒，短路現(xiàn)象明顯減少；螺柱送進(jìn)過程的“無弧”時(shí)間縮短。電弧行為的改善提高了電弧利用率。 

(3)相比無保護(hù)SASW，套圈保護(hù)SASW可以在一定范圍內(nèi)減少焊接時(shí)間，這一方面提高了焊接的效率；更有利的一方面是減小了焊接熔池被空氣侵蝕的幾率。 

參考文獻(xiàn) 
[1] 池強(qiáng)，張建勛，付繼飛. 電弧螺柱焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)，2003，32(6): 18~20. 
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致謝：本研究得到教育部骨干教師基金資助和中冶集團(tuán)建筑研究總院，特表示感謝。 

作者簡介：池強(qiáng)，博士研究生，從事焊接過程控制研究； 張建勛教授，博士生導(dǎo)師。主要從事新材料接合科學(xué)與技術(shù)、數(shù)值模擬與仿真、CAD/CAE與專家系統(tǒng)的研究。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。 
jxzhang@mail.xjtu.edu.cn; http://mse.xjtu.edu.cn (end)
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