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1、分类号： 单位代码 学 号 密 级 公开 北京工业大学博士学位论文题英文并列 既 题 目 里基盟幽盥坠至旦至壁鱼堕 里垦垦旦坠里旦丛鱼 星必些鲤 研究生姓名： 皇援注 专 业：扭越曳王王程 研究方向：埕垄王茎丛自动业 导师姓名： 殷挝直 职 称： 熬 攫 论文报告提交日期 学位授予日期 授予单位名称和地址 立王些丕堂 夏弱豳竖土生国！业曼 摘要 摘要 焊接速度是薄板高效焊接的重要工艺参数，制约焊接速度提高的主要障碍之一是咬边缺陷的产生。 文中通过计算机仿真、定点焊接、自由电弧焊接、电磁压缩电弧移动焊接、以及双弧移动焊接等实验，研究了熔池液体金属表面张力温度系数、温度梯度、熔池液体流向以及熔池动
2、态深宽比等因素对焊缝咬边形成的影响规律及其预防措施等。 研究表明，熔池表面液体自熔合线向熔池中心流动是导致焊缝产生咬边的最重要因素。当表面活性物质的存在（例如钢中硫含量在左右）使得熔池表面张力温度系数由负值变为正值时，定点不填丝焊点均发生咬边现象，而用含硫量极低的铁基金属（如硫含量小于呦进行焊接时就不出现咬边。 温度梯度是影响焊缝咬边程度的最重要因素。在其他条件不变的前提下，焊缝咬边程度随着温度梯度的增大而增大。大电流短时间定点焊接时的咬边倾向和程度大于小电流长时间定点焊接时的咬边倾向和程度，大电流高速焊接时的咬边倾向远大于小电流低速焊接时的咬边倾向。 增加熔化角可有效减小近熔合线区的液体流动
3、阻力，降低近熔合线区凝固速度，对抑制焊接咬边有明显作用。当有填充金属加入熔池时，在重力作用下抑制了熔池金属向中心流动，降低了咬边程度。随着填充金属量的增加，咬边将最终消除。 数值模拟和焊接实验表明，高速焊接条件下的熔池最大熔深截面滞后于最大熔宽截面，使得焊缝的深宽比不能反映熔池冷却时的实际情况，故而依据最大熔宽和最大熔深截面把熔池分为金属熔化的前段、熔池两侧金属开始凝固而熔池底部仍在继续熔化加深的中段和液体金属凝固的后段。显而易见，咬边正是出现在熔宽减小而熔深增加的中段。 文中提出熔池动态深宽比概念：焊接过程中熔宽最大处的熔池深宽比称为熔 池动态深宽比，其对准确描述高速焊接条件下的熔池行为具有
4、重要意义。 焊接热源形态对焊接熔池温度梯度和动态深宽比有重要影响，对提高焊接速 北京工业大学工学博：学位论文度有重要意义。数值分析和实验结果都表明，当电弧在电磁场作用下被压缩成椭圆形（在电弧运动方向被拉长而在垂直于电弧运动的方向被压缩），或者双弧热源沿运动方向纵向排列焊接时，可有效降低熔池垂直于焊接方向的温度梯度，提高熔池动态深宽比，抑制咬边产生，实现更高速度的焊接。 研究表明，采用模式控制，在峰值电压条件下，直径焊丝，小于时，熔滴过渡过程不稳定；为时，可以实现稳定的一脉一滴过渡方式；高于时，熔滴过渡趋于一脉多滴方式。 通过双丝焊接工艺实验及其工艺参数优化得到如下结论：在线能量相同或者总电流相
5、同的条件下，沿运动方向排列的双弧焊接比单弧焊接时具有更小的横向温度梯度和更大的动态深宽比，减小了熔合线区域液态金属向中心流动的动力，增大了熔池底部金属向熔合线区域的补充能力，降低了咬边倾向，提高了产生咬边的临界焊接速度。 以单片机为控制核心，通过软件技术实现了焊接规范给定、脉冲参数调节、焊接过程时序控制、焊接电流电压实时检测和显示以及焊接过程状态检测与判断等功能，建立了两台电源可相互通信、协调工作、脉冲相位差可调的双丝焊接系统，实际焊接速度可达耐以上。关键词高速焊；咬边；表面张力；温度梯度 锄 廿 伍， 如 ， 叫 曲也 ， 、 盯 也 玎 犯 （ ） 删 舶 ， 、， （ 锄， ） 唧 呻
6、、 锄 血 恤 璐 雌、 也 ， 曲 撕 ， ， 、 也 丹 也 ， ， 也 北京工业大学工学博士学位论文 丘 印 谢 ， ， ： ，吐 鸥谢 巩也 也 恤 ， 诅 也 呻 ， 锄 谢、 也： 、 廿 曲 幽 ）【 ， ，也 舭 孕，也 锄 印 晰砸 ， ， 埘 ， ，“ 一，” ” 恤 锄 ： 订 血 醇 托、 ， 锄 出 ， 血 也 、 ， 诅 吼廿 、 ，血 丘 。 瑚 ； ；簪 一 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
7、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。 签名觯吼 厶二毡 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： 肼 导师签名：鹾玺嚼簪钌 日期：幺：！墨 第章绪论引言 伴随着经济一体化和技术全球化的发展，制造业的竞争越演越烈。焊接技术作为一种重要的加工手段，已经成为诸如车辆、造船、集装箱、钢结构等许多领域中企业提高核
8、心竞争力的最重要因索，特别是其作为组装工艺之一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用“。正园如此，在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。在工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，是美国未来竞争力的关键所在”。“。 在人类发展史上留下辉煌篇章的重大工程，如美国的登月计划，俄罗斯的宇宙飞船，中国的三峡水利工程、西气东输工程、“神舟”号载人飞船等，无不是采用焊接结构。以鹾气东输工程为例，全长约公里的输气管道，焊接接头的数量达万个以上“。离开焊接，简直无法想象如何完成这样的工程。 同时，焊接技术在当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术（诸如：计算机
9、、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等）的推动下，技术含量得到了空前的提高，已经向自动化、机器人化、智能化、高效化等方向快速发展”。 市场竞争的激烈，生产节奏的加快，使得焊接自动化的目的已经不仅仅停留在简单的用机器焊接代替手工劳动，而是在降低工人劳动强度、提高焊接质量稳定性的同时，提高焊接生产效率缩短工作周期，降低生产成本。因而，高效化焊接工艺的研究以及其焊接设备的开发就成了焊接工作者近年来最重要的课题之一。 实现高效化焊接可以有多种途径，但大致可分为高熔敷率焊接（主要用于厚板焊接）和高速焊接（主要用于薄板焊接）两大类。高熔敷率焊接工艺 高熔敷率焊接，主要目标是提高焊材的填充速度
10、。以适应厚板焊接时以填充 高熔敷率焊接，主要目标是提高焊材的填充速度，以适应厚板焊接时以填充 北京工业大学：学博士学位论文焊接材料速度为主要矛盾的场合。 在焊接厚板时，总是希望能采用更大的送丝速度，提高熔敷速率。多年的研究表明，提高熔敷效率有多种途径，下面分而述之。改进焊接材料实现高熔敷率焊接 使用药芯焊丝提高熔敷速率。”目前，在通过改进焊接材料提高熔敷效率的手段中，应用最为广 泛的是采用药芯焊丝替代实芯 焊丝。特别是采用金属粉芯焊 丝，在提高焊接接头的机械性能 悬越删巅蝰的基础上，可以有效地提高熔敷 缱 速率，见图卜，其已经广泛的 应用在造船等行业，取得了良好 的经济效益和社会效益，并有应
11、用越来越广、用量越来越大的趋 焊接电流胎势，已经成为新一代的焊接材 图药芯焊丝与实芯焊丝填充对比料。 培 五”巾 改变保护气体成分提高焊接熔敷率提高熔敷速率的另一重要途径是调整保护气体的成分“。焊在电流很大时，熔滴过渡将由射流过渡转变为旋转射流过渡。这时焊丝端头十分柔软，由于金属蒸汽从焊丝侧面蒸发，造成焊丝端部旋转，同时伴随着很大的飞溅，成形恶化，过程不稳定。传统观点认为，处于这个区间的焊接规范和熔滴过渡形式不可用于实际焊接生产，焊丝的熔敷速度受到限制。 然而，近年来通过改变保护气体成分，可以提高焊接的临界电流，使得旋转射流过渡形态滞后出现，或者使旋转的幅度稳定，增加了可用焊接电流上限，从而大
12、幅提高了焊丝的熔敷效率。同时，采用旋转射流过渡时，电弧的加热面积较大，恰好克服了射流过渡极容易形成指状熔深的缺陷。当焊接角焊缝时，电弧力的作用使得侧板的熔深较大，可以使焊缝的宽度增大。在对接焊缝中，旋转射流 第苹绪论过渡可以使焊缝平坦，焊缝和母材的过渡圆滑，在抵抗疲劳载荷时甚至可以取代焊接工艺。 （） 【工艺 工艺“是由公司开发的新的焊接方法，它通过改变送丝速度、焊丝伸出长度、电弧电压和保护气体成分等参数，使得焊接过程可以稳定的工作在旋转射流过渡阶段。在保证焊接质量的前提下，有效的提高焊接熔敷速率。 该工艺实质上是常规焊接工艺的延伸，熔敷速率可以达到蚝，相对于传统工艺的最大约的熔敷速度，其效率
13、提高一倍以上。 （） 焊接工艺焊接工艺。”是又一种通过改变保护气体成分实现高效化焊接的工艺。它由加拿大人 年发明，并于后来的几年内，在日本和加拿大应用于实际焊接。年，在维也纳焊接商贸博览会上，该工艺首次引入欧洲，取得了在欧洲市场的专利权。 焊接工艺是在传统的焊的基础上，通过使用含量分别为、吼、的特制气体作为保护气体，有效的解决了焊接临界 电流问题，使得焊接时最大送丝速度由传统眦焊的小于提高到 】以上，大幅提高了焊接熔敷率。例如，用直径低碳钢焊丝，传统焊最大许用电流约为，最高送丝速度，熔敷速度。而焊工艺，用嘲焊丝，许用电流可达，最高送丝速度达瑚， 熔敷速度可达，其熔敷金属速率几乎是原来的倍。表卜
14、列出了 焊接工艺与传统焊接工艺的对比数据四。 焊工艺在工程实际中得到了较多的应用，但是由于氦气的加入以及 采用多元混合气体，大大提高了保护气体的成本。而我国又是一个氦气资源十分 贫乏的国家，因此焊接工艺在我国的推广和应用受到一定的限制。 表卜 焊接工艺和传统焊接工艺对比 撕 焊接方法 焊丝干伸长 送丝速度 焊丝直径 许用最大电流 最大熔敷率 （） （） （） 峨（） （） 传统 一一 焊接 一一 一一 北京工业大学工学博士学位论文 焊接过程中添加金属粉末在焊接过程中，向电弧和熔池区添加金属 粉末，在不增加电弧能量的前提下，可提高熔敷率“。该方法多用于 埋弧焊，也有应用在熔化极气体保护焊的报道。
15、在添加金属粉末工艺中，关键的 因素是金属颗粒的大小，早期使用的多是金属大颗粒，甚至是切断的焊丝，应用 的效果不是很理想。随着技术的进步，填充金属的颗粒直径愈来愈小，它的优点 逐步显现出来。公司研制成功了一种颗粒非常细小的金属粉，在焊接过 程中可以被电弧的吹力吹到电弧的四周，使金属粉不仅在电弧内熔化，在四周也 同时熔化，大大提高了电弧能量的利用率，在提高熔敷率的同时，还增加了接头 的机械性能。 采用磁控电弧提高焊接熔敷速率 针对焊接工艺成本较高的缺点，通过选用少氦或者无氦的价格低廉 的混合气体，取代价格昂贵的三元或四元富氦气体，再辅助其它的工艺措施，提 高电弧的稳定性，从而改善熔滴过渡状态，拓展
16、焊接规范的使用范围，这对实现 在细丝大电流情况下的稳定的旋转射流过渡，进而实现高效焊接工艺，具有十分 重要的现实意义。 北京工业大学在这个方面进行了深入的研究，将磁场控制技术运用到细丝大 电流焊接过程中，实现了在连续大电流的区间获得稳定的无氦保护的低成本 高效焊接新工艺“。 运用电磁作用原理控制电弧已经不是新技术，但通过外加磁场改变焊接过程 中焊接电弧与焊丝端部液态金属的形状，控制焊接电弧和焊丝端部液态金属的运 图卜外加磁场矢量和焊接电流矢量示意图 图卜焊接电弧的空间螺旋线运动 动，进而控制熔滴过渡，实现在无气的条件下的高熔敷率焊接，还是一种新的尝试。 磁控高效焊接原理示意如图卜。旋转射流过渡
17、时，流过液流束的焊接电流可以分解成焊丝轴线方向的分量五和焊丝径向方向分量的昂。同理，外加磁场也可以分解成焊丝轴线方向的巨和焊丝径向的耳。其中庐为液流束的偏转角度，妒为外加磁场的发散角。这样，就存在着两个作用力：一个是焊接电流的径向分量和外加磁场的轴向分量巨相互作用而产生的露，另一个是焊接电流的轴向分量和外加磁场的径向分量耳相互作用产生的作用力瓦。再、丘方向相反，作用在同一条直线上，该点处的液态金属受到的磁场作用的合力为： ，伊一， （妒一妒） 佃（一妒） 如果外加磁场轴向性很好，则有庐妒，也即，即，焊丝端部的液态金属将受到逆时针方向的合力作用，使其逆时针方向旋转。反之亦然。由于液流束的运动同时
18、还受到气动阻力的作用，当三个力达到平衡时，液流束便以一定的频率作旋转运动，为我们提供了一个通过对外加磁场的控制和调整来实现焊接过程中旋转射流过渡过程的控制途径。 实际焊接照片如图卜。在稳定的旋转射流过渡条件下，其送丝速度可达，熔敖效率可达以上，大幅提高了焊接熔敷率。带极气体保护焊接 带极气体保护焊也是一种实现高熔敷率的焊接工艺方法，其工艺本质与一般气体保护焊并无质的区别，主要是把圆形电极改变成了带状电极，在采取了相应措施的基础上，实现了提高焊接熔敷率的目的。”。其焊枪外形如图卜所示。带 状焊丝是一种新的高效姒焊接工艺，其熔敷率超过。 由于带极气体保护焊复杂的送丝机构，以及带极的柔韧性较差，使用带极焊丝焊接时最好用于自动焊接操作设备。 图带极焊接的焊枪结构 钆 订助焊剂焊技术（） 助焊剂焊技术最早是由前苏联巴顿焊接研究所（）在世纪年代开发的技术，它是使用特殊研制的助焊剂（或称活性剂），焊接前涂在被焊工件的表面，使用普通的焊接设备和规范.