毕业设计（论文）-等离子弧焊接系统的微机控制.doc

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1、山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 I 目目 录录 目目 录录I 摘要摘要.II ABSTRACT .III 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 选题意义选题意义.1 1.2 穿孔等离子弧焊的发展历史穿孔等离子弧焊的发展历史.2 1.3 穿孔等离子弧焊的研究现状穿孔等离子弧焊的研究现状.2 1.4 研究方案研究方案4 1.4.1 总体方案 4 1.4.2 本论文的主要目的 6 第二章第二章 实验设备简介实验设备简介7 2.1 小孔等离子弧焊机原理小孔等离子弧焊机原理7 2.1.1 等离子弧的产生与类型 .7 2.1.2 等离子弧焊机的设备原理图 8 2 2.2 Fronius 等离子焊接设

2、备简介等离子焊接设备简介.8 2.2.1 设备概况 .8 2.3 ROB4000.9 2.4 PCI2013 数据采集卡数据采集卡11 2.5 工作流程简介工作流程简介.12 第三章第三章 实验方法及其数据处理实验方法及其数据处理 .13 3.1 工艺试验工艺试验.13 3.2 等离子弧焊接参数简介等离子弧焊接参数简介.13 3.3 试验过程中设备出现的问题以及解决方法试验过程中设备出现的问题以及解决方法.14 3.4 连续焊工艺参数分析连续焊工艺参数分析14 3.5 脉冲焊工艺参数分析脉冲焊工艺参数分析19 第四章第四章 结论结论23 参考文献参考文献24 致谢致谢.25 山东大学学士学位论

3、文山东大学学士学位论文 II 等离子弧焊接系统的微机控制等离子弧焊接系统的微机控制 摘要摘要 等离子弧焊中，压缩的等离子弧被用作集中的能量源来熔化工件，由于等 离子焊过程的高能量密度和高速等离子流，等离子弧焊可以产生比钨极氩弧焊 更深的熔深，更小的热影响区，因此被用于许多重要设备的焊接上。但是，由 于需要人工控制，限制了等离子弧焊接的自动化使用，因此，如何利用微机控 制便成为提高其焊接速率的重要环节。 本文基于最先进的 Fronius 焊机，首先掌握等离子弧焊接系统的工作原理， 了解 ROBO4000 以及 PCI 数据采集卡的使用说明。其次安装和调试等离子弧焊 接设备，将等离子弧焊机与 RO

4、BO4000 相连，安装 PCI 采集卡，研制出计算机控 制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波形的任意设计与调整。最后开展等 离子弧焊接工艺实验，得到一系列工艺参数，检测系统运行的稳定性，可靠性。 从而实现等离子焊接的微机控制，为等离子焊接的自动化做了前提工作。 关键词关键词：等离子弧焊接 微机控制 自动化 工艺参数 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 III Computer Control of PAW System Abstract In PAW, constringent plasma arc is concentrated to melt the pieces. Becaus

5、e of the high power density and high velocity plasma in PAW, PAW could produce deeper penetration, smaller HAZ than GTAW. So PAW usually is always used for weld of many important fixture. But because the PAW needs manual control, the PAW is constricted for auto welding, and using computer to control

6、 the welding process of PAW become important in promoting the welding velocity. In this paper, author mastered how the PAW system works and had a good understanding of ROBO4000 and data-acquiring card PCI2013 based on the advanced welding machine Fronius. On the other hand, the author fixed and debu

7、gged PAW machine, connected Fronius welding machine with ROBO4000, set PCI card, and developed the welding system based on computer control to realize discretional adjusting and design of the wave of weld current. At last, the author performed the experiments based on PAW and achieved a series of ex

8、periment data to test the stability and reliability of the system. So the work of this paper is a base for the welding automation. Keywords: PAW computer control automation welding parameters 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题意义选题意义 等离子弧焊（PAW）工艺是在普通钨极氩弧焊（GTAW）的基础上发展起来的 一种高效电弧焊方法。由于等离子弧具有能量密度集

9、中、射流速度大、等离子 流力强的特性，等离子射流可以直接穿透被焊工件，形成一个贯穿工件厚度方 向的小孔（keyhole） 。因此，小孔等离子弧焊与激光焊、电子束焊同被归类为 高能量密度焊接【1】。 对于激光焊，设备比较昂贵，设备运行成本较高，光斑小，对装配精度要 求高，工业常用大功率 CO2激光加工器其激光波长 10.6m，无法用光纤传输导 致加工柔性差。金属对激光具有较高反射率，尤其是有色金属，给激光焊接带 来困难。激光小孔焊时产生的等离子体（激光维持燃烧波）对激光有较高的吸 收率，对焊接质量产生影响。电子束焊，需要在真空的条件下焊接，在很大程 度上限制了其在工业中的应用。 进入 21 世纪

10、，航天航空制造业对焊接技术提出了更高的要求，人们在追求 低成本高强度的焊接结构时对穿孔等离子焊接产生了新的兴趣2。 等离子弧能量密度高、射流速度大、等离子流力强3，穿孔等离子弧焊接 （K-PAW）时等离子弧穿透工件形成小孔，随着小孔的闭合形成焊缝。对于国防 工业中常用金属材料如高强钢、高温合金、钛合金、不锈钢等，在中厚度 （310mm）范围与钨极氩弧焊相比，PAW 具有更好的工艺焊接性，接头内部缺 陷降低、焊件变形小、焊接效率提高。 “单面焊接双面成形”是 K-PAW 型的典 特征，特别适合密闭容器、小直径管焊接等背面难于施焊的结构件焊接2。 等离子弧独特的物理特性，也为小孔等离子弧焊接带来了

11、一些问题：等离 子弧的稳定性差，对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，导致小孔的稳定性 差，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄，可调裕度小，这些问题制约了 该工艺在工业中的大量应用。 针对受孔脉冲穿孔型等离子弧焊接，研究小孔形成和闭合的焊接工艺条件， 对于获得稳定的小孔，从而保证焊接质量，具有重要意义4。相关研究课题的 最终目标是研发出受孔脉冲穿孔型等离子弧焊接工艺与设备，本论文是研究工 作的第一步，首先研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 2 形的任意设计与调整，为相关研究工作搭建试验平台。 1.2 穿孔等离子弧焊的发展历史穿孔等离子

12、弧焊的发展历史 1954 年，美国 Union Carbide 公司的 Robert Gate 发现，经过压缩的电弧能 量密度更加集中，电弧温度和射流速度大幅度提高。这种具有高温、长弧柱特 性的拘束态电弧很快被用于切割有色金属，随后进一步的试验研究证实，这种 压缩电弧也可用于焊接5。 等离子弧焊刚一问世，就得到工业界的极大关注，尤其是国防与航空航天 工业。1966 年，美国 Lin de 公司与 Westinghouse 电器公司合作开发研制了一套 自动化等离子弧焊设备，用于焊接直径为 3m、壁厚为 9.5m、材料为 D6AC 钢 的大力神C 火箭助推器壳体，这标志着等离子弧焊正式应用于实际产

13、品的 生产。原来采用 TIG 焊需要一层封底焊和 34 层填充焊，采用等离子弧焊只 需 1 层穿透焊和 1 层盖面焊，焊接工时缩短 50，而且焊接质量要优于 TIG 焊。 其他的应用实例还有 B-1 轰炸机主翼机匣、RB-211 喷气发动机中心压气机壳体、 直升机浆叶圆柱大梁、钛合金机翼蒙皮、高强钢筒形蓄压器等。 60 年代初期美国 Thermal Dynamic 公司首先采用直流反极性等离子弧焊进 行了铝合金焊接试验，与 TIG 焊相比，等离子弧焊的生产效率和焊接质量都明 显提高，但钨极烧损严重，电弧的稳定状态容易受到破坏。70 年代初期美国波 音公司的 B.P. Van Cleave 采用

14、西雅基公司制造的变极性方波电源开发出变极性 等离子弧焊工艺，随后 Hobart Brothers 公司根据等离子弧焊工艺要求，设计制 造了第 1 台变极性等离子弧焊电源。自此，变极性等离子弧焊（VPPAW）技术 以其特有的工艺优势在铝合金构件焊接中得到广泛应用。 1978 年，美国 NASA 宇航局马歇尔宇航中心购买了由 Hobart Brothers 公司 制造，专用于铝合金焊接的大功率变极性等离子弧焊系统，并决定采用变极性 等离子弧焊取代钨极气体保护焊用于航天飞机外储箱的焊接，这一举措推动了 等离子弧焊工艺、设备及焊缝成形与焊接质量控制等一系列壳体研究的深入开 展【6】。 1.3 穿孔等离

15、子弧焊的研究现状穿孔等离子弧焊的研究现状 等离子弧独特的物理性能，也为穿孔等离子弧焊带来了另一方面的问题： 焊接质量稳定性差，这已成为制约等离子弧焊工业应用进程及其自身技术发展 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 3 的主要障碍。 穿孔等离子弧焊焊接质量稳定性差最直观的表现由 2 个方面：焊接过程 中等离子弧的稳定性差，等离子弧仍属于一种气体放电现象，自由电弧的能量 状态回收到气体成分、电极状态、焊接材料等多种不可控或完全不可控因素的 影响，对于具有高能量密度的等离子弧来说，这种影响作用更为显著，因而等 离子弧对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，规范参数的波动、现场的干扰 及焊枪的性能对

16、等离子弧的稳定性影响很大，获得良好接头质量的合理规范参 数区间窄、裕度小，在大电流强压缩条件下易出现双弧。焊缝成形的稳定性 差，对于厚板穿孔等离子弧焊，这一问题尤为突出。影响焊缝成形稳定性的因 素很多，如等离子弧的稳定性、熔池液态金属的流动性、穿孔熔池受力状态及 平衡性等。 自 70 年代开始，焊接工作者在穿孔等离子弧焊焊接质量稳定性的影响因素 及作用规律，提高焊接质量稳定性等方面开展了大量研究工作，并提出了一些 具体的措施和方法。归纳起来主要有一下几个方面： (1)采用弱等离子弧焊工艺 如小的钨极内缩量、大的喷嘴孔径或气动压缩 等工艺措施，降低等离子弧的压缩程度，克服双弧，以提高焊接过程的稳

17、定性 (2)采用分体结构喷嘴 既避免产生双弧，又保证了等离子弧的强压缩特 性。 (3)减小等离子弧焊接参数的波动 尽可能稳定焊接工艺和规范参数 (4)采用低频脉冲焊工艺 规律性的低频脉冲电流不仅可以更有效控制热 输入量，而且可以减弱工艺参数波动对焊接过程稳定性造成的不利影响。 (5)实现焊接质量的实时闭环控制 通过专用传感器检测与焊接过程稳定 性相关的特征信号，并反馈到焊接参数调节系统。 其中(1)，(2)通过调整焊枪结构，以克服双弧为主要目的，或采用弱等离 子弧焊工艺，以牺牲等离子弧的压缩性能为代价；或采用特殊结构的喷嘴，却 增大了焊枪的尺寸。(3)、(4)对于提高等离子弧的稳定性具有一定的

18、效果，易 于实现，也是当前工业界广泛采用的方法，但这 2 种方法的作用效果有限。(5) 是公认的提高焊接质量稳定性最有效的方法。 进入 90 年代以来，随着等离子弧焊设备整体性能水平的不断提高，包括焊 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 4 枪的性能和焊接电源的性能，微型计算机及先进的控制技术在焊接设备中应用 越来越广泛，等离子弧稳定性问题在很大程度上得以改善，因而，在穿孔等离 子弧焊过程中，利用先进的控制技术，进一步提高焊接自动化程度，以及实时 控制焊缝成形质量，必然是今后的研究发展重点。 1.4 研究方案研究方案 1.4.1 总体方案总体方案 对于穿孔型脉冲等离子弧焊建立闭环控制系统

19、来对焊接电流进行实时控制， 闭环控制系统包括：电脑，PCI2013 数据采集卡，ROB4OOO,等离子焊机，传 感器等。利用这套闭环控制系统调节出所需要的焊接电流波形，保证小孔的形 成和闭合，提高焊接质量。系统总体结构框图见图 1： ROB4000数据卡 D/A,A/D 转换 电脑 等离子焊机 信号处理器 工件 传感器 图 1 闭环控制系统的示意图 当等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力作用下形成穿透工件的小孔时， 迅速将焊接电流降低到较低的水平，此时热输入和等离子流力不足以维持小孔 的存在，小孔将迅速闭合，熔池体积收缩，这将防止液态金属被吹离工件造成 烧穿。然后，焊接电流再次增加到较高的水平

20、，小孔重新形成。通过周期性地 “小孔形成”和“小孔闭合”来维持一种动态平衡，保证在最低的热输入状态 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 5 下获得完全熔透。系统工作原理见图 2： 图 2 小孔形成过程的示意图 正如上图所示，在焊接电流变化波形的一个周期中，当焊接电流在峰值持 续一段时间即 t1 到 t2 时刻之后，焊接电流变减小，当焊接电流值减小到 t3 时 刻时，工件上小孔正好穿透工件。接着随着电流的继续减小，热输入也相应的 减小，在 t3 到 t6 这段时间内，小孔慢慢变小，直至闭合。t5 到 t6 这段时间是 基值电流时间。而 t6 又是下一个周期的开始，所以建立这样的焊接电流波形

21、， 可以保证相邻两个脉冲所形成的熔池连续。采用这种脉冲焊的方式有效的控制 了热输入量【89】。 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 6 1.4.2 本论文的主要目的本论文的主要目的 基于最先进的 Fronius 焊机，掌握等离子弧焊接系统的工作原理，安装和 调试等离子弧焊接设备，将等离子弧焊机与 ROBO4000 相连，安装 PCI 采集卡， 研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波形的任意设计与调 整，开展等离子弧焊接工艺实验。将焊接试件切割出试样，经加工处理和腐蚀， 拍摄等离子弧焊缝截面宏观照片，测试出不同工艺条件下的焊缝尺寸。在明了 等离子弧焊接技术的基础上分析相关实验

22、数据，得到一系列工艺参数，检验微 机控制的等离子弧焊接系统运行是否稳定，可靠。 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 7 第二章第二章 实验设备简介实验设备简介 2.1 小孔等离子弧焊机原理小孔等离子弧焊机原理 2.1.1 等离子弧的产生与类型等离子弧的产生与类型 现代物理学认为等离子体是除固体、液体、气体外物质的第四种形态。它 是充分电离了的气体，由带负电的电子、带正电的正离子及部分未电离的、中 性的原子和分子组成4。产生等离子体的方法很多。目前，焊接领域中应用的 等离子弧实际是一种压缩电弧，是由钨极气体保护电弧发展而来的，电弧受到 “机械压缩” 、 “热压缩”和“电磁收缩”电弧在三种压

23、缩效应的作用下，直径 变细、温度升高、气体的离子化程度升高、能量密度增加13。最后与电弧的热 扩散作用相平衡，形成稳定的压缩电弧。这就是工业中应用的压缩电弧。按照 不同的接线方式和工作方式，焊接领域中应用的等离子弧可分为非转移弧、转 移型和联合型等离子弧三类，如图: 图 3 等离子弧模式 非转移的等离子弧，焊接电源的负极接在钨极上，正极接在焊枪的喷嘴上。 等离子弧产生在钨极和喷嘴孔壁之间。转移型等离子弧。焊接电源的负极接于 钨极，正极接于工件。等离子弧先在钨极与喷嘴间产生，然后转移到钨极与工 件之间3。 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 8 2.1.2 等离子弧焊机的设备原理图等离子弧

24、焊机的设备原理图 等离子弧焊接设备主要包括焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路 系统等。根据不同需要有时还包括送丝系统、机械旋转系统或行走系统及装夹 系统等。如图所示： 2 图 4 等离子弧焊接设备组成2 2 2.2 Fronius 等离子焊接设备简介等离子焊接设备简介 2.2.1 设备概况设备概况 此次试验所用焊机为奥地利产的 Fronius 焊机，它是一种多功能焊机，通 过不同的组合可以用于钨极氩弧焊（TIG） 、熔化极气体保护焊(GMAW)、等离子 弧焊（PAW）等。具有组合方便、调节简单、专家参数实用等特点。做为等离子 弧焊接，主要设备包括焊接电源（TPS5000） 、等离子发生装

25、置(Plasma Modul)、 冷却系统、焊枪、行走系统及控制盒 FCU-9-R、遥控装置(RCU2000)等4。 下图 5 为 Fronius 焊机的整体照片 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 9 图 5Fronius 焊机 包括水箱、焊机电源、等离子发生器、行走设备等 2.3 ROB4000 ROB 4000 主要是等离子焊机与电脑连接的接口，主要功能是把电脑上任意 的焊接电流波形传递给等离子焊机。以实现电脑对等离子弧焊接过程中对焊接 电流的控制，从而提高焊接质量。ROB4000 的接线图如下所示： ROB4000 ROBOT welder X2：4 arc on (起弧) X2

26、：5 quick stop(急停) X2：7 gas test(检气) X14：2 welding simulation(焊接模拟) X12：2 GND 以上为控制焊机的数字信号 + X2：1 24V 焊接电流 X2：8 + X2：2 24V 自定义参数 X2：9 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 10 + X14：3 24V 基值电流 X14：13 以上为控制焊机的模拟信号 X2：12 arc stable(引弧成功) X2：13 防撞开关 X2：14 power source ready(焊机准备好) 以上为焊机给机器人的数字信号 X2：13 + 24V 焊接电流显示 X2：10

27、等离子模块上的机器人接口 ROBOT WELDER A GND B 急停 C 引导弧起弧 D +24V E 等离子气调节(模拟量) + F GND G 等离子气流量显示(模拟量) _ H GND I 空 J 空 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 11 上图中的符号 GND 表示接地。 2.4 PCI2013 数据采集卡数据采集卡 PCI2013 卡是一种基于 PCI 总线的数据采集卡，可直接插在 IBM-PC/AT 或 与之兼容的计算机内的任一 PCI 插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各 种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。 PCI2013 板上装

28、有 12Bit 分辨率的 A/D 转换器和 12 位 D/A 转换器。为用户提供 了 16 双/8 单的模拟输入通道和 2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经硬件 增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度,A/D 和 D/A 转换器信号范 围:5V、10V、010V。 其主要功能包括：电子产品质量检测、信号采集、过程控制、伺服控制等。 PCI2013 数据采集卡的示意图如下： 图 6 PCI2013 数据采集卡的示意图 XS1：模拟量信号输入引线插座 XS2：开关量输入信号引线插座 XS3：开关量输出信号引线插座 RP1：A/D 电路单极性零点调整电位器 RP2：A/D 电路双极性零点调

29、整电位器 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 12 RP3：A/D 电路满度调整电位器 RP4：D/A1 输出电压满度调整电位器 RP5：D/A0 输出电压满度调整电位器 RP6: D/A输出电压零点调整电位器 XF1、XF2、XF3：模拟电压输入单端、双端选择 XF4：模拟电压输入量程选择 XF7、XF8、XF9、XF10：D/A 输出极性选择 XF5、XF6：D/A 输出量程选择 XF11：时钟源接线管脚（1=OUTCLK， 2=GND， 3=INCLK） 2.5 工作流程简介工作流程简介 1. 连接各处导线，包括气路、水路、电路等。 2. 打开电源。注意顺序为先开水箱、再开电源和等

30、离子发生器。如果水路 不通畅，焊枪不能启动。 3. 打开气瓶，注意控制离子气和保护气流量 4. 开始焊接时，通过电源的控制面板和遥控器 RCU2000 来调节电流、引弧 时间、占空比等参数。通过 FCU-9-R 控制小车行走和引弧熄弧4 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 13 第三章第三章 实验方法及其数据处理实验方法及其数据处理 3.1 工艺试验工艺试验 利用 6mm 不锈钢 0Cr18Ni9 焊接，探索合适的焊接工艺参数.考察所设计系 统运行的可靠性。在选定的工艺条件下，探索受控脉冲穿孔等离子弧焊接的工 艺参数范围。另外，也做了部分 8mm 板厚的试验，得出了较理想的焊接工艺参 数

31、。 3.2 等离子弧焊接参数简介等离子弧焊接参数简介 (1)(1)焊接电流及焊接速度焊接电流及焊接速度 在喷嘴直径确定以后，等离子弧焊接参数主要有焊接电流、焊接速度、等 离子气流量和钨极内缩。其中焊接电流和焊接速度直接影响向焊缝输入的线能 量，从而影响焊缝成形。线能量的大小与焊接电流和焊接电压的乘积成正比， 与焊速成反比。在钨极内缩、喷嘴孔径、孔道外弧长确定的情况下。焊接电压 基本确定。所以线能量随焊接电流的增加而增加，随焊接速度的增加而减少。 线能量增加时，焊缝的熔深和焊宽增大;反之减小。对于一定的板厚和一定的等 离子气流量，焊透钢板所需要的线能量有一定范围。在此范围内，对应一定的 焊速，可

32、以找到一定的焊接电流使等离子穿透焊得以进行。焊接速度增加，获 得良好成型所需要的焊接电流也增加。如果速度太快，会焊不透；电流太大会 产生烧穿6。 (2)(2)等离子气流量及钨极内缩等离子气流量及钨极内缩 如果焊速固定，随着等离子气流量的增加，进行穿透焊所需要的焊接电流 减少。等离子气流量增加，焊缝变窄。这是因为等离子弧的压缩强度增大了的 缘故。过大的等离子气流量会使焊缝金属吹落，不宜进行焊接。 等离子气流量应该根据焊透方式选取。进行穿透焊时等离子气流量较大， 一般为 2.5-6 L/min.熔透焊的等离子气流量较小，一般为 1-2.5 L/min。 钨极内缩的影响和等离子气流量相当。当钨极内缩

33、增加时，进行等离子弧 穿透焊所需要的焊接电流有所减少、或焊接速度有所增加7。 (3)(3)等离子气和保护气等离子气和保护气 等离子气：等离子弧焊接用的等离子气有氩气和氦气。氩气在平焊和角焊 位置焊接可用较小的流量获得良好的保护效果。但在仰焊位置焊接则需要较大 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 14 流量才行。氩气等离子弧柔和、引弧容易、电弧稳定，但电弧电压较低，产生 的热量较少，焊速较低，熔深较浅。实验中选择焊接用氩气。 保护气：等离子弧焊接采用的保护起有氩气、氮气、二氧化碳、氩+氢混合、 氩+二氧化碳混合气等。不同材料选择不同气体。实验中选择氩气做保护气体6。 3.3 试验过程中设备

34、出现的问题以及解决方法试验过程中设备出现的问题以及解决方法 1、主要问题： (1)在焊接过程中出现的最常见的问题为焊机不引弧。表现为只产生非转移弧， 无法引出转移弧。通过对焊机结构的分析找到问题的解决办法。主要原因有四 个： a 控制电路问题。在电路控制装置 ROB4000 上 Arc on 的控制灯一直不亮， 于是判断控制线路为断路。通过排查发现数据线连接处有三处线接触不良。用 焊锡将其连接，引弧电路为通路，问题解决。 b 钨极问题。此问题出现在实验后期。在确定线路为通路的基础上观察钨 极，发现钨极由于使用时间过长出现烧损，钨极的锥头已经不再是锥形。打磨 钨极后问题得到解决 c 起弧超时。主

35、要问题是工件表面有油污，没有及时清理，打磨之后问题 解决。 d 偏弧。 主要是钨极需要打磨。喷嘴的烧损，更换之后问题解决。 3.4 连续焊工艺参数分析连续焊工艺参数分析 连续焊即在电流和焊速不变的情况下进行焊接。Fronius 焊接设备可调参 数有焊接电流、钨极直径、保护气流量、离子气流量、延迟时间，试验过程中 由于焊枪已经固定，因此钨极直径为不可调。 去年本科生毕业设计做了一些这方面的工作，分析了在焊接速度，保护气 流量为，离子气流量等变化的情况下的最佳状态，那就是离子气和保护气流量 不能太小，并且要有一个倍数关系，大约为 1：3 到 1:4 之间。 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文

36、 15 表 1 相同焊接电流相同焊接速度时不同的气体流量的焊接 气体流量 (L/min) 焊接电流 (A) 电弧电压 (V) 焊接速度 (mm/min) 上表面孔直径 (mm) 上表面熔宽 (mm) 下表面熔宽 (mm) 2.014023.61207.167.160 2.514023.61207.109.240.88 3.014023.41206.486.482.16 3.514026.71206.488.722.54 4.014024.51206.409.002.82 4.514026.31206.326.723.24 5.014027.41206.829.923.88 在此基础上，我们做了

37、大量的工艺试验，利用 6mm 的 0Cr18Ni9 不锈钢做焊 接试验，我们首先用等离子气体流量的变化做了几组试验，数据如表 1 所示， 在焊接电流为 140A，焊接速度为 120mm/min 时不同气体流量的焊接试验： 123456 0 2 4 6 8 10 Dimension (mm) Flow(L/min) 1 2 3 图 8 1: 下表面熔宽; 2: 上表面孔直径; 3: 上表面熔宽 等离子气体流量变化时,熔池的上下表面熔宽与上表面小孔孔径的变化变化规律 (I=140A,v=120mm/min) 由这组试验可知，在焊接电流为 140A，焊速为 120mm/min 时，在气体流量 山东大

38、学学士学位论文山东大学学士学位论文 16 较小时刚开始未熔透，在气体流量较大时都焊塌陷了，只有在 3.5L/min 的气体 流量时焊接质量较好。因此在焊速不变的情况下，把等离子气体流量调到 3.5L/min,改变焊接电流，得到另外一组数据，如下表： 表 2 相同气体流量相同焊接速度时不同焊接电流的焊接 气体流量 (L/min) 焊接电流 (A) 电弧电压 (V) 焊接速度 (mm/min) 上表面孔直径 (mm) 上表面熔宽 (mm) 下表面熔宽 (mm) 3.511023.41206.007.840 3.511524.21205.666.381.48 3.512025.11206.407.0

39、01.76 3.513024.21206.186.482.52 3.513524.71206.407.462.32 3.514026.71206.486.482.54 3.514525.21206.689.943.72 3.515026.41206.648.244.01 3.516027.21206.448.366.00 110120130140150160 0 2 4 6 8 10 12 Dimension (mm) I (A) 1 2 3 图 9 1: 下表面熔宽; 2: 上表面孔直径; 3: 上表面熔宽 焊接电流变化时,熔池的上下表面熔宽与上表面小孔孔径的变化变化规律 (v=120mm/

40、min,Flow=3.5L/min) 由这组试验知，在气体流量为 3.5L/min，焊速为 120mm/min 时，焊接电流 较小时刚开始时未熔透，如图 11 所示，随着电流的增大，焊缝也越来越宽，相 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 17 比较而言，当焊接电流为 140A 时焊接质量最好，如图 12 所示，因此把焊接电 流定为 140A，再进行焊速的调整，调整焊速得到如下一组数据，如下表： 表 3 相同气体流量相同焊接电流不同焊接速度的焊接 气体流量 (L/min) 焊接电流 (A) 电弧电压 (V) 焊接速度 (mm/min) 上表面孔直径 (mm) 上表面熔宽 (mm) 下表面熔

41、宽 (mm) 3.514024.7907.4410.406.20 3.514026.71206.486.482.16 3.514026.71506.007.162.02 3.514024.31806.025.921.42 3.514024.22105.545.540 80100120140160180200220 0 2 4 6 8 10 12 Dimension (mm) v (mm/min) 12 3 图 10 1: 下表面熔宽; 2: 上表面孔直径; 3: 上表面熔宽 焊接速度变化时,熔池的上下表面熔宽与上表面小孔孔径的变化变化规律(I=140A, Flow=3.5L/min) 在气体流

42、量为 3.5L/min,焊接电流为 140A 时，焊速的变化较大，焊速为 180mm/min 时焊接较为理想，当焊速为 210mm/min 时未熔透，如图 13 所示。从 图 8，图 9，图 10 中可以看出，焊接电流和等离子气体流量改变时，小孔上表 面孔径并没有引起很大的变化。而焊接速度变化时，小孔上表面孔径变化较大。 另外，我们还利用 8mm 厚的 0Cr18Ni9 不锈钢做了几组试验，也得到了较 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 18 为理想的焊缝，如图 14 所示。 图 11 焊缝横断面宏观照片(等离子气流量为 3.5L/min、焊接电流 115A、焊速 120mm/min)

43、图 12 焊缝横断面宏观照片（等离子气流量为 3.5L/min、焊接电流 140A、焊速 120mm/min） 图 13 焊缝横断面宏观照片（等离子气流量为 3.5L/min、焊接电流 140A、焊速 210mm/min） 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 19 图 14 8mm 厚不锈钢焊缝横断面宏观照片 3.5 脉冲焊工艺参数分析脉冲焊工艺参数分析 对于穿孔等离子焊接，有利于熔池金属平衡的条件有两个：一是小孔直径 尽可能小；二是焊缝根部与熔池上部凝结时间与空间的偏差尽可能大。其中， 影响小孔直径的因素有：焊嘴的孔道比、钨极直径与钨极尖端形状、钨极内缩、 焊接电流、离子气与保护气流量

44、等。影响焊缝根部与熔池上部凝固时间与空间 偏差的因素有：工件冷却条件、电弧输入工件的能量控制。而控制热输入量最 有效的途径就是采用脉冲焊方式6、9、10。 (1)(1)脉冲焊工艺参数简介脉冲焊工艺参数简介 普通的等离子弧焊,焊接电弧热输入的线能量密度为: vUIq/ 式中: 线能量 (J / mm) q 电弧电压 （V）U 电弧电流 （A）I 焊接速度 （mm/ s）v 而脉冲等离子弧焊接的热输入线能量公式为： 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 20 v T tI T tI UQ bb pP 式中， 为脉冲电流, 是保证焊透和焊缝成型的主要参数之一, 为脉冲时 P I p t 间; 为

45、基值电流,直接影响着焊缝的熔宽及焊缝的截面积, 为基值电流持续 b I b t 时间;T 为脉冲周期。脉冲等离子弧焊的工艺规范参数还有通断比 、脉冲频 率f 。通断比增大时, 热输入量增加,熔宽及焊缝截面增大;通断比减小时, 热 输入量减少,一般所用的通断比在0. 51. 2 之间7。脉冲频率f对焊缝成型尺 寸影响不大, 脉冲频率一般随焊接速度的增加而增加, 以保证相临两个脉冲所 形成的熔池连续。脉冲频率过低,焊缝的连续性差,焊缝表面的鱼鳞纹粗糙;脉冲 频率过高, 则近于普通等离子弧焊, 生产中一般采用f = 15 Hz 。脉冲等离 子弧焊接的特点: (1) 输入功率可精确控制; (2) 线能

46、量减少,工件变形小,适 于对热敏感材料的焊接; (3) 脉冲功能可以充分搅拌熔池,有利于氧化膜的破碎 及焊缝气体的逸出; (4) 有效克服双弧,使焊接过程稳定。考虑连续穿孔焊时, 熔池根部熔宽过大;采用“一脉一孔”的脉冲等离子弧焊新工艺,可限制熔池根 部熔宽,提高根部基体金属对熔池的约束作用,使熔池稳定。所谓“一脉一孔”, 就是在每一个脉冲周期内,焊接电弧作用于金属形成的小孔出现并闭合一次,即 在峰值电流期间小孔形成属于穿孔焊,在基值电流期间小孔闭合属于熔化焊。其 技术难点在于如何选择恰当的电流参数及合理匹配占空比() bp tt 5 I Tp Tb Ip Ib T 图15 (2)(2)脉冲焊

47、试验工艺参数分析脉冲焊试验工艺参数分析 焊速 20 cm/min 离子气流量 15 L/min 时进行下列试验 试板材料 0Cr18Ni9，板厚 6mm 参考去年毕业论文，当频率为 4Hz，占空比为 70时，焊缝基本未焊透， 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 21 脉冲焊的鱼鳞状特征不明显，原因为等离子焊的频率过低，占空比太高，故改 变占空比和频率。提高频率至 8Hz,占空比至 40%，得到以下几组数据 序号频率 （Hz） 占空比 () 峰值电 流(A) Ib/Ip () 焊接电 流(A) 焊缝质量 184020050138 表面出现鱼鳞纹，未焊透， 有咬边 284021050145

48、背面焊透，鱼鳞纹明显， 成型好 表 4 改变频率和占空比后的焊缝质量 采用第 2 组焊接参数得到质量较好的焊缝，其横断面及正反面的照片如图 图 16(a) 焊缝正面 图 16（b） 焊缝背面 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 22 图 16(c) 焊缝横截面宏观照片 平均电流 I=145A 峰值电流 I=210A 基值电流 50% 占空比 40% 频率 f=8Hz U=19.8V 离子气流量为 3.5 L/min 保护气流量 15L/min 焊接速度为 15 cm/min 在此基础上增加保护气至 20 L/min，得到的焊缝背面未焊透，单侧咬边严 重。因此较好的脉冲焊工艺参数为：焊速 20 cm/min 保护气流量 15 L/min 离 子气流量 3.5 L/min 频率 8Hz 占空比 40% Ib/Ip= 50% 电流 210A。 山东大学学士学位论文山东大学学士学位论文 23 第四章第四章 结论结论 基于最先进的 Fronius 焊机，通过掌握等离子弧焊接系统的工作原理，安 装和调试等离子弧焊接设备，将等离子弧焊机与 ROBO4000 相连，安装 PCI 采集 卡开展等离子弧焊接工艺实