双丝脉冲MAG焊两种电流相位关系的焊接行为分析

焊　接　学　报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.31　No.1January　2010

双丝脉冲MAG焊两种电流相位关系的焊接行为分析

　　　　　　　文元美

1,2

,　黄石生,　吴开源,　缪正平

111

　　　　　　　　　　　(1.华南理工大学机械工程学院,广州　5100;2.广东工业大学信息工程学院,广州　510006)

摘　要:基于高速摄像和电信号分析系统,采集了一定焊接工艺参数下高速脉冲双丝

MAG焊接过程的电信号,并对焊接过程中的熔滴过渡方式以及电弧形态进行了高速摄像观察.结果表明,前丝、后丝脉冲电流交替变化时,前丝、后丝电弧形态分别为单丝工作时的钟罩形,显示前后丝电弧间基本没有影响;当前丝、后丝脉冲电流同步变化时,前后丝电弧合并为一个寿桃形电弧,分析指出前后丝电弧形态彼此间的吸引力是造成电弧形态合并的根本原因.不同脉冲电流频率下的焊缝显示,双丝脉冲MAG焊接过程中,前丝、后丝脉冲电流同步变化时,焊缝成形较好,但焊接过程声音较大并伴随较大烟尘;前丝、后丝脉冲电流交替变化时,焊缝成形一般,焊接过程声音柔和且产生较少烟尘.

关键词:脉冲MAG焊;双丝;熔滴过渡;电弧形态

中图分类号:TG115.28　文献标识码:A　文章编号:0253-360X(2010)01-0059-04

文元美

0　序　　言

高速双丝脉冲MAG焊接是一种高效的焊接方

法.1955年就有人开始研究双电弧气体保护焊技术,双丝MAG焊接技术在理论上和实践上也取

[2-5]

得了一批成果,但是高速双丝脉冲MAG焊接过程,随着焊接速度的提高会产生一些与常规速度焊接不同的问题.主要表现为焊缝成形易变差,易出现焊道咬边的现象,速度进一步提高时会产生“驼峰”焊道.这主要是因为在高速焊接时,熔池不能及时冷却,熔池明显拉长.当熔池的拉长达到一定程度时,会发生液态金属的失稳和颈缩现象,造成驼峰

[6]

焊道.同时双电弧间的电磁场相互干扰,造成其电弧的稳定性甚至比单电弧焊接还差.为避免双电弧脉冲焊接可能出现的缺陷并最大限度地发挥双电弧焊接的优点,对高速双丝脉冲MAG焊接过程的研究就成为一项紧迫的任务.

[7]

通过对自行研制的双丝焊接电源进行工艺

[8]

试验,采用高速摄像系统与小波分析系统采集后丝焊接电流、弧焊电压波形以及双丝电源焊接过程熔滴的过渡过程图片,并利用示波器采集前丝以及后丝电流波形,分析了双丝脉冲电流两种不同相位关系

[1]

对焊接过程熔滴过渡行为以及焊缝成形的影响.

1　试验方法

采用文献[8]所示熔滴过渡高速摄像与电信号测试分析系统.采用电源为试验室自行研制的IG2BT脉冲双丝MAG焊逆变电源.焊接工艺参数:前

丝、后丝脉冲电流相位关系为交替(图1a)或同步(图2a),脉冲频率为114Hz,脉冲占空比为43%,前丝脉冲电流峰值460A,前丝基值电流为60A,后丝脉冲电流峰值450A,后丝基值电流为60A,前丝送丝速度为7.44m/min,后丝送丝速度为7.2m/min,保护气体为80%Ar+20%O2,气体流量为15L/min,焊丝牌号H08Mn2Si,焊丝直径1.2mm,

在板厚为4mm的低碳钢板上进行堆焊试验,焊接速度为2.4m/min.

图1与图2除前丝和后丝脉冲电流相位关系分别为同步与交替外,其它工艺参数完全一样.熔滴过渡高速摄像拍摄速度为1000幅/min.

2　电弧形态的比较

前丝和后丝脉冲电流相位关系为交替时(图1a),由高速摄像形貌可见,图片3703号时,后丝(左)逐渐熄弧并开始进行熔滴过渡、前丝(右)燃

收稿日期:2008-09-20

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575074)

　60焊　接　学　报第31卷

弧,图1g3705号图片为前丝继续燃弧、后丝以小滴

进行射滴过渡,3707号图片为后丝开始燃弧而前丝进行射流过渡,到3711号图片时,后丝又开始进行

射流过渡,3713号图片为后丝完全熄弧,开始新的焊接周期.图片显示,熔滴过渡周期大约为9ms(3703～3711号),为一脉一滴过渡形式.

图1　前丝、后丝脉冲电流交替变化时的电波形、焊缝与高速摄像图

Fig11　Electricalwaveform,weldappearanceandhighspeedphotographsunderpulsecurrentsoffrontwireandrearwire

changingbyturn

　　图1中前(右)丝、后(左)丝脉冲电流交替变化

时,前后丝电弧也呈交替形式出现(图1g),3703号、3705号图片显示右丝因电流较大形成含有大量金属蒸气的烁亮区,电弧形状为钟罩形,3709号图片显示右丝进行射流过渡.3707号图片显示,左丝在焊丝端头生成短的束状电弧,然后逐渐加粗并扩展成钟罩形电弧(3709号图片),在3711号图片中,左丝端头高速喷射出一些细小的熔滴,构成了射流过渡模式.一个完整脉冲周期的焊接电弧形态显示,前丝、后丝电弧相互影响较小,前丝、后丝电弧形态分别接近单丝脉冲焊接的电弧形态.

前丝和后丝脉冲电流相位关系为同步时(图2a),高速摄像图片(图2g)中的1551号图片显示前丝与后丝同时开始熄弧,并且后丝有尺寸小于

焊丝直径的熔滴脱落,因烟尘以及光路纹影的遮挡,前丝的过渡熔滴不可见;1552号图片显示左丝熔滴继续飞向熔池;直到1555号图片时,前后焊丝同时燃弧,但电弧较暗;1556号图片显示前后焊丝电弧逐渐长大且被对方吸引,但仍呈现两个电弧形态;而到1557号图片时前后丝电弧几乎合并为一个电弧,电弧高点位于两焊丝中间,呈现为寿桃形;1558号图片中电弧高点更进一步偏向前丝;1559号图片时前后丝电弧开始熄灭并伴随熔滴向熔池过渡.图片显示,熔滴过渡周期大约为9ms(1551～1559号图片),为一脉一滴过渡形式.

图2g中前(右)丝、后(左)丝脉冲电流为同步变化,前后丝电弧也呈同步变化形式,从一个完整脉冲周期电弧形态的发展来看(1551～1559号图片),

第1期文元美,等:双丝脉冲MAG焊两种电流相位关系的焊接行为分析　61

图2　前丝、后丝脉冲电流同步变化时的电波形、焊缝与高速摄像图

Fig12　Electricalwaveform,weldappearanceandhighspeedphotographsunderpulsecurrentsoffrontwireandrearwire

changinginphase

因前后丝同时通以同方向脉冲电流,从而产生作用

[9]

在各自电弧上的吸引力,可用下式计算,即

F=k

I1I2l

(1)

(图1a),焊接过程不太稳定,出现了断弧现象,但起

式中:F为单位长度导体上受力的大小;I1,I2分别是两导体中通过的电流值;l为两导体间的距离;k=μ/4π,μ为介质的磁导率.

前后丝同时燃弧,随着脉冲电流的加大,电弧逐渐长大,由式(1)可见,前、后丝脉冲电流I1,I2同时增加,则前后丝电弧间的吸引力F与I1,I2的乘积成正比增大,彼此电弧被吸引,最终合为一体,呈现寿桃形状.同时因电弧被拉长,焊丝端头较长部分同时被燃烧,较大的金属蒸气以及焊丝上的杂质燃烧造成较大烟尘.

3　成形的比较

前丝和后丝脉冲电流相位关系为交替变化时

弧较顺畅;焊接过程中,声音柔和且产生较小烟雾;

图1b的后丝电压概率密度分布图中85V左右出现的概率较大,显示焊接过程出现了断弧现象;图2c的后丝电流概率密度分布图出现两个概率分布尖峰,两尖峰分别对应后丝的基值电流与峰值电流;图1d,e的后丝脉冲电压、脉冲电流波形不太稳定,电弧电压波形显示断弧明显(66ms附近)且有尖峰干扰(215ms附近);图1f焊缝呈驼峰焊道.

前丝和后丝脉冲电流相位关系为同步变化时(图2a),焊接过程稳定,无断弧、短路,起弧比较顺畅;焊接过程中,声音较大并且伴随很大烟雾.图2b的后丝电压概率密度分布图显示,基本没出现断弧现象;图2c的后丝电流概率密度分布图出现两个概率分布尖峰,两尖峰分别对应后丝的基值电流与峰值电流;电压电流波形能直接反应焊接过程的稳定性,图2d,e的波形重复性好,波形规则稳定.图2f焊缝成形良好.

　62焊　接　学　报第31卷

为探讨前丝和后丝脉冲电流交替相位以及同步

相位对焊缝成形的影响,文中改变脉冲电流频率进行了试验.脉冲频率变化,其它参数均为试验条件中所用焊接参数.图3,图4分别示出了在不同脉冲电流频率情况下,前丝、后丝脉冲电流相位关系为交替和同步时的焊缝.

前丝、后丝脉冲电流相位关系为交替时成形一般.

图4　前、后丝脉冲电流同步变化时不同脉冲频率下的焊缝

Fig14　Weldappearanceunderdifferentfrequencieswhen

thepulsecurrentsoffrontwireandrearwirechan2ginginphase

图3　前、后丝脉冲电流交替变化时不同脉冲频率下的焊缝

Fig13　Weldappearanceunderdifferentfrequencieswhen

thepulsecurrentsoffrontwireandrearwirechan2gingbyturn

4　结　　论

(1)双丝脉冲MAG焊在文中试验条件下,前

当脉冲电流频率为140Hz时,前后丝脉冲电流同步变化时的焊缝比较均匀,成形较好.前后丝脉

冲电流交替变化时,焊缝前端成形较差,后端成形较好,整条焊缝均匀性较差.当脉冲电流频率为114Hz时,前后丝脉冲电流同步变化时的焊缝除焊接起始段出现瑕疵外,整条焊缝成形均匀,焊缝表面呈现波纹形状.前后丝脉冲电流交替变化时,焊缝为驼峰焊道.当脉冲电流频率为95Hz时,前后丝脉冲电流同步变化时的焊缝成形均匀,焊缝表面呈现连续、规则的波纹形状.前后丝脉冲电流交替变化时,焊缝前端为驼峰焊道,后部成形较好.

当脉冲电流频率为Hz时,前后丝脉冲电流同步变化时的焊缝前端为少许驼峰,后部成形较好.前后丝脉冲电流交替变化时,焊缝成形均匀、良好.

当脉冲电流频率为41Hz时,前后丝脉冲电流同步变化与前后丝脉冲电流交替变化时,焊缝成形差.由图3与图4相应频率焊缝的对比可见,前丝、后丝脉冲电流相位关系为同步时的焊缝成形较好,

丝、后丝脉冲电流交替变化时,前丝、后丝电弧形态彼此间基本没有影响,分别呈现钟罩状;前丝、后丝脉冲电流同步变化时,前后丝电弧彼此吸引,合并成一个寿桃形电弧.

(2)双丝脉冲MAG焊接过程中,前丝、后丝脉冲电流同步变化时,焊缝成形较好,但焊接过程声音较大并伴随较大烟尘;前丝、后丝脉冲电流交替变化时,焊缝成形一般,焊接过程声音柔和且产生较少烟尘.参考文献:

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[下转第66页]

　66焊　接　学　报第31卷

[2]　王宏峰.一种相贯线的展开算法[J].电脑开发与应用,2009

5　结　　论

(1)根据马鞍形焊缝的焊接工艺,提出了两轴

(2):59-62.

WangHongfeng.Aspreadingalgorithmofanintersectingline[J].ComputerDevelopment&Applications,2009(2):59-62.[3]　霍孟友,王新刚,尹　萍.自动焊接相贯线接缝的实时插补

协调的马鞍形自动焊机总体结构和工作原理,并建

立了焊机整体机构、马鞍形焊缝的数学模型和数控插补控制算法.

(2)利用MATLAB对数控算法进行了仿真,在给定插补步数的前提下,分析马鞍形自动焊机插补控制算法插补过程中产生弓高误差的原因,通过明了可以通过增加插补步数减小弓高误差,该算法可以保证焊缝拟合的准确性,而且焊接速度波动率小于2.1%,满足自动焊接要求.

(3)焊接整体结构简单,采用两轴传动,大大简少了制造和维修成本.参考文献:

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DuanTiequn,MengFanrong,ShiGuangyuan.Kinematicsimula2tiononlargecylindersaddleautomaticweldingmachinebaseonADAMS[J].Welding&Joining,2008(11):-66.

作者简介:段铁群,男,1960年出生,教授、硕士研究生导师.

从事机械设计及其理论、机电一体化研究.发表论文40余篇.

现

Email:

tqduan@126.com

[上接第62页]

　　　LiXingcheng,LiHuan,LiangXiujuan,etal.Featuresofdrop2

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HuangShisheng,WenYuanmei,XueJiaxiang,etal.TestandA2nalysisofhigh2speedphotographyandelectricsignalsofdroplettransferinarcwelding[J].JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition),2008,36(4):1-5.[9]　殷树言.气体保护焊工艺基础[M].北京:机械工业出版社,

2007.

作者简介:文元美,女,1968年出生,工学博士,副教授.

文20余篇.

目前研

究方向为焊接电弧物理、焊接过程质量控制.出版著作1部,发表论

控制策略[J].焊接学报,2004,25(4):51-54.

WuKaiyuan,HuangShisheng,MengYongmin,etal.Control

Email:

wen-yuanmei@163.com

ⅣMAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDS2010,Vol.31,No.1

Abstract:　Experimentalstudyandthermalelastic2plasticfiniteelementmethod(FEM)ofplatesurfacingwerecarriedoutfor304Lstainlesssteel,andrationalityofassumedmaterialpropertiesunderhightemperatureincalculationwasverifiedbyconsistencyofexperimentalresultsandnumericalsimulationre2sults.Onthisbasis,thermalelastic2plasticFEMwasappliedtoweldingofdomeandcylindershellofindependentliquidtankof304LstainlesssteelLNGcarrier,andstructuralweldingdeform2ationwaspredictedsuccessfully.

Keywords:　304Lstainlesssteel;materialpropertiesun2derhightemperature;thermalelastic2plasticFEM;weldingde2formation;largecomplicatedstructure

Weldingbehavioroftwocurrentphaserelationsfortwin2wirepulsedMAGwelding　　WENYuanmei,HUANGSh2

111

isheng,WUKaiyuan,LAOZhengping(1.SchoolofMechan21,2MicrostructureandmechanicalpropertyofAg2Cu2Tifillersaddedwithrareearthlanthanum　　YANGChangyong,XUJiuhua,DINGWenfeng,FUYucan,CHENZhenzhen(JiangsuKeyLaboratoryofPrecisionandMicro2manufacturingTechnolo2gy,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China).p67-70,74

Abstract:　Theeffectoflanthanum(La)onthemicro2structure,microhardnessofAg2Cu2TifillerappliedinbrazedCBNtoolsandtheshearstrengthofbrazedjointbetweenAg2Cu2Tifillerand0.45%Csteelsubstratewereresearched.There2sultsindicatedthattheadditionofLacouldacceleratetheallo2yingoffilleralloy,improvethemicrohardnessofAg2Cu2TifilleralloyandshearstrengthofbrazedjointbetweenAg2Cu2Tifillerand0.45%Csteelsubstrate.ThecontentofLaaddedinAg2Cu2Tialloyfillershouldbelessthan0.5wt%.

Keywords:　rareearthLa;Ag2Cu2Tifiller;microstruc2ture;mechanicalproperty

Effectsofappliedlongitudinalmagneticfieldonplasmaarchardfacingmicrostructureandproperty　　LIUZhengjun,SONGXingkui,SHAODawei,ZHAOQian,ZHANGShixin,CHENGMinghua(MaterialsScienceandEngineeringAcademy,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110023,China).p71-74

Abstract:　Tocontroltheshapeanddistributionofhardphase,longitudinalmagneticfieldwasappliedduringplasmahardfacingofFe5alloy.Thehardness,wearing,microstructureandX2raydiffractionanalysisofthehardfacinglayerweretestedaswellasthestructureandpropertyofthehandfacinglayerofthepowder.Theresultsshowedthatthelayerhadhigherhard2nessandbetterwearingwithmagneticfieldthanthelayerformedwithoutmagneticfield.Thepropertiesofhardfacinglayerwereoptimumwhenthemagneticfieldcurrentwas3Aandthemicro2structuresofalloyhardfacinglayerobtainedidealhardphasesuchasCr7C3,CrBectandsolidsolutionαandγwererefinedsufficiently.

Keywords:　plasmaarcsurfacingwelding;magneticfield;hardphase

PerformanceofDCplasmaarcinexternaltransversealter2natingmagneticfield　　MENGJianbing,XUWenji,WANGXuyue,SONGWenqing(KeyLaboratoryforPrecisionandNon2traditionalMachiningTechnologyofMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,Chi2na).p75-79

Abstract:　Twomathematicalmodelsaredevelopedtode2scribetheoscillatingamplitudeoftheplasmaarcalongthemetalsurfaceandtheheatflowdensitydistributionofplasmaarconthemetalsurfacerespectively.Thebehaviorofplasmaarcjetunderanexternaltransversesinusoidalalternatingmagneticfieldim2posedperpendiculartotheplasmacurrentisanalyzedtheoretical2ly,andtheeffectofprocessparameterssuchasgasflowrate,arccurrent,magneticflowdensityandthedistancefromthenoz2zleoutlettotheanodeworkpieceontheformanddistributionof

icalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guang2zhou5100,China;2.na).p59-62,66

Abstract:　Basedonthehigh2speedvideosystemwithe2lectricalsignalsanalyzerinsynchronous,theelectricalsignalsandthephotographsofmoltendropletundercertainweldingpa2rameterswerecollected,theelectricalarcshapeanddroplettransferpatternofweldingprocessintwin2wirepulsedMAGweldingwerestudied.Itisobservedthatwhenthepulsecurrentexertedonthefrontwireandtherearwirebyturns,theshapeofarcspresentstheclockcoverform,andhasnoinfluenceoneachother.Whenthepulsecurrentexertedonthefrontwireandtherearwireinphase,thearcsattracteachotherandthearcisin2corporatedasapeach.Theweldappearanceofthesynchronouspulsecurrentisgoodandtheconcomitantisgreatnoiseandsmog.Theweldappearanceofthealternatingpulsecurrentistolerable.

Keywords:　pulsedMAGwelding;twin2wire;droplettransfer;shapeofarc

Interpolationalgorithmandsimulationofauto2weldingsad2dle2shapednozzleofheavypressurevessels　　DUAN

1122

Tiequn,SHIGuangyuan,YUDan,YANGKefei(1.Harbin

FacultyofInformationEngineering,

GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,Chi2

UniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China;2.HarbinWeldingInstitute,Harbin150080,China).p63-66

Abstract:　Accordingtotheweldingprocessesofnozzleofheavypressurevessels,thispaperintroducedthestructureandprincipleoftheautomaticweldingmachine,andalsopresenteedthemathmeticalmodelandsimplifiedinterpolationalgorithmwhichusedtwocollaborativeaxistoformaspacefittingsaddle2shapedweldingbead.Thesimulationresultsindicatethatthetwo2axisinterpolationalgorithmcanmeettherequirementsoftheautomaticwelding.

Keywords:　heavypressurevessels;automaticweldingmachine;interpolationalgorithm;simulation