焊接新工艺

高速电弧焊工艺的研究现状摘要:分析了在实际生产中实现高速焊接的必要性以及常规焊接方法在实现高速焊时所遇到的问题。然后主要从双丝或多丝电弧焊工艺和双焊炬组合焊接工艺两个大的方面着重介绍了纵列式熔化极气体保护焊、等离子弧-熔化极气体保护焊和双电极熔化极气体保护焊等高速弧焊工艺。另外还介绍了其他实现高速焊的方法及其存在的问题,并对高速电弧焊工艺的发展和应用进行了展望。关键词:高速电弧焊;纵列式熔化极气体保护焊;等离子弧-熔化极气体保护焊Thepresentstatusofstudyonthehigh-speedarcweldingprocessBaoTianci（BeijingInstituteOfPetrochemicalTechnologyMechatronicalEngineering121120410）Abstract:Thenecessitiesofhigh-speedweldinginproductionandtheproblemsresultedfromhigh-speedweldingforconventionalweldingprocessesareanalyzed.Then,high-speedarcweldingprocessesareintroduced,suchastandemGMAW,PAW-GMAWandDE-GMAW,basedontwocategories:twinormorewiresarcweldingprocessandtwo-torchcombinedweldingprocess.Othertechniquestoimplementhigh-speedweldingandexistingproblemsarealsodiscussed.Finally,theoutlookismadeforthedevelopmentandapplicationofhigh-speedarcweldingprocesses.Keywords:high-speedarcwelding;TandemGMAW;PAW-GMAW0前言高效、优质、低耗是当前制造业对焊接技术提出的迫切要求,也是焊接技术发展的方向。进入新世纪以后,工业发展更加迅猛,市场竞争也愈发激烈,各企业为了提高其市场竞争力,都在致力于提高生产效率,降低产品的生产成本。焊接作为一种重要的成形工艺,其生产效率的提高对企业的发展起着举足轻重的作用。在自动化、人工智能技术为焊接生产提供巨大便利的前提下,怎样进一步对焊接工艺进行改进,使得焊接生产效率得到大幅度的提高,成为当前焊接工作者研究的热点问题。焊接生产效率的提高对于大厚板件的焊接来说主要是提高熔敷效率;对于薄板的焊接来说则是提高焊接速度。常规电弧焊工艺,如熔化极气体保护焊(GMAW)在实行高速焊接时会出现“咬边”,当焊接速度进一步提高时,就会出现“驼峰”焊道,焊缝不连续[3-5]。正是由于这一原因,常规GMAW的焊接速度一般不超过1m/min(即达不到高速焊接的水平),而在实际生产应用中,焊接速度更是被控制在0.5m/min以内。为了在保证焊接质量的前提下实现高速焊接,国内外焊接工作者从焊接工艺等方面入手解决这个问题,提出了不少实现高速焊接的方法。1双丝或多丝电弧焊传统的单丝电弧焊很难通过增加焊接电流来提高焊接速度,而双丝或多丝电弧焊可以在保持对熔池足够的瞬时输入功率的前提下,将更多的瞬时输入功率用于焊丝的熔化,从而保证了焊丝的熔化速率,实现了稳定的高速焊接过程。纵列式GMAW即TandemGMAW,是使用两根电绝缘的焊丝,两焊丝通过一个焊枪并且分别与两台独立电源相连接的焊接工艺(如图1所示)。一般前面的焊丝为“主”,后面的为“从”。主焊丝产生的电弧为主电弧,其工艺参数一般较大,起到熔化焊丝和母材的作用,而从焊丝产生的电弧即从电弧的工艺参数一般较小,主要起到填充和盖面的作用。TandemGMAW一般均采用脉冲焊接工艺,两电源的相位差180°,电源之间有一协调器控制,当一电弧处于脉冲状态时,另一电弧处于基值状态,这样的相位差180°,电源之间有一协调器控制,当一电弧处于脉冲状态时,另一电弧处于基值状态,这样就可避免大电流下主、从电弧间的干涉作用,使得两电弧之间的作用力非常小[6]。另外由于电弧力分散于两点,所以对熔池的搅动作用较小,有利于提高焊接速度。实验表明,TandemGMAW工艺的焊接速度可达2～6m/min,金属熔敷量达到了20kg/h。目前国内外许多知名公司都采用了该焊接工艺,并取得良好的经济效益。在第54届IIW年会上日本发表的双丝MAG焊工艺(如图2所示)[7],其原理是用熔池过热多余的热量来熔化填充焊丝,增加熔敷率,同时用大电流提高焊接速度。在大焊接电流和快的焊接速度的施焊条件下,由于填充丝吸收了热量,使母材热影响区热输入大为减少,所以减少了其性能恶化和变形,也改善了焊缝成形。目前开发的双丝脉冲MAG焊,热量分散在前后串行的两个电弧上,两个电弧的电源都已数字化,可以分别精确地调整各自脉冲电弧的每个参数,并通过Gynergetic装置协调脉冲电弧得到最佳的热输入分配,从而在平均电流2×500A,最高脉冲电流达到1500A,熔敷率为20kg/h,在3～5m/min的焊速下仍能得到良好的焊缝成形和稳定的熔透。在埋弧焊中,单电源双丝并列埋弧焊是用两根较细的焊丝代替一根较粗的焊丝,两根焊丝共用一个导电嘴,以同一速度同时通过导电嘴向外送出并在焊剂覆盖的坡口中熔化。与常规埋弧焊相比,平均焊接速度可提高150%;另外由于两焊丝靠的较近,形成了电弧共熔池,并且两电弧对母材的加热区变宽,使得焊缝金属的过热倾向减小,因而可以获得更高质量的焊缝[8]。日本研究者藤村告史开发的三丝焊方法,采用一个焊枪同时输送三条焊丝,各焊丝之间相互绝缘,同时采用了电流相位控制的脉冲焊接方式,电弧在三个焊丝上轮流燃烧,可以保证电弧的挺直性,使焊接过程稳定(如图3所示)。另外,通过调节各焊丝之间的位置关系,可以改变能量分布,保持熔池平静,从而减小产生咬边、驼峰焊道等成形缺陷的倾向。该方法可用于角焊缝的焊接,焊接速度可达1.8m/min[9]。2双焊炬组合焊接工艺对于双焊炬组合焊接工艺,其中一大类是复合焊接工艺,它是利用复合热源的优点来提高焊接速度。例如激光-MIG复合热源焊接工艺结合了激光焊和MIG焊的优点从而在焊接质量和焊接速度方面达到了优化组合。激光焊是一种新型的焊接方法,激光束的能量密度很高,焊接时的熔深很大而熔宽较小,所以热影响区及焊接热变形都很小。激光-MIG焊在焊接过程中会出现激光-电弧形态与单纯的激光焊相比,它降低了对接头高尺寸精确度的要求,同时利用填充金属进一步提高了焊接生产率,另外,焊件的蒸发会降低激光的反射,从而提高了其利用率。尽管该焊接方法所用设备复杂,资金投入和维修、操作费用都很高,却仍然受到了很大的关注,目前该焊接方法正不断应用于船舶工业的制造中以提高生产效率[14]。第二大类是美国肯塔基大学张裕明教授提出的可减小母材热输入的双焊炬组合焊接工艺。如图4所示,它是在传统GMAW焊枪基础上添加了一个等离子弧焊(PAW)焊枪。在该焊接工艺中,流经焊丝的电流Im在弧柱区分为两部分,一部分电流(Ibm)通过母材回到GMAW电源的负极,另一部分电流(Ibp)通过PAW焊枪回到PAW电源的负极。所以,焊丝、PAW焊枪和PAW电源组成一个回路,焊丝、母材和GMAW电源组成另外一个回路。流经PAW焊枪电流Ibp、母材电流Ibm和焊丝电流Im之间有如下关系Ibp+Ibm=I由此可见,PAW焊枪组成的回路对流经焊丝的电流起到了分流作用,使得通过焊丝的电流Im可以处于一个较高的值,此时焊丝熔化速率高,在送丝速度提高时可以保证单位长度焊缝熔敷的金属量不变,而同时又可保证通过母材的电流Ibm基本不变,即不改变母材的热输入,这样就很大程度上避免了在实现高速焊接时焊缝缺陷的产生[16]。但是由于该焊接工艺采用了两套焊接电源并且PAW焊枪体积较大,装配困难,从而限制了在实际生产中的应用。肯塔基大学李克海博士对此焊接工艺进行了改进[19],将PAW焊枪换成了TIG焊焊枪,后者与一可调电阻R组成焊接的旁路,并与GMAW焊枪共用GMAW电源(如图5所示)。在焊接旁路中有专门的控制系统通过对R电阻值的调整来保持旁路电流Ibp基本不变,从而在流经焊丝电流I不变的条件下保持流经母材的电流Ibm不变(三个电流间也有关系:I=Ibp+Ibm),该焊接工艺被称为双电极熔化极气体保护焊(doubleelectrodeGMAW,简称DE-GMAW)。实验表明,DE-GMAW对于2.5mm厚的低碳钢板,焊接速度可以达到1.60m/min;与常规GMAW相比,它也降低了射流过渡的临界电流值,并且对同样的焊接任务可节约14.5%的电能。由于DE-GMAW本质上属于电弧焊的改型,所以仍是一种低成本的高效焊接方法。3双面电弧焊技术3.1基本原理DSAW技术的原理。其中,两把焊枪相对地置于被焊件对接缝的两侧,且焊枪分别与同一焊机电源的两极直接相连。其焊接电流回路为:电源负极———焊枪阳极———工件———焊枪阴极———电源正极,这显然有别于常规的焊接回路:电源负极———焊枪正极———工件阴极———电源正极。在双面电弧焊中,由于用了两把焊枪,焊接电流可穿过小孔焊缝,而不只停留在工件表面,此电流产生了一个磁场,它将焊接电流导向轴向。它使电弧和工件中的焊接电流更集中。对DSAW和变极性等离子电弧焊(VPPAW)进行了比较试验,并对焊接电流进行拍照分析,结果证实,DSAW的电弧确实更集中。3.2技术特点提高焊接熔深但不增加过多费用如上所述,在DSAW中,由于两把对立焊枪作用而诱发的磁场使等离子电弧高度集中,其焊接熔深得到了显著提高;但它基本上可利用原有设备,并根据具体工件情况,设计一定的工装来实现。很明显,它与采用激光焊和电子束焊等方法来提高焊接熔深相比,费用低很多,且更易实现。增加焊缝深宽比,焊缝熔池宽度是决定其热影响区(HAZ)宽度的主要因素,进而,它也影响焊缝的机械性能。对于特定应用,已给出了所要求焊缝熔池的深度,因而,深宽比成为决定HAZ宽度的最重要因素。为研究DSAW的深宽比特性,与普通的VPPAW进行了比较试验,对于普通VPPAW,随着焊接电流增加,其焊缝溶池的深度和宽度同时增加,其深宽比并无显著变化,即HAZ的宽度也增加了。而对于DSAW,当焊接电流增加时,其可焊透熔深深度迅速增加,而焊缝熔池宽度的增加很小。这是DSAW能焊接大熔深工件的主要因素。降低焊接变形若焊接时热量输入不均匀,会引起热变形。DSAW技术的特点是被两把焊枪加热的工件两面的热分布是对称的,因而它大大减小了,甚至完全消除了焊缝上的扭变倾向。总的来讲,有两个方面会导致焊缝上的应力集中,第一是由高热膨胀系数引起的热应力;第二,大量的凝固收缩(如图4所示)。当用普通单面电弧焊接技术焊接时,其熔融熔池为典型的V字形,在V形区域内的收缩力会导致板材的诱发角变形。从板材的底部至顶部不断增加。若在焊接时限制板材的变形,则在焊接区域中的残余应力将大大增加,残余应力的释放将会使工件重新发生变形。而在DSAW技术中,两把焊枪同时作用于工件,在冷却过程中,焊接区域中总收缩力倾向于对称,它将焊接熔池中的横向变形和残余应力减到最小。有研究还表明:奥氏体不锈钢的普通单面等离子电弧焊中,在凝固及冷却过程中因快速引发的大量剪切应力而导致金属区域中形成大量的变形孪晶。然而,在其双面TIG焊接试验中没有观察到变形孪晶。4电弧焊工艺参数优化对同类型的电弧焊的工艺参数进行优化。在设计电弧焊的过程中已经设定了焊缝高和熔深，根据这组设定值来对工艺参数进行优化，使焊缝的实际高和熔深与设定值相吻合。利用单因素变化法来调整工艺参数，将这些工艺参数直接输入神经网络进行仿真，即可得到焊缝高和熔深的仿真值。我们从仿真值中筛选出与设定值最接近的一组，这一组仿真值对应的工艺参数即为所求的优化值。从而直接影响了接头的整体性能，特别是落锤试验性能，成