【交叉耦合電弧焊接方法探究5400字（論文）】

交叉耦合電弧焊接方法研究摘要交叉耦合電弧焊接方法作為一種新型的高效焊接方法，將非熔化極電?。℅TA或PA）和熔化極電弧交叉耦合，非熔化極電弧在電極和工件之間燃弧，主要決定工件的熱輸入、熔滴和熔池的力輸入，熔化極電弧在兩根焊絲之間燃弧，與工件之間沒有電的聯(lián)系，主要控制金屬的熔敷和部分工件的熱輸入。交叉耦合電弧的非熔化極電弧和熔化極電弧焊接規(guī)范參數(shù)可以單獨調整，實現(xiàn)了工件熱輸入、金屬熔敷和電弧力的解耦控制，可根據(jù)焊縫的需求，調整焊接規(guī)范得到理想的焊縫，為實現(xiàn)優(yōu)質高效電弧焊接提供新的技術手段。針對交叉耦合電弧多參數(shù)和焊接過程的復雜性，以等離子弧焊接電源、雙絲間接電弧焊接電源和交叉耦合電弧同步控制器為硬件基礎，搭建了交叉耦合電弧焊接電源系統(tǒng)，實現(xiàn)了等離子電弧和絲間電弧的協(xié)調控制。關鍵詞：交叉耦合電弧焊、繞弧行為、解耦、熔滴過渡目錄TOC\o"1-3"\h\u21657摘要 118691第1章緒論 3314421.1引言 3300621.2高效化GMAW焊接發(fā)展現(xiàn)狀 3240501.3復合焊 416904第2章本課題的研究背景及主要研究內容 522562.1課題研究背景 5142202.2課題主要研究內容 519852第3章交叉耦合電弧焊接原理及系統(tǒng)建立 6252483.1交叉耦合電弧焊接方法原理 694943.2交叉耦合電弧焊的特點 79773.3焊縫成形可控 713240第4章交叉耦合電弧焊工藝實驗 8175114.1熔滴過渡機制 8253754.2交叉耦合熔滴過渡 8160894.3交叉耦合電弧焊焊縫成形 817783結論 924556參考文獻 9第1章緒論1.1引言二十世紀金融危機的影響，全球加工制造業(yè)產出持續(xù)走低，聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展

組織發(fā)表的2015年首份全球制造業(yè)季度報告指出，世界制造業(yè)增長持續(xù)低位，

工業(yè)化國家的制造業(yè)產出增長1.3%，而中國2015年工業(yè)的產出增長高達6%，

遠高于全球增速，而新一輪的工業(yè)革命必將帶來生產技術的重大變革，創(chuàng)新成為

推動加工制造增長的新動力。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，加工制造業(yè)在國民經濟中占據(jù)了越來越重要的地

位。2015年全球粗鋼產量達到16.23億噸，而我國的粗鋼產量高達8.04億噸，

占全球市場率的50.3%，有近三分之一鋼鐵等材料涉及焊接加工[7]。我國各類焊接材料的產能已達到750萬噸，自動化、半自動化的焊接材料比例已提升至57%，如圖1-1所示，中國已經成為一個焊接生產大國，但在焊接質量方面與國外仍有顯著差距。焊接作為現(xiàn)代加工制造業(yè)中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，在工業(yè)生產中有著至關重要的影響。圖1-1主要焊接材料占總產量的比例1.2高效化GMAW焊接發(fā)展現(xiàn)狀近幾年在GMAW焊接領域中，國內外學者對于如何提高焊接質量和焊接生

產效率進行了大量的研究。隨著工業(yè)機器人技術的成熟，機器人焊接應用日益廣

泛，對焊接效率提出了更加迫切的需求，以便能夠發(fā)揮機器人焊接的優(yōu)勢，而提

高焊接效率主要包含兩方面：

一是以提高焊接速度為目的的高速焊接。常規(guī)GMAW焊的最高焊接速度一

般低于1m/min，高速焊在提高焊接速度的同時適當提高焊接電流，保證焊絲的

熔敷速度。而在傳統(tǒng)GMAW焊接過程中，大幅提高焊接速度，雖然可以降低焊

縫熱輸入，但熔滴過渡和熔池流動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導致焊縫出現(xiàn)未焊透、未熔

合、咬邊、駝峰焊道等缺陷。為了減小高速焊的缺陷，如何合理匹配焊絲

和母材之間的熱量是提高焊接速度的關鍵點。

二是以提高焊絲熔化速度為目的的高熔敷焊接。常規(guī)GMAW焊的焊絲熔敷

率一般低于8kg/h，高熔敷焊接主要是通過增加電流來增加電弧熱量以熔化填充

更多的焊絲。而增大焊接電流可以增加電弧熱量和電弧力，可以提高焊絲熔

敷速度，但熔滴過渡行為不穩(wěn)定，熔池流動受電弧影響大，容易造成指狀熔深、

焊縫成形差和組織粗大等缺陷。為了防止大電流焊接的缺陷，一方面要減少

對母材的熱輸入，同時又要加大熔化焊絲的電流，對于常規(guī)GMAW焊來說，通

過焊絲的電流等于作用在母材上的電流，提高焊絲熔化速度，必然增加了對母材

的熱輸入，無法解決這一矛盾。1.3復合焊電弧復合焊的研究是近年來的研究熱點，陸續(xù)出現(xiàn)了雙面雙弧、激光-電弧

復合、等離子-GMAW復合焊、旁路耦合電弧GMAW焊（DE-GMAW）、旁路

熔絲GTAW焊（Arcing-wireGTAW）、雙絲動態(tài)三電弧焊等[85-91]新型復合（耦

合）焊接工藝。

上世紀70年代末英國倫敦帝國大學的W.Steen首次提出了激光與電弧復合

熱源焊接技術[92]，激光與電弧的優(yōu)勢互補，有效利用電弧的能量，在較小激光功率下獲得較大的熔深，實現(xiàn)高效率高質量的焊接。激光這種高能束流熱源具有其他焊接方法不具備的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在能量密度高、加工速度快、焊后變形和殘余應力小、焊接熱影響區(qū)小、單面焊雙面成形、無需焊后熱處理、焊縫深寬比大等方面，但激光也存在許多缺點，制約了激光焊接應用的推廣，主要體現(xiàn)在：激光器造價高、能量轉化率低、高反射率材料的焊接性差、焊接過程中容易產生氣孔和裂紋、接頭硬度高韌性差等缺點。圖1-2激光-GMAW復合焊接工藝示意圖第2章本課題的研究背景及主要研究內容2.1課題研究背景針對傳統(tǒng)電弧焊工藝在熱量輸入、焊材填充和熔池受力等方面的局限，焊縫

成形和焊接質量不可避免地受到非預期的傳熱、傳質、傳力的影響，很難保證焊

接熱輸入、金屬熔敷和熔池受力的自由配合，以致造成焊縫熱輸入過大和結構變

形。本課題提出一種新型耦合電弧焊接工藝—交叉耦合電弧焊接工藝，非熔化極

電弧（GasTungstenarc,GTA或Plasmaarc,PA）和絲間電?。℅MA）交叉耦合，

非熔化極電弧在電極和工件之間建立主電弧，主要決定工件的熱、力輸入，絲間

電弧在兩根焊絲之間燃弧，與工件沒有電氣連接，主要用來控制傳質并補充工件

的部分熱輸入。交叉耦合電弧焊接工藝可實現(xiàn)根據(jù)板厚、焊縫位置的焊接需求自主調整能量輸入和控制焊縫成形，實現(xiàn)金屬熔敷和工件熱輸入的解耦控制。本課

題將對交叉耦合電弧焊的成弧機理、電弧行為、熱力傳輸機制、熔滴過渡行為以

及焊縫成形等方面進行研究，為其成為一種全新高效的焊接方法發(fā)展奠定基礎。2.2課題主要研究內容本課題針對交叉耦合電弧焊這一新型焊接方法展開研究，從成弧機理、電源

系統(tǒng)搭建、電弧行為、熔滴受力分析以及熔滴過渡行為五方面展開如下的研究工

作：

（1）電弧成弧機理以經典電弧理論為基礎，從多場耦合理論觀點揭示交

叉耦合電弧的成弧機理。交叉耦合電弧在多場作用下出現(xiàn)繞弧行為，從交叉耦合

電弧行為出發(fā)，分析電弧的形態(tài)在多場下電子和等離子體流動方向，結合經典電

弧理論分析電弧行為本質。分析多工藝參數(shù)對交叉耦合電弧穩(wěn)定性的影響，深入

研究交叉耦合電弧的物理特性。電源系統(tǒng)搭建在交叉耦合電弧理論分析和機理研究基礎上，結合電

弧物理特性，搭建交叉耦合電弧焊接電源系統(tǒng)。為了實現(xiàn)等離子電弧和絲間電弧

耦合的穩(wěn)定性和可控性，必須保證絲間電弧和等離子電弧的同步控制，因此，交

叉耦合電源系統(tǒng)的設計以絲間電弧為主動電弧，等離子電弧為控制電弧。電源系

統(tǒng)控制核心的單片機依據(jù)電流采樣單元采集的絲間電弧電流信號，將設定的控制

參數(shù)反饋至等離子弧電源控制單元完成對等離子電弧的控制。搭建交叉耦合電弧

高速影像采集分析系統(tǒng)和電弧力測量系統(tǒng)，為交叉耦合電弧焊的實驗分析提供良

好平臺。

（3）交叉耦合電弧行為及電弧熱傳輸機制交叉耦合電弧焊改變了傳統(tǒng)電

弧成弧原理，改變了傳統(tǒng)電弧熱量輸入和焊材填充的固有搭配，交叉耦合電弧的

繞弧行為改變了電弧熱、質、力的分布。交叉耦合電弧焊中主電弧存在繞弧行為，

以磁場和電場理論研究繞弧行為本質。繞弧行為改變了主電弧熱量分布，分析焊

絲和工件上的熱量來源和分布。通過高速攝像機和同步信號采集分析系統(tǒng)觀察焊

接熔滴過渡形式，分析耦合電弧形態(tài)和熔滴過渡形式對焊縫成形的影響，建立從

焊接工藝參數(shù)到熔滴過渡，再到焊縫成形的關系，實現(xiàn)不同要求的焊縫成形。第3章交叉耦合電弧焊接原理及系統(tǒng)建立3.1交叉耦合電弧焊接方法原理交叉耦合電弧焊接方法采用非熔化極電?。℅TA/PA）和熔化極電弧交叉耦

合，非熔化極電弧建立在主電弧焊槍與工件之間，熔化極電弧（絲間電弧/間接電?。┙⒃诘人偎瓦M的兩根焊絲之間，且與工件沒有電氣連接，主電弧和絲間電弧以交叉耦合的方式共同完成焊接工作。為了保證熔化極電弧的穩(wěn)定，熔化極電弧采用交流電源供電。在交叉耦合電弧焊接方法中，主電弧的主要作用是控制工件的熱和力的輸入，絲間電弧的主要作用是控制焊縫金屬熔敷速度并補充工件的部分熱輸入，交叉耦合電弧焊接方法的原理如圖3-1所示。圖3-1交叉耦合電弧焊接方法原理圖3.2交叉耦合電弧焊的特點交叉耦合電弧焊接方法，主電弧和絲間電弧參數(shù)可以單獨控制，實現(xiàn)了焊接

過程中電弧對工件傳力、傳熱和傳質的解耦，從而靈活的控制焊接電弧的熱源形

態(tài)，實現(xiàn)在焊接過程中的傳熱、傳力和傳質的自由組合，而目前常規(guī)的焊接方法

在熱輸入、金屬熔敷和熔池受力方面相互耦合，難以分別調整，若想進一步提高

焊絲的熔化速度，同等焊接速度下增加焊接電流，必然會增加母材的非預期熱輸

入。交叉電弧焊接方法實現(xiàn)了熱輸入、金屬熔敷量和熔池受力的解耦控制，該方

法可以實現(xiàn)高熔敷速度、焊縫成形和工件熱輸入可控的焊接.3.3焊縫成形可控在交叉耦合電弧焊接工藝中，主電弧和絲間電弧分工明確，兩個電弧的焊接

參數(shù)獨立調整，實現(xiàn)了工件熱輸入和金屬熔敷的解耦控制，而工件的熱輸入量和

金屬熔敷量是決定焊縫尺寸的兩個關鍵參數(shù)，高熱輸入的焊接工藝往往使焊縫熔

寬增加較為明顯，而高熔敷速度的焊接工藝則在焊縫熔寬和焊縫余高兩方面增加

較為明顯。傳統(tǒng)熔化極氣體保護焊工藝中，焊接電流和金屬熔敷的深度耦合，使得焊縫成形系數(shù)的區(qū)間較小，而交叉耦合電弧焊接工藝中，工件的熱輸入量和金屬熔敷速度單獨控制，實現(xiàn)了焊縫熔寬和焊縫余高的獨立調整，為實現(xiàn)焊縫尺寸的可控性提供了可行性。第4章交叉耦合電弧焊工藝實驗4.1熔滴過渡機制傳統(tǒng)GMAW焊的熔滴過渡形式主要有短路過渡、射滴過渡和射流過渡三種

形式，熔滴過渡的形式與電弧形態(tài)有很大關系，電弧形態(tài)改變，熔滴上的作用力

也發(fā)生相應變化，電弧形態(tài)的變化主要取決于通過焊絲的電流。交叉耦合電弧焊

接方法中，雖然絲間電弧建立在兩根焊絲上，但電弧熱量分布和熔滴受力狀態(tài)已

不同于傳統(tǒng)GMAW焊熔滴的受力狀態(tài)，熔滴過渡形式發(fā)生徹底的轉變。

雙絲間接電弧在小電流焊接規(guī)范下熔滴過渡困難，呈大滴狀過渡狀態(tài)，過渡

周期長，焊縫成形差，在其基礎上加入主電弧，兩個電弧耦合后熔滴順利過渡，

焊縫成形改善。交叉耦合電弧特性研究發(fā)現(xiàn)，電弧的繞弧行為改變了熔滴的受力

狀態(tài)，主電弧力作用在熔滴上，提高了熔滴過渡的穩(wěn)定性，主電弧的穩(wěn)定性，決

定了熔滴過渡的穩(wěn)定性。為了獲得穩(wěn)定的熔滴過渡，首先需要研究交叉耦合電弧

焊方法中眾多參數(shù)對熔滴過渡的影響，以及多參數(shù)如何改變熔滴的受力狀態(tài)。4.2交叉耦合熔滴過渡交叉耦合電弧焊電源系統(tǒng)搭建完成，為交叉耦合電弧焊實驗工藝研究提供了

硬件平臺。在主電弧的電弧力測量實驗中找到了影響主電弧力的主要參數(shù)，并針

對主電弧形態(tài)對交叉耦合電弧焊熔滴過渡的影響進行實驗研究，尋找焊接參數(shù)對

熔滴過渡的影響規(guī)律。4.3交叉耦合電弧焊焊縫成形交叉耦合電弧焊接方法的特點就是焊縫熱、質解耦控制，通過焊接工藝參數(shù)

的調整，既可以在恒定熔敷速度的情況下實現(xiàn)焊縫成形的控制，也可以在保證工

件熱輸入一定的情況下實現(xiàn)高熔敷焊接。熔滴過渡實驗研究發(fā)現(xiàn)，多參數(shù)對熔滴

過渡有較大影響，等離子電弧的工藝參數(shù)影響尤為顯著，本實驗等離子電弧的參

數(shù)已經按照前期實驗結果優(yōu)化，僅通過調整絲間電弧的工藝參數(shù)實現(xiàn)焊縫成形的

可控。結論針對交叉耦合電弧焊接方法進行探討和研究，從交叉耦合電弧的成弧機理及

特點、多電極耦合電弧的行為、交叉耦合電弧熔滴受力狀態(tài)和熔滴過渡行為等方

面入手，進行了全面的實驗研究和深入的理論分析，并得到如下結論：

1.交叉耦合電弧焊接方法打破傳統(tǒng)成弧概念，不再是電弧簡單的疊加，

而兩個電弧的深度耦合，實現(xiàn)了焊接電弧產熱和金屬熔敷的解耦控制，既可以實

現(xiàn)焊縫金屬熔敷速度的單獨調整，又可以實現(xiàn)熱輸入的單獨調整。

2.實驗研究了交叉耦合電弧焊金屬高熔敷和焊縫成形可控的特點。在

120A的焊接電流下金屬熔敷速度達到4.55kg/h，是傳統(tǒng)GMAW焊的三倍。在金

屬熔敷速度不變的條件下，主電弧電流頻率從60Hz增加至100Hz時，焊縫的寬

高比從1.70降至0.32，在主電弧熱輸入不變的條件下，金屬熔敷速度隨著絲間

電弧電流和送絲度增加而增加。

3.以等離子弧焊接電源、雙絲間接電弧焊接電源和交叉耦合電弧同步控

制器為硬件基礎，搭建了交叉耦合電弧焊接電源系統(tǒng)，實現(xiàn)了主電弧和絲間電弧

的同步控制。搭建了交叉耦合電弧高速影像的采集分析系統(tǒng)和電弧力測量系統(tǒng)，

為交叉耦合電弧焊接方法的分析提供良好的實驗平臺。參考文獻全球制造業(yè)季度報告.聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織.2016.

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