天津职业技术师范大学2013届本科生毕业论文
1 绪 论
1.1课题研究背景
等离子电弧焊在1953年发明，它的英文学名叫做“Plasma Arc Welding”，缩写为PAW，由钨极氩弧焊发展而来的，在该领域内，它的发明是一项重大技术创新[1]。等离子弧焊与原始的TIG焊相比，具有优质、高效、经济等优点，早在上世纪60年代初，等离子电弧焊已成功用于金属制品的生产。近20年以来，等离子弧焊的技术得到了进一步的发展壮大，并且已然成为现代焊接结构制造业中不可缺少的精密的焊接工艺方法，特别在压力容器、管道、航天航空、石化装置、核能装备和食品及制药机械生产中得到普遍的推广应用，可以焊接普通优质碳钢、低合金钢、不锈钢、镍基合金、铜镍合金、钛、钽、锆及其合金和铝及其合金等金属材料[2]。为充分发挥等离子弧焊方法的潜在优势,增强其工艺适应性，进一步扩大应用范围，已开发出各种等离子弧焊工艺方法，如微束等离子弧焊、熔透型（弱等离子）等离子弧焊、锁孔型等离子弧焊、脉冲等离子弧焊、交流变极性 等离子弧焊、等离子弧钎焊和等离子弧堆焊等。可以预料，等离子弧焊必将在现代工业生产中发挥出愈来愈重要的作用。
电弧复合焊接作为一种高效，低成本的焊接方法，便决定了这种焊接方法在工业领域有着极为广泛的应用，工业化国家电弧复合焊接占据了整个焊接生产的主导地位，我国的电弧复合焊的使用量并不高，但是使用量上呈上升趋势，一方面是电弧复合焊接应用广泛，另一方面人们还缺乏对电弧复合焊接的进一步认识，这体现在工艺和设计方面，这样的结果就是极大的限制了电弧复合焊接的应用普及[3]。
自从 1950年 Burbon 发明了等离子电弧焊接方法至今已经60余年。20世纪60年代以前,等离子电弧焊接技术并没有引起人们的注意, 直到后来将等离子电弧焊接技术应用于火箭壳体的焊接才引起人们的注意 ,而后, 随着等离子电弧焊接技术在航空航天领域的应用,等离子电弧焊接技术的研究得到了迅速发展[4]。与此同时低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需要预热、控制层间温度和后热,焊后不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性好。汽车、船舶、海洋、航天等工业部门对焊接的需求越来越高, 提高焊接生产效率, 越来越受人们的关注, 实
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现高效焊接逐渐成为焊接领域内研究的重点。同时，等离子复合焊在低碳钢中的研究也成为了近年来焊接领域内的另一个重要方向。
二氧化碳气体保护焊是上个世纪 50 年代由英国首先发明并推广发展起来的一种高效焊接技术，由于其生产率高，并具有焊接成本低、能耗低、适用范围广、抗锈能力强以及焊后不需清渣等优点，故大量应用于低碳钢、低合金钢等黑色金属的焊接[5]。它可以进行不同厚度工件的各种位置的焊接且便于实现自动化生产，这也推动了焊接机器人在这一领域上的推广应用，使其成为焊接向智能化，高效化发展的主导方向。尤其是近几年随着我国国民经济的快速发展，二氧化碳气体保护焊在整个焊接生产中的比重已从五年前的 5％左右急速上升至目前的 20％以上。这种焊接方法最初多用在结构件上，现在在压力容器和动载荷结构上也开始大量使用[6]。我国西部大开发的许多基础项目，如公路、桥梁、铁路、机场建设及西气东输、西油东送等都亟需高质量的二氧化碳气体保护焊技术。同时在我国造船、机车制造、汽车、石油化工、工程机械、农业机械等部门二氧化碳气体保护焊也获得了日益广泛的应用。因此，随着对二氧化碳气体保护焊过程及工艺等研究的深入、焊接工艺性能的不断提高,它必将成为 21 世纪最重要的焊接方法之一[7]。
1.2国内外研究现状
1.2.1 二氧化碳气体保护焊的发展状况
现行的二氧化碳气体保护焊虽然效率高，由于二氧化碳气体保护焊本身的性质使得此焊接方法有 2 个主要不足：一是飞溅大，二是成形差。在焊接过程中产生的大量颗粒飞溅物，牢固地粘附在工件表面，严重影响工件表面质量，对于一些重要的焊接结构，焊接后不得不花费大量的人力和物力对焊缝表面及附近飞溅物进行清理，从而降低了劳动生率；飞溅不仅污染工件、增加劳动强度、降低熔敷率，也会堵塞喷嘴、使送丝不畅，需要定期更换导电嘴，这也会降低焊接生产率；飞溅的产生还大大影响电弧稳定性，产生的金属颗粒进入焊缝造成夹渣等缺陷，严重影响焊接质量。焊缝成形差主要表现在，易形成深而窄的指状熔池和焊缝几何形状不合理两方面。指状熔池容易使焊缝出现气孔、夹渣、裂纹。焊缝的几何形状多是较大余高和粗糙表面，对于一些重要的焊接结构，焊接后也不得不对焊缝成型进行修补。这些问题的长期存在，在很大程度上制约了二氧化碳焊接技术在工业生产中的进一步推广和应用，因此国内外研究者就解决上述两个主
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要问题分别在焊接材料、焊接电源、焊接工艺等方面开展了大量的研究工作。目前，不论在国内还是国外，在二氧化碳气体保护焊的工艺改进上主要是集中在研制新型焊接电源和焊接材料两方面。[8] 一、焊接电源方面 1、电流波形控制
这种方法的主要想法是根据短路过渡电弧对电流波形的需要，采用两组设计好的电流波形，分别控制短路和电弧期间的状态，希望获得较好的效果。最常见的典型波形控制方法就是所谓的“表面张力过渡SIT方法”，但是从原理上，波形控制方法存在下列几个方面的主要问题：
(1)由于熔滴过渡的随机性和分散性，每个熔滴的过渡过程都不相同，所以预置电流波形难以跟每个熔滴过渡过程同步和适应；
(2)缺乏短路液桥收缩状态的准确检测，电流控制缺乏依据；
(3)由于电流波形受控或者受到限制，影响了电弧弧长的自调性能和稳定性； (4)由于直流电感的存在或焊接电源动态响应不足，难以实现电流的快速实时控制；由于缺乏对每个熔滴收缩过程后期的针对性控制，难以收到理想效果。 2、电流波形的寻优控制
这种方法主要是在电流波形控制的基础上，根据电弧和熔滴过渡状态，利用计算机对电流波形进行修正和优化。根据若干周期熔滴过渡的平均状态来判 断和改变后面的电流波形，这种方法主要问题有下列两个方面：
(1)只能实现平均控制,不可能针对每个熔滴过渡过程进行控制，而熔滴差异性很大，不可能有很好的效果，因此具有波形控制的相同缺点；
(2)由于熔滴过渡的分散性和差异性，系统只能对若干个熔滴过渡参数进行采样和平均。由于采样系统动态响应不够，系统控制的动态响应不可能很快,否则就会出现系统振荡。
3、切换两组电源外特性的控制方法
在短路和电弧状态，分别切换两条不同的电源外特性，分别控制短路状态和电弧状态。每条外特性可由不同的斜率段组成复合外特性。该方法的问题与 电流波形控制方法的问题大致相同，只是电流不是固定波形，而是固定的外特性。因而电弧具有较好的弧长调节作用，在保证液桥顺利过渡的前提下短路期间的外特性可以对短路电流进行一
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定限制。因此，这种方法的弧长自调性能比波形控制方法好，飞溅比常规方法小。但是没有解决根本矛盾：液桥收缩过渡需要较大的液桥电流，而减少飞溅希望较小的液桥电流。
4、焊接回路串联控制器的方法
在这种控制方法中，在焊接回路中串联控制器件。当液桥收缩到足够细时，关断器件，这时液桥电流由与器件并联的电阻提供，希望液桥在很小的电流 下过渡。但是，这种控制方法存在下列的问题：
(1)缺乏液桥收缩过程的准确检测，实施控制时刻缺乏依据和准确性；过早控制液桥电流会影响熔滴的顺利过渡，过迟则控制效果没有。
(2)另外,器件关闭时，液桥电流不能迅速减小，阻容保护回路通过的瞬时电流足可以引起液桥的爆炸和飞溅；如果阻容保护回路太小，由于直流电感的存在，器件关断时 会引起较大的过电压；而且，器件在整个焊接过程中几乎都处于导通状态，通过几乎全部焊接电流，器件的功耗和成本较大。 5、复合外特性的控制方法
这种方法将短路液桥收缩过程和电弧过程分成若干个瞬时过程，根据每一瞬时过程理想状态下需要的电流、电压值，设计出相应的理想外特性段。并实现这些外特性段的自动连接和自动转换，构成一条能针对熔滴过渡每一瞬时程的复合电源外特性。图1－1就是这样一种复合外特性，它可以实现对短路过渡电弧的控制。恒流特性段AB可以避免瞬时断弧。BC段斜率跟电弧斜率相当使电弧具有很强的弧长自调性能，弧长稳定。DC段特性斜率很大，电弧工作点不可能在上面停留。当弧长变短即将短路时，工作点会跳至恒流段DE，使熔滴在很小的电流下短路避免“瞬时短路”飞溅。熔滴短路后，在上升特性段EF作用下，电流迅速增长，给短路液桥提供足够的收缩力，同时陡降特性FG限制了短路电流峰值。在FG段作用下，液桥迅速收缩。随着液桥收缩过程，电阻增大。当液桥收缩到即将爆断时，工作点已经跑到DE特性段上，这时液桥电流很小，不足引起液桥的爆炸和较大飞溅。当液桥断开后，工作点又跑回到燃弧特性BC上。上述过程不断循环，电弧和熔滴过渡得到控制。
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uACBFDEGibi0i R图1-1 复合外特性电压、电流关系
这条复合的电源外特性同时实现了液桥状态的检测和控制，它可以将熔滴刚接触熔池的电流和液桥即将要断开时的电流降到很低的水平，把焊接飞溅降低到很小。同时，由于在它的控制下，短路电流和燃弧电流都比常规的方法大，所以燃弧和短路时间变短，熔滴的过渡频率能达到150～200 Hz，焊缝波纹比常规方法要细得多。但是，这种方法在应用上也存在问题：它需要电源具有很好的控制性能和很高的动态响应，这样的电源功耗大、成本高、商品化比较困难。 二、焊接材料方面
1、新型非镀铜焊丝，新型非镀铜焊丝是新一代的气体保护焊用实芯焊丝，是基于强烈的环保需求，成本压力应运而生的。从2000年开始，已在国外出现采用新型涂层处理的非镀铜气保护实芯焊丝[10]。目前，日本、美国等工业发达的国家大力研制、开发、推广应用非镀铜焊丝，非镀铜焊丝已有迅速取代镀铜焊丝之势。其中发展较快，技术较为成熟的是日本，其焊丝月产量已达千吨以上。我国非镀铜焊丝发展也较快，其中锦泰、三英、猴王、广泰等焊接材料公司已研制开发出这种焊丝，并在生产中推广使用[11]。非镀铜焊丝是应用纳米技术和现代金属间。化合物胶体涂层技术，对焊丝表面进行新型涂层处理，以替代镀铜处理。它与传统镀铜焊丝比较，具有电弧稳定，飞溅小，成形美观；涂层附着力比镀铜层更紧密，送丝稳定；防锈能力强；焊接时烟雾小，制造中对环境污染小，制造成本低等优点[12]。
2、采用活化焊丝。在焊丝内部或表面加入K、Cs等易电离物质，使得电弧弧柱横向尺寸增大，减小阻碍熔滴脱落的电磁力，电弧斑点能稳定在电极的端部，使得熔滴温度
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