天津职业技术师范大学2013届本科生毕业论文
升高、表面张力减小而易于脱落，从而改善了CO2焊的熔滴过渡特性，以小滴形式从焊丝末端不断脱落，而呈细滴喷射过渡，大大减少了飞溅，飞溅率从 10%～12%降低到 2%～3%，焊接速度和质量有所提高。同时还有一个重要特点，活化焊丝CO2焊仍具有较大的熔深。但是，为充分发挥活化焊丝的作用，要求活化剂能均匀地涂敷在焊丝表面上。实际上这一点是很难做到的，所以活化焊丝焊接时，熔滴过渡形式不太稳定，可能在射流和大滴过渡形式之间交替变化，还不能直接用于生产，有待于进一步研究。
用药芯焊丝取代实芯焊丝。采用药芯焊丝，可显著降低飞溅、改善焊缝成型、提高熔敷效率。但目前我国成批生产的CO2药芯焊丝的品种很少、CO2药芯焊丝的发尘量高（比实芯焊丝高 30%～40%）、焊丝制造复杂（制造设备复杂、制造工艺技术要求高）、送丝难度大（需要专用送丝机）、焊丝表面易锈蚀、粉剂易吸潮、成本高[13]。 1.2.2等离子焊的发展状况
近来一种新开发的用于等离子弧焊的焊炬系统，采用反极性电极和选100~200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件，焊接质量很好。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下,采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺[14]。这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点：
1）采用等离子弧焊时的特定工艺优点，不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面，而且涉及使用锁孔技术。应用范围包括：表面堆焊、喷涂和焊接。
2）用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时，具有焊接速度快、热输入量小和变形小等优点。
3）等离子弧焊接时，锁孔技术的优点还清楚地表现在板厚达10mm的材料焊接方面。在应用技术中，粉末等离子弧焊接具有稳固的市场地位。这种新的工艺也将会在机器 人上得到应用[15]。
此外，由于粉末等离子弧堆焊技术是现代工业生产中能适应各种高合金高性能材料堆焊要求的一种焊接方法，而且稀释率可控制在5%~15%之间。但如果使用常规的粉末等离子弧堆焊技术，希望得到小于5%稀释率时，所能获得的熔敷速度均在6kg/h以下[16]。随着现代工业的发展，特别是对大面积高性能耐磨堆焊的需求，国内外开展了先进的高效、低稀释率粉末等离子弧堆焊技术研究。高效低稀释率粉末等离子弧堆焊技术与常规
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粉末等离子弧堆焊技术相比，在相同的焊接电流下，它具有低稀释率的同时，还具有比常规方法高2~5倍的熔敷速度，而且最大堆焊高度可达6~8mm，较易实现一次堆焊成功,减少堆焊层数量，降低产生缺陷的可能性[17]。
70年代美国曾研究了“高能等离子弧堆焊技术”，其功率达80kW，后捷克又发展了一种液稳等离子弧堆焊设备，熔敷速度达56kg/h。但稀释率仍在20%以上，90年代德国成功地研制了熔敷速度高达70kg/h，稀释率能控制在10%以下的粉末等离子弧堆焊技术；国内90年代中期也开始研究该技术，并已取得熔敷速度达15kg/h，稀释率能控制在l%以下的可喜成果。目前，先进的粉末等离子弧堆焊技术在国外已用于生产，如德国已将熔敷速度20kg/h，稀释率<2%的技术成功地用于汽车、化工、煤炭、核电等领域，尤其在大面积堆焊中更具特色。熔敷速度30kg/h，稀释率<2%的技术也已成熟。国内该技术已研究达到熔敷速度15kg/h，稀释率<1%，目前正在向更高的熔敷速度和生产应用方向努力。新研制的粉末等离子弧表面堆焊装置，主要用于矿山铲斗预切削刀具的表面硬化，使用不同的消耗材料和焊接参数进行表面硬化层堆焊。另一方面现行的一汽—大众引进激光等离子焊接工艺始于1999年奥迪C5车型，在随后的宝来、高尔夫、奥迪B6、奥迪B7、奥迪C6和奥迪B8一直沿用[18]。应用方式上也多种多样，包括飞行焊接、激光钎焊和远程焊接等。激光焊接在汽车制造应用最为成功、效益最为明显的一项技术就是汽车车身的拼焊技术。激光拼焊技术具有下列优点：减少零件和模具数量；缩短设计和开发周期； 减少材料浪费；最合理地使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少车身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高车身结构刚度和安全性。激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是汽车车身框架的激光焊接，其中一个典型例子就是汽车车身顶盖与车身侧围的焊接。采用激光焊接后，顶盖和侧面车身的 搭接边宽度减少，降低了钢板使用量，同时提高了车体的刚度。使用铜料焊接提高了车身的耐腐蚀性能[19]。
目前这种车身框架的激光焊接技术在一汽－大众得到了非常 广泛的应用。采用激光焊技术之后，一汽－大众生产的车身刚度比采用其他工艺的车身强度提高大约30％，这极大地提升了整车的安全系数。因为激光焊中，激光 焊光束的焦点直径只有0.6mm，每条激光焊焊缝的宽度只有大约1～1.5mm，激光焊接时只是将微小区域的板材通过熔化连接在一起，其他部分几乎不受任 何影响。另外采用激光进行焊接时，能在瞬间完成整条焊缝焊接过程，对整车的热影响几乎可以忽略不计。例如完成一条25mm的普通激光焊焊缝，所需的时间只 有0.5s左右。因为在极短的时间内完成了整个熔化连接过程，
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然后迅速冷却，所以对车身板材结构影响非常小。此外，采用激光焊接技术，对钢板的形变及物理 特性改变较小，不像其他焊接方式（如点焊、MAG焊等），这样能保证整车身的刚度。而且，完成每条激光焊缝只需0.5s左右，这样的焊接速度是其他焊接工艺所无法比拟的，所以能最大限度地提高单位时间内的工作效率、降低成本，对大批量车身生产来说格外重要[20]。
1.3主要研究内容
本文旨在等离子与CO2电弧复合焊低碳钢的工艺研究，为了完成以上的研究目的，本文拟采用以下措施。
（1）目前等离子与CO2电弧复合焊还没有确切研究理论，处于研究阶段，本次试验在已有实验的基础上，使等离子与CO2电弧复合焊分别测试在不同电压，电流，焊接速度，送粉速度等条件下对等离子电弧复合焊接低碳钢的影响，进而对检测结果进行分析总结。
（2）高速摄像是研究瞬间发生的物理和化学现象的重要手段之一。 本实验通过高速摄像机采集和观察等离子与CO2电弧复合焊对低碳钢的焊接过程。
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2 实验过程介绍
2.1实验设备介绍
本实验旨在等离子与CO2电弧复合焊低碳钢的工艺研究。通过在实验过程中改变送粉量、焊接速度、以及电流，进而观察焊接过程并对焊接后的焊缝进行分析总结，主要设备包括REIS机器人、粉末等离子焊机、CO2气体保护焊机 、高速摄像设备 。 2.1.1REIS机器人
本次实验采用的是REIS立式机器人，如图2-1、2-2所示
图2-1 机器人控制器 图2-2 机器人本体
REIS机器人系统主要包括机器人本体和机器人控制柜。
机器人本体：后座有电机电源线、编码线、备用电缆及压缩气管插口。 控制柜：包括伺服放大器、IPC、安全控制器ASC1、直流电源G0、开关电源T1等主要部件。其中IPC与伺服放大器和安全控制器之间采用的是Can open协议，与通讯协议是Profi bus的外围PLC通讯时需用Any bus接口模块转换；外围的安全回路(包括急停、安全门及安全光栅等)都必须接到安全控制器中，其中，安全控制器的配置属于四级培训内容；直流电源G0分为三路电压，分别是6.5V给伺服放大器供电、24V给IPC供电、12V给电池供电；而其他输入输出信号模块及低压元器件的直流电源由开关电源T1提供。具体操作如下：
1、分别用单轴、BASE和TOOL坐标系移动机器人来搬运小圆盘到指定位置。
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2、分别运用PTP、LINE、SPLINE、CIRC指令模式编辑机器人运动程序并画一个圆。 3、以小圆盘为工件，围绕小圆盘机器人以45度角画出圆形。
4、在机器人内部建立PLC程序，对气缸的输出动作进行PLC语言编程。 2.1.2等离子焊机
本次试验采用的是卡斯特林等离子焊如图2-4、2-5所示。等离子弧是利用等离子焊枪将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度、高能量密度的电弧。具有能量集中、温度高、焰流速度大、刚直性好等特点。
这种电弧既可以用于焊接，又可以用于喷涂、堆焊及切割，在工业中的应用是非常广泛的。其优点主要有：能量集中（能量密度可达1000000W/cm2）、熔覆效率可达0.18 到 22 kg/h、熔覆层合金组织均匀、没有气孔、非常低的稀释率。优异的重现性、非常容易实现自动化、操作简单。 与常见热喷涂相比有以下优势：
1、熔敷金属与基体实现冶金结合，有高的结合强度。 2、高的抗冲击性能。 3、无气孔的熔敷层。 该设备的核心参数如下： 电流：直流
维护电流范围：1-10（A） 保护气流量：4-12L/min 电弧电流：0-160（A） 离子气体流量：0.5-2（L/min） 送粉气流量：3-6L/min
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