套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程研究
- 2017-02-06 09:20:00
- sawchina 原創(chuàng)
- 8566
關(guān)鍵詞：電弧螺柱焊；套圈；焊接過程；電弧行為
電弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱與工件間引燃電弧，當(dāng)螺柱與工件被加熱到合適溫度時，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接頭。根據(jù)焊接過程中所用焊接電源的不同，傳統(tǒng)電弧螺柱焊可以分為普通電弧螺柱焊和電容儲能電弧螺柱焊兩種基本方法[1]。在普通電弧螺柱焊的應(yīng)用中，套圈保護(hù)是常用的一種焊接過程保護(hù)方法。
步進(jìn)式電弧螺柱焊（簡稱SASW）是基于新式焊槍的焊接方法，文獻(xiàn)[2]介紹了步進(jìn)式電弧螺柱焊槍的研制情況以及焊接過程的初步實現(xiàn)。為了提高步進(jìn)式電弧螺柱焊的實用性，需要對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文主要研究套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程，分析套圈保護(hù)對焊接過程電弧行為的影響。
1 試驗設(shè)備及材料
1.1焊接設(shè)備
焊接設(shè)備包括焊接電源、焊接控制器及焊槍。步進(jìn)式電弧螺柱焊槍的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，通過控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)焊接過程螺柱的運動要求。采用MCS-51單片機系統(tǒng)控制焊槍及焊接過程的實現(xiàn)[2]。試驗中，選用型號為ZXG-300的磁放大器式弧焊整流器作為焊接電源，該電源標(biāo)明空載電壓75V，具有陡降外特性，符合電弧螺柱焊引弧及焊接要求。
圖1 步進(jìn)式電弧螺柱焊槍結(jié)構(gòu)
研究焊接過程，可以通過多種方法實現(xiàn)，本試驗通過采集焊接過程的能量輸入?yún)?shù)，利用波形法進(jìn)行分析。能量輸入?yún)?shù)主要包括焊接電流和焊接電壓。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)如圖2所示。焊接電壓的采樣采用型號為GIV-Zv的直流電壓變送器，該變送器具有光電隔離作用；焊接電流的采樣是依靠分流器來獲得，電流信號經(jīng)分流器變換為一定大小的電壓信號，從分流器兩端出來的信號需進(jìn)行放大隔離。系統(tǒng)采用型號為TDS220的數(shù)字示波器記錄焊接過程，此示波器具有兩個輸入通道，可以同時采集焊接電壓和焊接電流。示波器外擴(kuò)計算機通訊模塊TDS2CM，通過RS232接口線與計算機串口相連接。采集的信息可以直接在計算機上顯示處理。
圖2 采樣系統(tǒng)示意圖
試驗中所用螺柱及試件材料為Q235鋼，螺柱直徑φ5mm，待焊頂端為平頂端面形式，不帶引弧結(jié)；試件厚度5mm，適合螺柱焊接，焊前對表面氧化皮、鐵銹、油漆、油脂等雜質(zhì)做簡單處理。
焊接中使用自制套圈，其主要成分如表1所示。
表1 套圈主要成分(體積分?jǐn)?shù)，％)
2.1無保護(hù)SASW
步進(jìn)式電弧螺柱焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要包括能量輸入?yún)?shù)(焊接電流，焊接時間)和焊槍行為參數(shù)(螺柱提起高度和送進(jìn)深度)。選用表2所示的焊接規(guī)范進(jìn)行無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊。表中所列焊接時間是指螺柱在提起高度的保持時間；電弧在此段時間內(nèi)充分燃燒，決定了接頭的能量輸入。此規(guī)范基本適合無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊接過程。
表2 焊接規(guī)范參數(shù)
圖3 無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊電參數(shù)波形
(2)電弧燃燒階段，在預(yù)設(shè)的螺柱提起高度，電弧充分燃燒。此階段可以分為兩部分進(jìn)行描述。在t1時間段內(nèi)，焊接電流的上升速度加快且比較穩(wěn)定，而焊接電壓略有下降趨勢。電壓下降是因為電弧燃燒使得螺柱金屬熔化增多，熔化金屬下垂而縮短了弧長。此時焊接電弧在螺柱端面擴(kuò)展，能量不是很高，故此段時間可以定義為電弧擴(kuò)展階段。在進(jìn)入t2時間段內(nèi)，焊接電流上升到大約200A左右時，焊接電流陡然升高，對應(yīng)的焊接電壓降至接近0V。此后一段時間內(nèi)焊接電流和焊接電壓處于往復(fù)振蕩的過程?？偟内厔菔呛附与娏髟谠龃?，而焊接電壓總體低于t1時間段。如此的波形說明螺柱與工件之間頻繁短路。因為隨著電流的增大，螺柱端部熔化金屬增多并下垂，最終與工件接觸引起短路。此段時間可以定義為電弧不穩(wěn)定燃燒階段。由于頻繁的短路，導(dǎo)致焊接飛濺增加。
(3)在螺柱送進(jìn)階段，螺柱與工件已經(jīng)處于完全短路狀態(tài)。此時焊接電流基本保持在530A左右，而焊接電壓則基本為0。這就說明在螺柱送進(jìn)過程中，電弧已經(jīng)熄滅。
2.2 套圈保護(hù)SASW
在電弧螺柱焊過程中使用套圈進(jìn)行保護(hù)，具有兩個明顯的作用[3]：(1)使接頭處液態(tài)金屬不能隨意流動，起到強制成形焊接接頭的作用；(2)減少了可見的弧光，保護(hù)了操作者的眼睛，改善了工作環(huán)境。另外，套圈中有限的空間對焊接電弧產(chǎn)生較強的約束作用，從而減輕了電弧磁偏吹現(xiàn)象[4]。電弧偏吹是影響電弧螺柱焊質(zhì)量的重要因素，可以導(dǎo)致焊腳成型不均勻，同時引起強烈的焊接飛濺。
比較無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程表現(xiàn)出來的特點，重點研究套圈保護(hù)對步進(jìn)式電弧螺柱焊過程及電弧行為的影響。
為增強可比性，采用表2所示的焊接規(guī)范參數(shù)，進(jìn)行套圈保護(hù)步進(jìn)電弧螺柱焊試驗。焊接過程電流及電壓采樣波形如圖4所示。
圖4 套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊電參數(shù)波形
在電弧燃燒階段，同樣可以分為兩個時間段進(jìn)行描述。如圖所示，在t1時間段內(nèi)，焊接電壓呈增大趨勢，焊接電流基本在200A以下。此段時間為電弧擴(kuò)展階段。進(jìn)入t2時間段，焊接電流穩(wěn)定升高，增大的電弧能量使得螺柱熔化量快速增加。液態(tài)金屬的下垂使得焊接電壓有輕微的減小。此段時間可以定義為電弧充分燃燒階段。總體來說，螺柱在提起高度燃燒穩(wěn)定。
螺柱送進(jìn)階段，可以分為有弧時間和無弧時間。圖中所示t3時間段表明，螺柱在開始送進(jìn)階段，電弧仍舊正常燃燒。經(jīng)過一段時間后，焊接電流急劇升高，而電壓降到不足以維持電弧燃燒。此時處于無弧狀態(tài)，直到焊接過程結(jié)束。
與無保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程相比，套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程具有以下特點。
(1)在套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程中，電弧燃燒穩(wěn)定，短路現(xiàn)象明顯減少。出現(xiàn)這種情況的原因主要是因為套圈保護(hù)情況下電弧對接頭處加熱集中，磁偏吹減少，造成焊接工件熔深較大，這就使得焊接電弧增長，短路次數(shù)自然減少。對于套圈保護(hù)的焊接過程，短路現(xiàn)象依舊存在，只是短路次數(shù)或總的短路時間會大幅度降低。正常情況下，短路會發(fā)生在電弧燃燒階段后期或螺柱送進(jìn)階段初期，因為此時螺柱端部熔化金屬量達(dá)到一個較大值。圖4所示焊接過程在電弧燃燒階段后期存在大約10ms的短路，圖5所示的焊接過程在螺柱送進(jìn)階段存在短暫時間的短路現(xiàn)象。需要說明的是，此短路指的是發(fā)生在電弧完全熄滅之前的短路。
圖5 螺柱送進(jìn)階段出現(xiàn)短路的焊接過程波形
由于套圈的使用，使得焊接過程的電弧行為有很大改善。短路現(xiàn)象的減少意味著焊接過程中不會有太多的金屬飛濺，電弧的利用率得到提高。實際燃弧時間增長也會使螺柱更多的熔化。通過焊后測量可知，套圈保護(hù)焊接后的螺柱燒損量是無保護(hù)焊接后螺柱縮短量的2倍左右。
2.3套圈保護(hù)SASW焊接時間確定
焊接過程電弧行為的改變將直接影響焊接過程的進(jìn)行以及接頭的形成。采用表2所示焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，將產(chǎn)生過多的接頭熔化金屬。故需要對焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，試驗中通過縮短焊接時間的方法減小焊接輸入能量。
通過試驗得出，在表2所示焊接規(guī)范的基礎(chǔ)上，調(diào)整焊接時間為290ms，可以得到較為滿意的結(jié)果。其焊接過程電參數(shù)采樣如圖6所示。從圖中可以看出，焊接過程電弧燃燒穩(wěn)定，電弧行為符合套圈保護(hù)SASW過程一般規(guī)律。焊后對工件上的螺柱進(jìn)行測量，同焊前相比縮短了2.8mm。由于設(shè)定的螺柱送進(jìn)深度為3.3mm，確保螺柱最大程度的進(jìn)入熔池，所以此種接頭處于比較緊密的接合狀態(tài)。而采用370ms焊接時間的焊接過程有可能出現(xiàn)螺柱燒損量過大，螺柱送進(jìn)后與工件上的焊接熔池金屬擠壓不夠，從而影響接頭質(zhì)量。
圖6 燃弧時間為290ms的焊接過程波形
3 結(jié)論
采用波形法對無保護(hù)及套圈保護(hù)步進(jìn)式電弧螺柱焊過程進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：
(1) 在無保護(hù)SASW過程中，存在一個電弧不穩(wěn)定燃燒階段，其間發(fā)生大量的熔化金屬短路現(xiàn)象。
(2)由于套圈的使用，使得SASW過程電弧行為發(fā)生較大改變。整個焊接過程中，電弧穩(wěn)定燃燒，短路現(xiàn)象明顯減少；螺柱送進(jìn)過程的“無弧”時間縮短。電弧行為的改善提高了電弧利用率。
(3)相比無保護(hù)SASW，套圈保護(hù)SASW可以在一定范圍內(nèi)減少焊接時間，這一方面提高了焊接的效率；更有利的一方面是減小了焊接熔池被空氣侵蝕的幾率。
參考文獻(xiàn)
[1] 池強，張建勛，付繼飛. 電弧螺柱焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)，2003，32(6): 18~20.
[2] 池強，張建勛，付繼飛等. 步進(jìn)式電弧螺柱焊槍及控制系統(tǒng)的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報，2004, 38(5): 461-464.
[3] Shoup T. E. Stud welding. Welding Research Council Bulletin, 1976, (214): 1~22.
[4] R.Trillmich，付繼飛，張友權(quán)等. 建筑工程中的螺柱焊接技術(shù)(2)－鋼結(jié)構(gòu)工程中螺柱焊接技術(shù)現(xiàn)狀和展望[J]. 鋼結(jié)構(gòu)，2002, 17(2): 45-48.
致謝：本研究得到教育部骨干教師基金資助和中冶集團(tuán)建筑研究總院，特表示感謝。
作者簡介：池強，博士研究生，從事焊接過程控制研究； 張建勛教授，博士生導(dǎo)師。主要從事新材料接合科學(xué)與技術(shù)、數(shù)值模擬與仿真、CAD/CAE與專家系統(tǒng)的研究。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。
jxzhang@mail.xjtu.edu.cn; http://mse.xjtu.edu.cn (end)
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