脈沖等離子畢業(yè)論文

摘 要新型等離子 MIG 焊,在國外有了較大的進步,國內卻較少在這方向上進行研究。 Plasma 一 MIG 焊是利用等離子電弧和 MIG 電弧在同一個焊槍中燃燒,以獲得焊縫熔深和熔寬合理分配,并且具有高的焊接質量和焊接效率的一種先進焊接方法 。Plasma 一 MIG 焊接時在可焊厚度和焊縫寬度方面都具有很大的優(yōu)勢。其焊接過程具有獨特的優(yōu)點：焊絲熔化速度快、無飛濺、焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀、氣孔少、接頭質量高，能量集中。本課題設計一并研制了由兩臺電源組成的等離子一MIG 專用焊接電源,兩臺電源分別具有不同的電源外特性,滿足了為等離子電弧和 MIG電弧供電的需求。隨著脈沖弧焊電源的發(fā)展，特別是對一些難焊的、熱敏感性高的材料和難于施焊的場合，脈沖焊均顯出獨特的優(yōu)越性。本文根據脈沖等離子弧焊和MIG 焊特點設計出脈沖等離子-MIG 焊，通過對設備的調試，完善，應用于脈沖等離子-MIG 焊的焊接工藝實驗。結果表明,在焊接中,焊槍準確到位,焊縫成形好,焊縫過渡平滑,焊接質量高;焊接速度快,生產效率高。本文利用單片機技術，設計脈沖相位控制器。以單片機為內核，A/D 轉換器、運算放大器組成相位控制器，可以使焊接電壓成為在一定恒壓基礎上，進行一定頻率和幅值交化的脈沖電壓。同時脈沖控制器設計為兩路輸出，按照推挽式設計，可進行雙絲焊焊接。為了有效的分析熔滴過渡和電弧行為及其變化對焊接電流、電弧電壓的影響，在焊接過程中又采用了示波器對其進行同步采集。關鍵詞:脈沖,等離子-MIG 焊,相位控制ABSTRTA new -plasma-MIG welding -has been adopted in abroad quickly.but it has few use in our country.which uses plasma-arc and MIG arc burning in the same blowtorch ,so that weld -penetration and melting-width arc properly distributed,and we can get high welding quality and efficiency.plasma-MIG welding have big superiority in penetration and welding joint width aspect , the welding process has unique advantages: wire melting speed, no spatter, stable welding process, the appearance of weld joint, low porosity, high quality,energy concentration .a special power system used for Plasma 一 MIG welding was designed and developed.the power system included two inverter power sources with different external characteristic,they can meet the requirement of plasma arc and MIG arc.with the development of pulsed arc welding, especially some difficult to weld, sensitive to heat materials and the situation difficult to weld the pulse welding show the unique superiority .According to the characteristics of pulse plasma arc welding and MIG welding ,design a set of pulse plasma-MIG arc welding automatic phase,including the arc welding power source, welding torch, gas supply system, cooling system, mechanical walking mechanism and process control system.Through debug and perfect the equipment,finally applied to pulse plasma -MIG welding welding experiments.The result of system indicates that the face of weld is smooth,and the quantity is good.The velocity of this system is quick, and the efficient is high.with the keyboard as the man-machine communication interface，with the one chip computer as the kernel,A/D converter,an operational amplifier phase controller,The controller can make the voltage change in frequency and amplitude on the base of a certain value.Furthermore,the controller is designed for duplex output according to push-pull mode,which can be applied for double-wire weldingBesides ，applied to the oscilloscope analyze the droplet transition,arc behavior and its effect on welding current and voltageKeywords:pulse plas;ma-MIG welding;Automatic phase control目 錄1 緒論 .11.1 引 言 .11.2 等離子弧焊接 .21.2.1 等離子弧焊接方法的特點 .21.2.2 等離子弧焊接電源 .21.2.3 等離子弧的類型 .31.3 MIG 焊介紹 .31.3.1 熔化極氬弧焊（MIG）的原理、工藝特點 .41.3.2 MIG 焊的熔滴過渡 .41.3.3 脈沖 MIG 焊 .41.4 等離子-MIG 焊 .51.4.1 等離子 MIG 焊的產生及基本形式 .51.4.2 等離子 MIG 焊原理及特點 .61.4.3 國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) .71.5 脈沖弧焊電源的特點及應用 .71.5.1 脈沖弧焊電源的基本原理 .81.5.2 脈沖電源可調工藝參數(shù) .8l.6 本文研究目的和主要內容 .91.6.1 研究目的和內容 .91.6.2 采取的研究方案 .91.6.3 實驗方案 .101.6.4 前期驗證性試驗 .121.6.5 可行性分析 .142 脈沖等離子-MIG 焊的相位控制組成 .152.1 脈沖等離子-MIG 焊的相位控制組成 .152.1.1 脈沖等離子 MIG 焊電源 .152.1.2 MIG 焊接電源 .162.1.3 脈沖等離子 MIG 焊相位控制器原理及功能 .162.1.4 脈沖等離子 MIG 相位控制器硬件 .182.1.5 相位控制器組成及調試 .192.2 相位控制器與焊機的連接 .202.2.1 控制系統(tǒng) .222.3 送絲系統(tǒng) .232.3.1 小車行走機構 .252.3.2 供氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng) .262.4 等離子一 MIG 焊接槍體的結構 .262.4.1 復合焊槍的設計 .273 脈沖等離子一 MIG 焊接工藝實驗 .2831 脈沖等離子一 MIG 焊接試驗原理 .283.2 脈沖等離子 MIG 焊相位控制器功能性驗證試驗 .283.3 試驗條件 .293.3.1 等離子焊接工藝實驗 .293.3.2 等離子焊工藝參數(shù) .293.4 脈沖頻率對焊接過程的影響 .293.4.1 實驗過程與分析 .303.2 MIG 焊接工藝實驗 .313.2.1 MIG 焊接參數(shù) .313.2.2 實驗過程分析 .313.3 脈沖等離子 MIG 復合電弧焊接工藝 .323.3.1 復合電弧波形 .323.3.2 復合電弧特性 .333.4 復合焊焊縫成形情況 .344 結論 .354.1 實驗結論分析 .354.2 實驗過程中遇到的問題 .36參考文獻 .37附錄 1：英文原文 .38附錄 2:英文譯文 .5811 緒論1.1 引 言自從 1881 年俄國人 Nikolai Benardos 發(fā)明了碳弧焊以來 1,近 100 多年來已經有幾十種電弧焊方法出現(xiàn)。其中應用比較廣泛的有埋弧自動焊、CO 2氣體保護焊、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、等離子弧焊等。20 世紀50 年代以來,又有一些新的焊接方法如電子束焊、激光焊等高能流密度焊接方法出現(xiàn),并獲得了廣泛的應用。目前,在工程中應用的各種焊接方法,大多還是采用單一電弧來完成焊接的。但是,隨著人們對焊接效率和焊接質量要求的不斷提高,這種常規(guī)的焊接方式已經受到限制。從某種角度上講,焊接效率主要是由單位時間內填充金屬的熔敷速度來衡量的。對于單一電弧的焊接方法而言,常用的提高熔敷速度的措施是增加焊接熱輸入和提高焊接速度。但隨著熱輸入的過度增加,會導致過大的焊接變形,而且容易引起組織粗大、焊縫韌性降低等一系列問題。而且過大的焊接速度也容易產生未焊透、焊道不連續(xù)、咬邊等缺陷。解決這一問題的有效途徑就是采用雙電弧方法進行焊接。這種方法最明顯的優(yōu)點就是能在比較小的熱輸入下獲得很高的焊接效率。因此,它特別適用于各種合金鋼和有色金屬的焊接。目前,國內外所研究和使用的雙電弧焊接方法有三種主要類型有：采用多絲多弧焊、改變保護介質及利用復合熱源等。復合熱源的特點是將兩種或兩種以上單一焊接方法集于一體，取其所長從而形成新的更為先進的焊接方法。等離子 MIG 焊也是復合熱源的一種焊接方法，等離子一 MIG 焊接是高能束與傳統(tǒng) MIG 焊相結合的新技術。該工藝可以看作是熔化極惰性氣體保護焊(MIG)與等離子弧焊的結合, 由于等離子電弧是壓縮電弧,與激光束一樣屬于高能束熱源，其電弧剛度大,保證了較大的焊接熔深.加之電弧的輔助攪拌作用，使得焊縫中的氣體有充分的時間逸出,防止了焊接缺陷的產生.而同時存在的 MIG 電弧,保證了焊縫填充金屬的提供,使焊接能夠高效進行，因此它特別適用于各種合金鋼和有色金屬的焊接。等離子 MIG 焊由荷蘭 Philips 研究實驗中心 w.G.Essers 和.A.C.Liefken 等人于 1972 年最早提出的。它采用的復合電弧由一個等離子弧和一個 MIG 電弧構成。由于這種方法所需要的焊接電源和槍體都比較復雜,目前,除荷蘭 Philips 公司外,還沒有其它公司推出定型的焊接設備。國內也尚未見將這種設備應用于工程的報道。2等離子一 MIG 焊接又稱等離子 GMAW 焊接。,由于這種設備所產生的兩個電弧要同時作用在一個熔池上,焊接槍體要同時完成電弧壓縮、水冷卻、離子氣流和保護氣流提供、起弧及穩(wěn)弧等復雜的過程,其設計有很大的難度。1.2 等離子弧焊接1.2.1 等離子弧焊接方法的特點1957 年美國人.R.M.Gage 發(fā)明了壓縮等離子弧焊槍,并首次在材料焊接中應用了這項技術,這種方法的原理簡圖見圖 1.1。等離子弧焊使用壓縮電弧,焊接時，靠機械壓縮、熱壓縮和自磁壓縮效應使電弧能量高度集中,大幅度提高了電弧的溫度和能量密度,從而獲得更高的焊接質量。經噴嘴壓縮的等離子弧,其能量密度相當于鎢極氫弧焊電弧的 3 倍以上,溫度也要高得多。等離子電弧是僅次于激光和電子束的高能流密度熱源。等離子電弧和激光束(LB)和電子束（EB)一樣,可以進行“小孔法”焊接。也可以在很小功率下完成微熔化焊接。由于等離子弧具有壓縮效應,可使電弧斷面成為深而窄的形狀,其熱影響區(qū)和焊接變形小。該方法焊接效率高,節(jié)省焊接材料,適合于絕大多數(shù)金屬的焊接。1.2.2 等離子弧焊接電源3等離子弧是一種非線性負載,其靜特性曲線工作部分呈平或上升特性 13-14。根據這種靜特性,等離子弧焊接電源大多選用具有陡降或垂直陡降外特性的焊接電源。從使用的電源種類來說,常用的有硅整流式弧焊電源、晶閘管式弧焊電源等。近年來,隨著逆變式弧焊電源性能的不斷完善,在等離子弧焊接中也取得了一些應用 15-16。等離子弧焊接通常采用正接法,即工件接正極,鎢極接負極,這樣可以使電極的發(fā)熱量最小17。等離子弧焊接很少采用反接法,由于采用這樣接法時,槍體中的鎢極容易發(fā)生嚴重過熱。但在等離子弧堆焊工藝中有關于反極性等離子弧的報道 18。等離子焊接一般不使用普通的工頻交流電源。1.2.3 等離子弧的類型1)等離子弧的類型根據電極接法不同，等離子弧可以分為轉移弧、非轉移弧、聯(lián)合型弧 3 種 3（如圖 1-2） 。(1) 非轉移弧：等離子弧產生在電極和噴嘴表面之間，連續(xù)送入的工作氣體穿過電弧空間之后，成為從噴嘴內噴出的等離子焰來加熱熔化金屬。(2) 轉移?。弘娀∈紫仍陔姌O與噴嘴內表面間形成。當電極與焊件間加上較高電壓后，電極與焊件間產生等離子弧，即電弧轉移到電極與焊件間。(3) 聯(lián)合型?。恨D移弧和非轉移弧同時存在就稱為聯(lián)合弄弧。主要用于微弧等離子焊接和粉末材料的噴焊。1.3 MIG 焊介紹41.3.1 熔化極氬弧焊（MIG）的原理、工藝特點1）原理:采用連續(xù)等速送絲可熔化焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫的焊接方法2。原理圖如圖 1-4。為防止外界空氣混入到電弧、熔池所組成的焊接區(qū)，采用了 Ar、He 等氣體惰性保護。 2）MIG 焊主要具有以下工藝特點 30,31 MIG 焊幾乎可以焊接所有的金屬，焊接中氧化燒損少，只有少量的蒸發(fā)損失，焊接冶金過程相對比較單純。 生產效率高，焊接變形小。連續(xù)送絲的 MIG 焊允許使用的電流密度較高，母材的熔深大，填充金屬熔敷速度快。 對氧化膜不敏感，依靠強勁的陰極破碎作用去除氧化膜，提高焊接質量。 可以獲得含氫量較低的焊縫金屬。 可以通過短路過渡或脈沖進行全位置焊接，焊道之間不需要清渣。1.3.2 MIG 焊的熔滴過渡MIG 焊一般采用平特性電源配等速送絲系統(tǒng)，根據焊絲及焊接規(guī)范的不同，其熔滴過渡方式主要有短路過渡、大滴過渡、噴射過渡。 1.3.3 脈沖 MIG 焊1）脈沖 MIG 焊擴大了電流的使用范圍 脈沖 MIG 焊通過脈沖參數(shù)的配合，可以在較小的電流下實現(xiàn)穩(wěn)定的噴射過渡，這樣可以焊接薄板，且母材熔透情況比短路過渡焊接好，生產率高和焊接變形情況都比TIG 焊好。更有意義的是可以使用較粗的焊絲來焊接薄板，這給焊接工藝帶來很大5方便。首先粗絲送絲相對更為容易，對軟質焊絲（鋁、銅等）最為有利。其次，粗絲的挺直性好，焊絲指向不易偏擺，容易保持在焊縫中心線上。此外，粗絲的售價比細絲低，可降低焊接成本，并且比表面積小，可使產生氣孔的傾向性降低。2）可控制熔滴過渡和熔池尺寸，有利于全位置焊接 進行空間位置焊縫焊接時，由于脈沖電流大，使熔滴過渡具有更強的方向性，有利于熔滴沿電弧軸線順利過渡到熔池中。由于脈沖平均電流小，所形成的熔池體積也會小一些，再加上脈沖加熱和熔滴過渡是間斷性發(fā)生的，所以熔池金屬即使處于立焊位置也不至于流淌，保持了熔池狀態(tài)的穩(wěn)定性。3）可有效地控制熱輸入量，改善接頭性能 對于熱敏感性較大的材料，通過平均電流調節(jié)對母材的熱輸入或焊接線能量，使焊縫金屬和熱影響區(qū)的過熱現(xiàn)象降低，從而使接頭具有良好的品質，裂紋傾向性降低。此外，脈沖作用方式可以防止熔池出現(xiàn)單向性結晶，也能夠提高焊縫性能。1.4 等離子-MIG 焊1.4.1 等離子 MIG 焊的產生及基本形式1）等離子 MIG 焊的產生等離子 MIG 焊是利用等離子弧和 MIG 電弧在同一焊槍中燃燒,以獲得焊縫熔深和熔寬合理分配并且具有高的焊接質量和焊接效率的一種先進的焊接方法。與等離子弧焊比較,其優(yōu)點是:焊絲受等離子弧預熱,熔化功率大 ,焊接速度高。熔化功率和工件上的輸入熱量可以單獨調節(jié),熔化極直流電源,采用直流反接時有去除氧化膜的陰極破碎作用,所以這種方法適用于焊鋁、鎂及其合金。2）等離子 MIG 焊的基本形式熔化極等離子弧焊有兩種基本形式。如圖 1 一 1 為水冷噴嘴式。水冷噴嘴在強烈的直接水冷條件下,噴嘴溫度可以保持相對較低的水平,這樣便可以承擔較大