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套圈保护步进式电弧螺柱焊过程研究*
池强1，张建勋1，肖克民1，付继飞2
(1.西安交通大学焊接研究所，西安，710049；2.中冶集团建筑研究总院，北京，100088)
摘要：本文利用自行研制的步进式电弧螺柱焊枪，采用套圈作为焊接过程的保护方式，研究了套圈保护步进式电弧螺柱焊过程。对焊接过程的电流及电压波形进行采集，分析焊接过程的电弧行为。试验结果显示，在套圈保护步进式电弧螺柱焊过程中，电弧稳定燃烧，熔化金属短路现象明显减少；螺柱送进过程的“无弧”时间缩短。焊接过程电弧行为的改善提高了电弧对接头的加热效率；相比无保护步进式电弧螺柱焊，套圈保护步进式电弧螺柱焊可以在一定范围内减少焊接时间，提高了焊接效率。
关键词：电弧螺柱焊；套圈；焊接过程；电弧行为
0 序 言[i]
电弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱与工件间引燃电弧，当螺柱与工件被加热到合适温度时，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接头。根据焊接过程中所用焊接电源的不同，传统电弧螺柱焊可以分为普通电弧螺柱焊和电容储能电弧螺柱焊两种基本方法[1]。在普通电弧螺柱焊的应用中，套圈保护是常用的一种焊接过程保护方法。
步进式电弧螺柱焊（简称SASW）是基于新式焊枪的焊接方法，文献[2]介绍了步进式电弧螺柱焊枪的研制情况以及焊接过程的初步实现。为了提高步进式电弧螺柱焊的实用性，需要对其进行系统的研究。本文主要研究套圈保护步进式电弧螺柱焊过程，分析套圈保护对焊接过程电弧行为的影响。
1 试验设备及材料
1.1焊接设备
焊接设备包括焊接电源、焊接控制器及焊枪。步进式电弧螺柱焊枪的结构原理如图1所示，通过控制步进电机的转动方向，实现焊接过程螺柱的运动要求。采用MCS-51单片机系统控制焊枪及焊接过程的实现[2]。试验中，选用型号为ZXG-300的磁放大器式弧焊整流器作为焊接电源，该电源标明空载电压75V，具有陡降外特性，符合电弧螺柱焊引弧及焊接要求。
1.2焊接过程监测设备
研究焊接过程，可以通过多种方法实现，本试验通过采集焊接过程的能量输入参数，利用波形法进行分析。能量输入参数主要包括焊接电流和焊接电压。数据采样系统如图2所示。焊接电压的采样采用型号为GIV-Zv的直流电压变送器，该变送器 
图1 步进式电弧螺柱焊枪结构
具有光电隔离作用；焊接电流的采样是依靠分流器来获得，电流信号经分流器变换为一定大小的电压信号，从分流器两端出来的信号需进行放大隔离。系统采用型号为TDS220的数字示波器记录焊接过程，此示波器具有两个输入通道，可以同时采集焊接电压和焊接电流。示波器外扩计算机通讯模块TDS2CM，通过RS232接口线与计算机串口相连接。采集的信息可以直接在计算机上显示处理。
图2采样系统示意图
1.3试验材料
试验中所用螺柱及试件材料为Q235钢，螺柱直径φ5mm，待焊顶端为平顶端面形式，不带引弧结；试件厚度5mm，适合螺柱焊接，焊前对表面氧化皮、铁锈、油漆、油脂等杂质做简单处理。
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(体积分数，％)
|
耐火土 |
粘土 |
石墨 |
铝粉 |
锰铁粉 |
|
58 |
27 |
5 |
5 |
5 |
2 结果及讨论
2.1无保护SASW
步进式电弧螺柱焊的焊接规范参数主要包括能量输入参数(焊接电流，焊接时间)和焊枪行为参数(螺柱提起高度和送进深度)。选用表2所示的焊接规范进行无保护步进式电弧螺柱焊。表中所列焊接时间是指螺柱在提起高度的保持时间；电弧在此段时间内充分燃烧，决定了接头的能量输入。此规范基本适合无保护步进式电弧螺柱焊接过程。
表2 焊接规范参数
|
焊接电流(A) |
焊接时间(ms) |
提起高度(mm) |
送进深度(mm) |
|
300 |
370 |
1.7 |
3.3 |
图3所示为典型的焊接过程电流及电压的采样波形。如图中所示，整个焊接过程分为螺柱提起、螺柱保持和螺柱送进3个阶段。
图3 无保护步进式电弧螺柱焊电参数波形
(1)螺柱提起阶段大约有90ms，螺柱从工件上提起后，焊接电压增高并保持在25V左右，这说明电弧被顺利引燃，开始进入焊接过程。而在此阶段，焊接电流增长速度较慢，保持在大约50A左右的水平。出现这种现象的原因主要是螺柱在提起过程中的连续运动改变了电弧的形态，使电流密度变小；另外电流偏小也和电源电流的滞后特性有关。
(2)电弧燃烧阶段，在预设的螺柱提起高度，电弧充分燃烧。此阶段可以分为两部分进行描述。在t1时间段内，焊接电流的上升速度加快且比较稳定，而焊接电压略有下降趋势。电压下降是因为电弧燃烧使得螺柱金属熔化增多，熔化金属下垂而缩短了弧长。此时焊接电弧在螺柱端面扩展，能量不是很高，故此段时间可以定义为电弧扩展阶段。在进入t2时间段内，焊接电流上升到大约200A左右时，焊接电流陡然升高，对应的焊接电压降至接近0V。此后一段时间内焊接电流和焊接电压处于往复振荡的过程。总的趋势是焊接电流在增大，而焊接电压总体低于t1时间段。如此的波形说明螺柱与工件之间频繁短路。因为随着电流的增大，螺柱端部熔化金属增多并下垂，最终与工件接触引起短路。此段时间可以定义为电弧不稳定燃烧阶段。由于频繁的短路，导致焊接飞溅增加。
(3)在螺柱送进阶段，螺柱与工件已经处于完全短路状态。此时焊接电流基本保持在530A左右，而焊接电压则基本为0。这就说明在螺柱送进过程中，电弧已经熄灭。
2.2 套圈保护SASW
在电弧螺柱焊过程中使用套圈进行保护，具有两个明显的作用[3]：(1)使接头处液态金属不能随意流动，起到强制成形焊接接头的作用；(2)减少了可见的弧光，保护了操作者的眼睛，改善了工作环境。另外，套圈中有限的空间对焊接电弧产生较强的约束作用，从而减轻了电弧磁偏吹现象[4]。电弧偏吹是影响电弧螺柱焊质量的重要因素，可以导致焊脚成型不均匀，同时引起强烈的焊接飞溅。
比较无保护步进式电弧螺柱焊过程表现出来的特点，重点研究套圈保护对步进式电弧螺柱焊过程及电弧行为的影响。
为增强可比性，采用表2所示的焊接规范参数，进行套圈保护步进电弧螺柱焊试验。焊接过程电流及电压采样波形如图4所示。
图4 套圈保护步进式电弧螺柱焊电参数波形
在螺柱提起阶段，电流与电压的波形变化与图3相似，焊接过程处于起弧状态。
在电弧燃烧阶段，同样可以分为两个时间段进行描述。如图所示，在t1时间段内，焊接电压呈增大趋势，焊接电流基本在200A以下。此段时间为电弧扩展阶段。进入t2时间段，焊接电流稳定升高，增大的电弧能量使得螺柱熔化量快速增加。液态金属的下垂使得焊接电压有轻微的减小。此段时间可以定义为电弧充分燃烧阶段。总体来说，螺柱在提起高度燃烧稳定。
螺柱送进阶段，可以分为有弧时间和无弧时间。图中所示t3时间段表明，螺柱在开始送进阶段，电弧仍旧正常燃烧。经过一段时间后，焊接电流急剧升高，而电压降到不足以维持电弧燃烧。此时处于无弧状态，直到焊接过程结束。
与无保护步进式电弧螺柱焊过程相比，套圈保护步进式电弧螺柱焊过程具有以下特点。
(1)在套圈保护步进式电弧螺柱焊过程中，电弧燃烧稳定，短路现象明显减少。出现这种情况的原因主要是因为套圈保护情况下电弧对接头处加热集中，磁偏吹减少，造成焊接工件熔深较大，这就使得焊接电弧增长，短路次数自然减少。对于套圈保护的焊接过程，短路现象依旧存在，只是短路次数或总的短路时间会大幅度降低。正常情况下，短路会发生在电弧燃烧阶段后期或螺柱送进阶段初期，因为此时螺柱端部熔化金属量达到一个较大值。图4所示焊接过程在电弧燃烧阶段后期存在大约10ms的短路，图5所示的焊接过程在螺柱送进阶段存在短暂时间的短路现象。需要说明的是，此短路指的是发生在电弧完全熄灭之前的短路。
图5 螺柱送进阶段出现短路的焊接过程波形
(2) 在套圈保护步进式电弧螺柱焊过程中，螺柱送进过程的无弧时间明显低于无保护焊接过程。实际的电弧燃烧时间因此延长，而此段时间的焊接电流很大，这在很大程度上增加了焊接输入能量。
由于套圈的使用，使得焊接过程的电弧行为有很大改善。短路现象的减少意味着焊接过程中不会有太多的金属飞溅，电弧的利用率得到提高。实际燃弧时间增长也会使螺柱更多的熔化。通过焊后测量可知，套圈保护焊接后的螺柱烧损量是无保护焊接后螺柱缩短量的2倍左右。
2.3套圈保护SASW焊接时间确定
焊接过程电弧行为的改变将直接影响焊接过程的进行以及接头的形成。采用表2所示焊接规范进行焊接，将产生过多的接头熔化金属。故需要对焊接规范参数进行调整，试验中通过缩短焊接时间的方法减小焊接输入能量。
通过试验得出，在表2所示焊接规范的基础上，调整焊接时间为290ms，可以得到较为满意的结果。其焊接过程电参数采样如图6所示。从图中可以看出，焊接过程电弧燃烧稳定，电弧行为符合套圈保护SASW过程一般规律。焊后对工件上的螺柱进行测量，同焊前相比缩短了2.8mm。由于设定的螺柱送进深度为3.3mm，确保螺柱最大程度的进入熔池，所以此种接头处于比较紧密的接合状态。而采用370ms焊接时间的焊接过程有可能出现螺柱烧损量过大，螺柱送进后与工件上的焊接熔池金属挤压不够，从而影响接头质量。
图6 燃弧时间为290ms的焊接过程波形
由于套圈的使用，步进式电弧螺柱焊的焊接时间可以在一定范围内缩短，这就提高了焊接效率；另外，焊接时间的缩短减小了熔化金属被空气侵蚀的几率，有利于焊接质量的提高。
3 结论
采用波形法对无保护及套圈保护步进式电弧螺柱焊过程进行研究，得出以下结论：
(1) 在无保护SASW过程中，存在一个电弧不稳定燃烧阶段，其间发生大量的熔化金属短路现象。
(2)由于套圈的使用，使得SASW过程电弧行为发生较大改变。整个焊接过程中，电弧稳定燃烧，短路现象明显减少；螺柱送进过程的“无弧”时间缩短。电弧行为的改善提高了电弧利用率。
(3)相比无保护SASW，套圈保护SASW可以在一定范围内减少焊接时间，这一方面提高了焊接的效率；更有利的一方面是减小了焊接熔池被空气侵蚀的几率。
参考文献
[1] 池强，张建勋，付继飞. 电弧螺柱焊技术的发展与应用[J]. 焊接技术，2003，32(6): 18~20.
[2] 池强，张建勋，付继飞等. 步进式电弧螺柱焊枪及控制系统的研究[J]. 西安交通大学学报，2004, 38(5): 461-464.
[3] Shoup T. E. Stud welding. Welding Research Council BulleTIn, 1976, (214): 1~22.
[4] R。Trillmich，付继飞，张友权等. 建筑工程中的螺柱焊接技术(2)－钢结构工程中螺柱焊接技术现状和展望[J]. 钢结构，2002, 17(2): 45-48.
致谢：本研究得到教育部骨干教师基金资助和中冶集团建筑研究总院，特表示感谢。
作者简介：池强，博士研究生，从事焊接过程控制研究； 张建勋教授，博士生导师。主要从事新材料接合科学与技术、数值模拟与仿真、CAD/CAE与专家系统的研究。发表学术论文100余篇。